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《電站系統工程雜志》2014年第三期

1流化床輕度氣化褐煤提質技術

1.1技術工藝基于流態化技術原理，在多年從事流化床發電技術研究和經驗積累的基礎上，華能清潔能源技術研究院提出了一種新型的褐煤提質技術——流化床輕度氣化褐煤提質技術工藝技術，并進行了相關理論和試驗研究。其主要工藝流程如圖1所示。原煤經由破碎篩分系統，符合粒度要求（<30mm）的原煤直接送入原煤倉。滿足粒度要求的褐煤原煤通過給煤機送入流化床輕度氣化褐煤提質反應器，原煤在反應器內發生輕度氣化、部分燃燒反應，通過控制爐內氧煤比，控制爐膛反應區的溫度較低，還原性氣氛條件。褐煤在反應器反應區發生化學反應生成的熱量一部分用于保證爐膛溫度的穩定，一部分用于對褐煤自身進行干燥達到提質的目的。在爐膛停留足夠長的時間，被充分干燥的提質粗顆粒產品經由排料管排入粗顆粒成品冷卻系統進行冷卻到50℃以下，然后送入粗顆粒成品倉。從分離器分離下來的細顆粒成品經由細顆粒成品冷卻系統進行冷卻到50℃以下，然后送入細顆粒成品倉。從分離器出口排出的低熱值煤氣（乏氣）送焚燒爐燃燒處理利用。

1.2技術特點針對褐煤脫水提質的目的，流化床輕度氣化褐煤提質工藝技術重點包括：較高的褐煤脫水率、較高品質的干燥提質成品、較高的熱量利用率、較低的能耗、盡量簡化和操作簡單的系統。該工藝的特點在于：(1)不需要向反應系統提供額外的熱量，最終可以控制褐煤中的水分含量低于8%，并且保證獲得較高品質的干燥提質產品。(2)適當降低褐煤中的揮發分含量，剔除燃料中微塵，解決褐煤提質后的自燃問題。(3)無廢棄固體物質（清潔的固體成品燃料），無廢水排放。(4)反應系統處于低溫常壓狀態，對設備的耐溫耐壓要求較低。(5)固體產物經過干燥與輕度氣化過程，內部的微孔結構被有效破壞，可避免干燥提質產品出現返潮現象。(6)固體產物顆粒為寬篩分顆粒（0～30mm），便于固體產物的長距離運輸，并且利于實現燃煙煤機組在現有制粉系統不需要大的改造的基礎上直接進行摻燒。(7)一次性解決了褐煤干燥提質問題，無需擠壓成型，無大型機械設備，便于實現規模化生產。

2半工業試驗臺試驗研究

為了驗證流化床輕度氣化褐煤提質工藝的可行性，并獲取關鍵的技術參數，改造建成了褐煤處理能力300～400kg/h的流化床輕度氣化褐煤提質半工業性試驗臺，并以蒙東典型的伊敏褐煤為試驗煤種，進行了褐煤輕度氣化提質的相關試驗研究。

2.1原煤的煤質特性

試驗所用褐煤的主要理化分析結果如表1所示。由上述分析結果可知，試驗煤種伊敏褐煤屬高揮發分、低灰分、低熱值、高水分燃料。

2.2提質成品的煤質特性

試驗臺褐煤提質試驗生產出的提質成品主要包括粗顆粒成品和細顆粒成品兩種產品。其中，粗顆粒成品由反應器底部排出，而細顆粒成品由反應器出口旋風分離器收集。試驗過程中生產出的提質成品的樣品如下圖所示。試驗取得的粗顆粒成品和細顆粒成品的理化分析結果如表2所示。由分析結果可知，經過提質的褐煤，粗顆粒成品和細顆粒成品中的水分都近趨于0，顯示即使在試驗溫度情況下，入爐褐煤可以有充分停留時間完成干燥過程。

2.2.1溫度對提質成品揮發分的影響提質反應器內部溫度將直接影響提質成品揮發分的含量，如圖4所示。隨著提質反應器內部反應溫度的升高，褐煤在提質反應器內的物理和化學反應過程更加劇烈，固體顆粒中的揮發分，更多的釋放到煙氣中去，導致固體顆粒揮發分含量隨著溫度的升高迅速降低。

2.2.2溫度對提質成品熱值的影響提質反應器的溫度水平將對提質成品的熱值產生影響，但對粗顆粒和細顆粒成品的影響還不盡相同，如圖5所示。由圖5可知，隨著提質反應器溫度的升高，粗顆粒成品的熱值迅速下降。分析認為，由于粗顆粒成品在反應器內的停留時間較長（2～5min），隨著提質反應器溫度的升高，粗顆粒在提質反應器內的化學反應加劇，燃燒、氣化及干餾份額提高，導致了固體顆粒成品的熱值下降。而對于細顆成品，由于在提質反應器內停留時間很短（5s左右），隨著提質反應器溫度的升高，其燃燒和氣化份額變化不大，干餾份額有所增加，導致細顆粒成品的熱值略有降低。

2.2.3溫度對提質成品產率的影響提質反應器溫度對提質成品的產率有著重要的影響，如圖6所示。隨著提質反應器溫度的升高，提質成品的產率呈下降趨勢。一般而言，隨著提質反應器溫度的升高，褐煤熱解程度加劇，褐煤中揮發分的析出份額增加，同時，燃燒與氣化反應加劇，導致了提質成品的產率下降。為了保證較高的提質成品產率，提質反應器溫度是一個重要的控制參數。

2.2.4提質產品的燃燒特性著火及燃盡特性是判斷提質成品品質的一個重要的指標。采用熱重分析法對褐煤提質成品的著火及燃盡特性進行了分析。熱重分析的結果如表3所示。為了對提質褐煤成品的著火和燃盡特性有比較清晰的認識，表中還列出了幾種比較典型煙煤的熱重分析結果作為對比。由表3可知，經過提質的褐煤，其著火溫度與原煤相比有一定程度的升高，更接近于煙煤的著火溫度，但其著火特性仍屬于易或極易著火燃料。著火溫度的升高，預示著褐煤提質成品的自燃傾向變弱，褐煤提質成品與原煤相比更加的穩定。從燃盡特性來看，褐煤經提質后的成品與原煤相比，其燃盡特性略有降低，但并沒有發生本質改變，仍屬于易燃盡煤種范疇。這樣，原設計燃用煙煤的鍋爐，若改用該提質產品，預計仍可保證很好的燃盡性能。

2.2.5提質產品的吸水特性褐煤提質成品的吸水特性是判斷提質成品特性的一個比較重要的指標。如果褐煤提質成品的吸水性很強，在褐煤提質成品的運輸與儲存過程中會吸收大量的水分，使褐煤提質成品的含水量增加，導致褐煤提質成品的熱值降低，品質變差，失去了褐煤提質的意義。對扎賚諾爾褐煤的提質成品的吸水試驗在一個開放的自然環境中進行的，提質成品的樣品被平鋪在表面皿中，放置于一個開放自然空間的天平上。連續對表面皿進行稱重，獲得褐煤提質成品的吸水特性參數。其試驗吸水特性曲線如圖7所示。由圖可知，扎賚諾爾褐煤粗顆粒成品的自然條件吸水飽和增重在8%左右，細顆粒成品的自然條件吸水飽和增重在10%左右。相比較而言，細顆粒成品的吸水性強于粗顆粒成品。試驗研究顯示，流化床輕度氣化褐煤提質工藝能有效地破壞褐煤中的微孔結構，減弱褐煤提質成品的吸水性，避免了褐煤在長距離運輸和存貯過程中發生再吸水，保證了提質褐煤具有穩定的品質。

2.2.6提質成品的自燃特性褐煤是極易發生自燃的煤種。在運輸、儲存以及利用過程中，常常會因為發生自燃而帶來很大的安全問題。褐煤提質的一個主要目的，就是降低褐煤的自燃傾向，以便其能安全地運輸和儲存。以常規物理方法進行褐煤干燥或半干燥處理，一般不會改變褐煤的自燃特性，且由于褐煤中水分降低，干燥后的成品更容易發生自燃。因此，適用的褐煤提質技術必須能有效降低褐煤提質成品的自燃傾向，保證提質成品運輸和儲存的安全性。降低褐煤自燃傾向的本質是脫除褐煤中的羧基，降低褐煤在常溫下的氧化反應性。這就需要褐煤在提質過程中發生某種程度的煤化反應，以降低褐煤中羧基的含量。為了分析流化床輕度氣化褐煤提質工藝在褐煤提質過程中是否能降低褐煤提質成品的自燃傾向，建立了煤的自燃特性試驗臺，對扎賚諾爾褐煤的提質成品進行了自燃特性試驗研究。煤的自燃特性的判別標準如下表所示。表5為試驗褐煤原煤及提質成品的自燃特性試驗結果。作為比較，表中還列出其它幾種煤種的自燃特性測量結果。從自燃特性試驗結果可以明顯看出，經過流化床輕度氣化褐煤提質工藝進行處理獲得的提質成品，自燃傾向明顯變弱，由易自燃燃料變成中等自燃燃料，其自燃特性與常規高揮發分煙煤趨近，這就很好保證了褐煤提質成品在運輸、存儲與使用過程中的安全性。

3結論

根據循環流化床的技術特點，結合在循環流化床方面多年的技術積累，西安熱工研究院提出了整體流化床輕度氣化褐煤提質工藝技術。該技術通過將流化床技術與褐煤干燥、氣化過程緊密結合，并進行系統整體化設計，有效降低了系統的復雜性，為褐煤提質技術的大型化和工業化應用開辟了一條全新的道路。試驗表明，采用流化床技術進行褐煤提質在技術上可行。提質成品的理化分析結果表明，經過提質的褐煤，粗顆粒成品和細顆粒成品中的水分都近趨于0，發熱量可以達到5000kcal/kg左右。提質成品的著火、燃盡、自燃、吸水等特性試驗結果表明，經過提質的褐煤，其化學穩定性與原煤相比明顯提高，更接近于煙煤的特性。本試驗研究結果，驗證了流化床輕度氣化褐煤提質工藝在技術上的可行性，為下一步開展工業化應用研究奠定了基礎。

作者：李強徐正泉江建忠呂海生郭濤肖平單位：中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司