褐煤提质技术的试验研究范文

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《电站系统工程杂志》2014年第三期

1流化床轻度气化褐煤提质技术

1.1技术工艺基于流态化技术原理，在多年从事流化床发电技术研究和经验积累的基础上，华能清洁能源技术研究院提出了一种新型的褐煤提质技术——流化床轻度气化褐煤提质技术工艺技术，并进行了相关理论和试验研究。其主要工艺流程如图1所示。原煤经由破碎筛分系统，符合粒度要求（<30mm）的原煤直接送入原煤仓。满足粒度要求的褐煤原煤通过给煤机送入流化床轻度气化褐煤提质反应器，原煤在反应器内发生轻度气化、部分燃烧反应，通过控制炉内氧煤比，控制炉膛反应区的温度较低，还原性气氛条件。褐煤在反应器反应区发生化学反应生成的热量一部分用于保证炉膛温度的稳定，一部分用于对褐煤自身进行干燥达到提质的目的。在炉膛停留足够长的时间，被充分干燥的提质粗颗粒产品经由排料管排入粗颗粒成品冷却系统进行冷却到50℃以下，然后送入粗颗粒成品仓。从分离器分离下来的细颗粒成品经由细颗粒成品冷却系统进行冷却到50℃以下，然后送入细颗粒成品仓。从分离器出口排出的低热值煤气（乏气）送焚烧炉燃烧处理利用。

1.2技术特点针对褐煤脱水提质的目的，流化床轻度气化褐煤提质工艺技术重点包括：较高的褐煤脱水率、较高品质的干燥提质成品、较高的热量利用率、较低的能耗、尽量简化和操作简单的系统。该工艺的特点在于：(1)不需要向反应系统提供额外的热量，最终可以控制褐煤中的水分含量低于8%，并且保证获得较高品质的干燥提质产品。(2)适当降低褐煤中的挥发分含量，剔除燃料中微尘，解决褐煤提质后的自燃问题。(3)无废弃固体物质（清洁的固体成品燃料），无废水排放。(4)反应系统处于低温常压状态，对设备的耐温耐压要求较低。(5)固体产物经过干燥与轻度气化过程，内部的微孔结构被有效破坏，可避免干燥提质产品出现返潮现象。(6)固体产物颗粒为宽筛分颗粒（0～30mm），便于固体产物的长距离运输，并且利于实现燃烟煤机组在现有制粉系统不需要大的改造的基础上直接进行掺烧。(7)一次性解决了褐煤干燥提质问题，无需挤压成型，无大型机械设备，便于实现规模化生产。

2半工业试验台试验研究

为了验证流化床轻度气化褐煤提质工艺的可行性，并获取关键的技术参数，改造建成了褐煤处理能力300～400kg/h的流化床轻度气化褐煤提质半工业性试验台，并以蒙东典型的伊敏褐煤为试验煤种，进行了褐煤轻度气化提质的相关试验研究。

2.1原煤的煤质特性

试验所用褐煤的主要理化分析结果如表1所示。由上述分析结果可知，试验煤种伊敏褐煤属高挥发分、低灰分、低热值、高水分燃料。

2.2提质成品的煤质特性

试验台褐煤提质试验生产出的提质成品主要包括粗颗粒成品和细颗粒成品两种产品。其中，粗颗粒成品由反应器底部排出，而细颗粒成品由反应器出口旋风分离器收集。试验过程中生产出的提质成品的样品如下图所示。试验取得的粗颗粒成品和细颗粒成品的理化分析结果如表2所示。由分析结果可知，经过提质的褐煤，粗颗粒成品和细颗粒成品中的水分都近趋于0，显示即使在试验温度情况下，入炉褐煤可以有充分停留时间完成干燥过程。

2.2.1温度对提质成品挥发分的影响提质反应器内部温度将直接影响提质成品挥发分的含量，如图4所示。随着提质反应器内部反应温度的升高，褐煤在提质反应器内的物理和化学反应过程更加剧烈，固体颗粒中的挥发分，更多的释放到烟气中去，导致固体颗粒挥发分含量随着温度的升高迅速降低。

2.2.2温度对提质成品热值的影响提质反应器的温度水平将对提质成品的热值产生影响，但对粗颗粒和细颗粒成品的影响还不尽相同，如图5所示。由图5可知，随着提质反应器温度的升高，粗颗粒成品的热值迅速下降。分析认为，由于粗颗粒成品在反应器内的停留时间较长（2～5min），随着提质反应器温度的升高，粗颗粒在提质反应器内的化学反应加剧，燃烧、气化及干馏份额提高，导致了固体颗粒成品的热值下降。而对于细颗成品，由于在提质反应器内停留时间很短（5s左右），随着提质反应器温度的升高，其燃烧和气化份额变化不大，干馏份额有所增加，导致细颗粒成品的热值略有降低。

2.2.3温度对提质成品产率的影响提质反应器温度对提质成品的产率有着重要的影响，如图6所示。随着提质反应器温度的升高，提质成品的产率呈下降趋势。一般而言，随着提质反应器温度的升高，褐煤热解程度加剧，褐煤中挥发分的析出份额增加，同时，燃烧与气化反应加剧，导致了提质成品的产率下降。为了保证较高的提质成品产率，提质反应器温度是一个重要的控制参数。

2.2.4提质产品的燃烧特性着火及燃尽特性是判断提质成品品质的一个重要的指标。采用热重分析法对褐煤提质成品的着火及燃尽特性进行了分析。热重分析的结果如表3所示。为了对提质褐煤成品的着火和燃尽特性有比较清晰的认识，表中还列出了几种比较典型烟煤的热重分析结果作为对比。由表3可知，经过提质的褐煤，其着火温度与原煤相比有一定程度的升高，更接近于烟煤的着火温度，但其着火特性仍属于易或极易着火燃料。着火温度的升高，预示着褐煤提质成品的自燃倾向变弱，褐煤提质成品与原煤相比更加的稳定。从燃尽特性来看，褐煤经提质后的成品与原煤相比，其燃尽特性略有降低，但并没有发生本质改变，仍属于易燃尽煤种范畴。这样，原设计燃用烟煤的锅炉，若改用该提质产品，预计仍可保证很好的燃尽性能。

2.2.5提质产品的吸水特性褐煤提质成品的吸水特性是判断提质成品特性的一个比较重要的指标。如果褐煤提质成品的吸水性很强，在褐煤提质成品的运输与储存过程中会吸收大量的水分，使褐煤提质成品的含水量增加，导致褐煤提质成品的热值降低，品质变差，失去了褐煤提质的意义。对扎赉诺尔褐煤的提质成品的吸水试验在一个开放的自然环境中进行的，提质成品的样品被平铺在表面皿中，放置于一个开放自然空间的天平上。连续对表面皿进行称重，获得褐煤提质成品的吸水特性参数。其试验吸水特性曲线如图7所示。由图可知，扎赉诺尔褐煤粗颗粒成品的自然条件吸水饱和增重在8%左右，细颗粒成品的自然条件吸水饱和增重在10%左右。相比较而言，细颗粒成品的吸水性强于粗颗粒成品。试验研究显示，流化床轻度气化褐煤提质工艺能有效地破坏褐煤中的微孔结构，减弱褐煤提质成品的吸水性，避免了褐煤在长距离运输和存贮过程中发生再吸水，保证了提质褐煤具有稳定的品质。

2.2.6提质成品的自燃特性褐煤是极易发生自燃的煤种。在运输、储存以及利用过程中，常常会因为发生自燃而带来很大的安全问题。褐煤提质的一个主要目的，就是降低褐煤的自燃倾向，以便其能安全地运输和储存。以常规物理方法进行褐煤干燥或半干燥处理，一般不会改变褐煤的自燃特性，且由于褐煤中水分降低，干燥后的成品更容易发生自燃。因此，适用的褐煤提质技术必须能有效降低褐煤提质成品的自燃倾向，保证提质成品运输和储存的安全性。降低褐煤自燃倾向的本质是脱除褐煤中的羧基，降低褐煤在常温下的氧化反应性。这就需要褐煤在提质过程中发生某种程度的煤化反应，以降低褐煤中羧基的含量。为了分析流化床轻度气化褐煤提质工艺在褐煤提质过程中是否能降低褐煤提质成品的自燃倾向，建立了煤的自燃特性试验台，对扎赉诺尔褐煤的提质成品进行了自燃特性试验研究。煤的自燃特性的判别标准如下表所示。表5为试验褐煤原煤及提质成品的自燃特性试验结果。作为比较，表中还列出其它几种煤种的自燃特性测量结果。从自燃特性试验结果可以明显看出，经过流化床轻度气化褐煤提质工艺进行处理获得的提质成品，自燃倾向明显变弱，由易自燃燃料变成中等自燃燃料，其自燃特性与常规高挥发分烟煤趋近，这就很好保证了褐煤提质成品在运输、存储与使用过程中的安全性。

3结论

根据循环流化床的技术特点，结合在循环流化床方面多年的技术积累，西安热工研究院提出了整体流化床轻度气化褐煤提质工艺技术。该技术通过将流化床技术与褐煤干燥、气化过程紧密结合，并进行系统整体化设计，有效降低了系统的复杂性，为褐煤提质技术的大型化和工业化应用开辟了一条全新的道路。试验表明，采用流化床技术进行褐煤提质在技术上可行。提质成品的理化分析结果表明，经过提质的褐煤，粗颗粒成品和细颗粒成品中的水分都近趋于0，发热量可以达到5000kcal/kg左右。提质成品的着火、燃尽、自燃、吸水等特性试验结果表明，经过提质的褐煤，其化学稳定性与原煤相比明显提高，更接近于烟煤的特性。本试验研究结果，验证了流化床轻度气化褐煤提质工艺在技术上的可行性，为下一步开展工业化应用研究奠定了基础。

作者：李强徐正泉江建忠吕海生郭涛肖平单位：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司