美國(guó)低溫流化床褐煤干燥技術(shù)工業(yè)應(yīng)用考察

劉文欣

（濱海金地礦業(yè)工程技術(shù)（北京）有限公司，北京 100027）

在我國(guó)的部分礦區(qū)分布有大量高水分、低變質(zhì)程度的不粘煤、長(zhǎng)焰煤、褐煤等低階煤炭資源，例如：內(nèi)蒙古的萬(wàn)利礦區(qū)、上海廟礦區(qū)、錫林浩特礦區(qū)、海拉爾礦區(qū)、大雁礦區(qū)，河北省的蔚縣礦區(qū)等。這些煤炭資源往往具有儲(chǔ)量大、灰分低、硫分低等優(yōu)點(diǎn)，但水分高、發(fā)熱量低，在工業(yè)應(yīng)用上受到很大限制。為了有效利用這些資源，不少企業(yè)曾嘗試用風(fēng)力分選、煤炭干燥、低階煤提質(zhì)等工藝來(lái)提高低階煤的發(fā)熱量，但是大部分都沒(méi)有形成可復(fù)制的成功案例。因此，尋找一種安全性高、運(yùn)行成本低的低階煤干燥工藝技術(shù)非常有必要。

世界上很多國(guó)家也賦存有大量高水分的褐煤資源，主要是用來(lái)燃燒發(fā)電。例如美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、澳大利亞等。有的國(guó)家還對(duì)褐煤進(jìn)行預(yù)先脫水和干燥處理，但大部分干燥工藝都需要設(shè)置單獨(dú)的熱源來(lái)降低煤炭中的水分，工藝往往過(guò)于復(fù)雜，干燥成本也很高。因此，這些技術(shù)難以大面積推廣應(yīng)用。

美國(guó)的煤溪發(fā)電站位于美國(guó)北達(dá)科他州的安德伍德，隸屬于大河能源公司。發(fā)電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1200 MW，由位于附近的北美煤炭公司福爾柯克煤礦提供來(lái)自露天礦未經(jīng)洗選的低變質(zhì)褐煤作為燃料。發(fā)電站當(dāng)初設(shè)計(jì)的原料煤熱值是6800 Btu／lb（15.81 MJ／kg）， 但實(shí)際的燃料熱值只有6100～6200 Btu／lb（14.18～14.41 MJ／kg）。煤溪發(fā)電站在實(shí)際生產(chǎn)中，由于褐煤水分本來(lái)就高，加之實(shí)際燃料煤質(zhì)比設(shè)計(jì)煤質(zhì)差、雜物含量多等，給發(fā)電站帶來(lái)了很多不利影響。為了提高發(fā)電站的燃燒效率、降低污染物排放，大河能源公司在美國(guó)能源部的資助下，決定開發(fā)一種利用發(fā)電站余熱進(jìn)行褐煤預(yù)干燥的新技術(shù)，并聯(lián)合里海大學(xué)、沃利帕森公司、巴爾公司、海＆帕公司等開發(fā)了低溫流化床褐煤干燥技術(shù)，并且在煤溪電站建成了示范項(xiàng)目，作為褐煤發(fā)電站燃料煤燃燒前的預(yù)處理環(huán)節(jié)，用來(lái)降低褐煤水分、提高入爐前燃料的發(fā)熱量。

項(xiàng)目投入實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后，在降低燃料消耗、減少污染物排放、提高生產(chǎn)效率方面取得了非常明顯的效果，真正做到了節(jié)能減排。

1 低溫流化床干燥系統(tǒng)工作原理和組成

低溫流化床干燥機(jī)外形為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，干燥介質(zhì)包括空氣和熱水。低溫流化床干燥機(jī)工作時(shí)，通過(guò)機(jī)體下部鼓入的熱空氣把煤吹浮起來(lái)，使得入料濕煤在干燥機(jī)內(nèi)形成 “流態(tài)化”床層，并實(shí)現(xiàn)部分熱交換。干燥機(jī)內(nèi)部還均勻分布著很多熱水管，位置處于濕煤 “流態(tài)化”后的松散床層內(nèi)，參與熱交換過(guò)程。從機(jī)體結(jié)構(gòu)和基本原理上看，低溫流化床干燥機(jī)屬于 “復(fù)合干燥”模式，熱空氣與濕煤直接接觸，為 “直接干燥”；熱水與濕煤間接接觸，是 “間接干燥”。濕煤與干燥介質(zhì)的熱交換呈現(xiàn) “雙效”模式。正常工作狀況下，濕煤流態(tài)化床層的下部是正壓工作，上部是負(fù)壓狀態(tài)。低溫流化床干燥機(jī)的工作溫度范圍90～150℃，大大低于褐煤的燃點(diǎn)，因此可稱其為 “低溫流化床干燥機(jī)”。由于低溫流化床干燥機(jī)工作過(guò)程完全沒(méi)有明火，使得干燥系統(tǒng)具有極高的安全性，完全不會(huì)發(fā)生粉塵爆炸事故。

干燥機(jī)還考慮有雜物排棄功能。由于煤溪電站的燃料褐煤沒(méi)有經(jīng)過(guò)洗選加工，煤中含有一定量的雜物，主要是高灰的礦物質(zhì)和少量其他雜物。雜物排棄后再經(jīng)過(guò)后續(xù)的風(fēng)力分選機(jī)進(jìn)行二次分選，分選出的煤返回系統(tǒng)，分選出的雜物最終排棄。

低溫流化床干燥機(jī)由于工作溫度低，濕煤干燥時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生熱解問(wèn)題。因此，干燥機(jī)排出尾氣成分中甲烷、一氧化碳、硫化物等可燃、有害揮發(fā)成分很少，大部分是水蒸氣，工作環(huán)境十分安全。干燥機(jī)排出的高濕度尾氣經(jīng)過(guò)布袋除塵器進(jìn)行深度凈化收塵處理后排入空氣中。低溫流化床干燥機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。

圖1 低溫流化床干燥機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理

煤溪電站低溫流化床干燥機(jī)供貨方給出的干燥機(jī)主要結(jié)構(gòu)特征和工作參數(shù)是：干燥機(jī)寬度12 ft（約 3.65 m）， 長(zhǎng)度 31.25 ft（約 9.50 m）， 還有1個(gè)長(zhǎng)4 ft（約1.22 m）的冷卻段。煤在流化床干燥機(jī)里的干燥時(shí)間約20 min，干燥機(jī)的工作溫度90～150℃。單臺(tái)干燥機(jī)處理能力112.5 t／h，入料濕煤的粒度不大于6.5 mm，入料濕煤水分38%，出料干煤水分29%，平均降低水分9%，單臺(tái)干燥機(jī)蒸發(fā)水量 30000 lb／h（約 13.6 t／h）。

美國(guó)北達(dá)科他州煤溪電站的低溫流化床干燥系統(tǒng)熱源取自發(fā)電站生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和鍋爐尾煙氣系統(tǒng)廢棄的余熱，自身不設(shè)置單獨(dú)的燃料熱源。干燥過(guò)程需要的熱空氣是通過(guò)冷空氣與電站冷卻循環(huán)水、鍋爐尾煙氣的余熱交換獲取的。干燥過(guò)程需要的熱水本身就是發(fā)電站燃煤鍋爐的冷卻循環(huán)水，再經(jīng)過(guò)與鍋爐的高溫尾煙氣進(jìn)行熱交換增溫。

筆者根據(jù)大河能源公司煤溪電站業(yè)主方介紹的干燥系統(tǒng)概況，整理出了低溫流化床煤炭干燥系統(tǒng)利用的余熱熱源狀況以及干燥系統(tǒng)的煤流、風(fēng)流、水流的工藝流程如圖2所示。

圖2 低溫流化床煤炭干燥系統(tǒng)工藝流程示意

2 低溫流化床干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行效果

美國(guó)煤溪燃煤電站裝備有2臺(tái)600 MW自然循環(huán)冷卻發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200 MW。原設(shè)計(jì)燃料煤系統(tǒng)為：燃料煤總給料量900 t／h、燃料煤設(shè)計(jì)發(fā)熱量為 15.81 MJ／kg（6800 Btu／lb）。燃料煤的儲(chǔ)存、破碎、運(yùn)輸按2個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)各自設(shè)置。發(fā)電站投入運(yùn)行后，實(shí)際的燃料煤水分 38%、 發(fā)熱量 14.41 MJ／kg（6200 Btu／lb），大大低于設(shè)計(jì)值。為此，增設(shè)了低溫流化床褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)。干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)特征如下：

干燥機(jī)類型：低溫流化床干燥機(jī)；

原料煤來(lái)源：電站的燃料褐煤；

原料煤粒度：不大于6.5 mm；

濕煤處理量： 900 t／h；

單機(jī)處理量： 112.5 t／h；

干燥機(jī)數(shù)量：雙系統(tǒng)共8套，每個(gè)系統(tǒng)4套；

降低水分值：8%～10%；

干燥熱介質(zhì)：熱空氣、熱水；

干燥機(jī)熱源：發(fā)電站的鍋爐循環(huán)冷卻水、煙氣余熱；

熱交換形式：直接干燥和間接干燥相結(jié)合；

安全性特點(diǎn)：整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有明火，所以沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)性。

筆者在大河能源煤溪電站的低溫流化床干燥車間現(xiàn)場(chǎng)了解到，干燥機(jī)當(dāng)時(shí)的工作參數(shù)是：干燥機(jī)進(jìn)水溫度247℉（119℃），出水溫度224℉（107℃）?？諝獾倪M(jìn)氣溫度270℉（132℃），排氣溫度126℉（52℃）。

大河能源公司方面介紹，煤溪電站低溫流化床干燥系統(tǒng)對(duì)燃料褐煤的干燥效果是：水分從38%降低到 29%。燃料熱值從 6100 Btu／lb（14.18 MJ／kg）提高到 6800 Btu／lb（15.81 MJ／kg），發(fā)熱量增加1.63 MJ／kg，發(fā)熱量提升幅度10.3%。

低溫流化床煤炭干燥系統(tǒng)投產(chǎn)后，干燥系統(tǒng)的處理能力完全達(dá)到了設(shè)計(jì)值，電站燃料煤全部進(jìn)行了預(yù)干燥，水分大幅度降低，發(fā)熱量得到了提高。同時(shí)，由于硫化物、重金屬汞等有害成分主要分布在礦物質(zhì)之中，而礦物質(zhì)在流化床干燥機(jī)內(nèi)與煤實(shí)現(xiàn)了預(yù)先分離，更加提高了電站鍋爐尾煙氣除塵系統(tǒng)的收集效率，使得發(fā)電站在環(huán)保排放方面也取得了非常好的效果。燃料煤干燥前后的煤質(zhì)指標(biāo)以及燃燒后的煙氣排放量的變化如下：

電站的硫化物SO2排放減少了54%，重金屬Hg排放減少了40%，NOx排放減少了32%。由于燃料煤熱值提高，減少了煙氣的體積釋放率，CO2排放減少了4%，電廠的整體工作效率也提高了4%。

本項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，煤溪燃煤電站從投產(chǎn)至今已經(jīng)成功運(yùn)行了8 a多，效果非常好，技術(shù)十分成熟。通過(guò)調(diào)節(jié)熱力參數(shù)，還可以提高干燥機(jī)降水幅度。由于低溫流化床干燥系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，不用單獨(dú)設(shè)置干燥熱源，所以運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于目前絕大多數(shù)的低階煤干燥技術(shù)工藝。

低溫流化床干燥機(jī)的熱介質(zhì)為熱水和熱空氣，工作溫度雖然很低，但熱交換效率卻非常高，形成 “低溫高效”的特點(diǎn)，并且干燥系統(tǒng)完全沒(méi)有明火，絕無(wú)爆炸的危險(xiǎn)性。整個(gè)干燥過(guò)程幾乎為純粹的物理過(guò)程，煤在干燥過(guò)程中幾乎不發(fā)生熱解，不產(chǎn)生煤氣和焦油，因此干燥系統(tǒng)尾氣處理也十分簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)布袋除塵器處理就可達(dá)到美國(guó)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

由此可以看出，低溫流化床干燥工藝是一項(xiàng)非常有前途的煤炭干燥技術(shù)，是滿足21世紀(jì)環(huán)保要求的技術(shù)。

3 討 論

美國(guó)大河能源公司煤溪電站低溫流化床褐煤預(yù)干燥項(xiàng)目（Dryfing）于2009年12月完成生產(chǎn)調(diào)試，2010年1—3月進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)測(cè)試，隨后進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。工程由于采用了電站余熱干燥技術(shù)，被 《能源工程》評(píng)選為2010年度最佳火電項(xiàng)目。

綜合前述介紹可以得出以下幾個(gè)觀點(diǎn)：

（1）低溫流化床干燥機(jī)的工作溫度很低，溫度范圍90～150℃，而低階煤的燃點(diǎn)最低也在270℃以上，因此干燥機(jī)的工作溫度遠(yuǎn)低于低階煤的燃點(diǎn)。低溫流化床的干燥過(guò)程是空氣直接干燥和熱水間接干燥相結(jié)合的 “雙效”模式。低溫流化床的工作原理非常先進(jìn)，它把 “雙效”工作模式、濕煤顆粒的 “流態(tài)化”和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間等3種高效干燥技術(shù)巧妙地結(jié)合在一起，達(dá)到了“低溫高效”的效果。雖然干燥過(guò)程的工作溫度很低，但是干燥效率卻非常高，熱交換十分充分，降水幅度也比較大。一般狀況下降水幅度可達(dá)8%～10%，最多可降水15%。

（2）作為干燥過(guò)程熱介質(zhì)的空氣，通過(guò)與電廠冷卻水、煙氣間接換熱來(lái)提高溫度，完全沒(méi)有明火，并且溫度很低，而熱水則間接參與干燥過(guò)程。因此，整個(gè)干燥過(guò)程十分安全，沒(méi)有安全隱患，特別適合低變質(zhì)程度、低燃點(diǎn)的低階煤干燥。對(duì)于不接受以燃煤熱煙氣作為干燥熱源的企業(yè)來(lái)說(shuō)，低溫流化床煤炭干燥技術(shù)是一項(xiàng)比較好的選擇。

（3）低溫流化床煤炭干燥工藝非常適合與燃煤電廠配套同步建設(shè)，或者通過(guò)技改補(bǔ)套作為火電廠燃料煤的預(yù)干燥系統(tǒng)，可大大降低火電廠燃料煤的消耗。尤其是我國(guó)新建的火力發(fā)電廠大多采用了風(fēng)力冷卻方式，冷卻排風(fēng)均帶有一定溫度，直接放空浪費(fèi)了大量余熱。另外，我國(guó)火電廠的高溫尾煙氣脫硫處理大多采用石灰石—石膏法、雙堿法等濕法工藝，也白白浪費(fèi)了高溫尾煙氣所含有的大量余熱。如果發(fā)電廠能夠?qū)⑦@兩部分余熱充分利用，并采用低溫流化床煤炭干燥技術(shù)來(lái)降低電廠燃料煤的水分、提高燃料煤發(fā)熱量，對(duì)目前煤價(jià)高企、電廠利潤(rùn)下滑的大量燃煤電廠來(lái)說(shuō)，不失為是一種提質(zhì)增效、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

4 建 議

對(duì)于低溫流化床干燥工藝未來(lái)可能的應(yīng)用途徑，筆者提出以下建議：

（1）低溫流化床干燥工藝的低溫、雙效、流態(tài)化、干燥時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，使之非常適合工業(yè)廢棄余熱的利用。我國(guó)很多行業(yè)都應(yīng)用了大量的工業(yè)鍋爐、窯爐、高爐等，每年排放大量的煙氣、蒸汽、熱空氣、熱水等都帶有大量的余熱可以利用。對(duì)于需要降低水分、適合流態(tài)化干燥的工業(yè)原料來(lái)說(shuō)，都可以考慮低溫流化床干燥工藝。

（2）我國(guó)的煤炭主產(chǎn)區(qū)大部分在北方，這些地方的煤礦、選煤廠都配套有燃煤鍋爐房，也有大量的余熱可以利用。近些年來(lái)，北方地區(qū)的很多選煤廠為了解決煤泥的出路問(wèn)題，建設(shè)了大量的煤泥干燥系統(tǒng)，這些煤泥干燥系統(tǒng)也要排放大量溫度90～110℃的熱煙氣，同樣有大量余熱可以利用。如果利用這些余熱對(duì)選煤廠的最終產(chǎn)品煤進(jìn)行干燥，能夠降低水分2%～4%，提高發(fā)熱量0.42～0.84 MJ／kg，對(duì)于提高產(chǎn)品煤的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也是非常有意義的。

（3）低溫流化床干燥機(jī)（熱空氣＋熱水）的“雙效”模式也可以擴(kuò)展為其他模式的搭配，既可以是 “熱空氣＋熱水”的組合，也可以是 “熱空氣＋蒸汽”組合、“熱空氣＋熱煙氣”組合等多種模式。當(dāng)然，在沒(méi)有廢棄余熱可利用的狀況下，如果干燥原料對(duì)干燥溫度、干燥過(guò)程明火等安全因素非常敏感，也可以考慮單獨(dú)設(shè)置熱源，此時(shí)利用的則是低溫流化床干燥機(jī)的安全、高效特點(diǎn)。

總之，美國(guó)低溫流化床煤炭干燥技術(shù)對(duì)我國(guó)許多燃用褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤等高水分、低發(fā)熱量的火力發(fā)電廠在提質(zhì)增效、節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面有非常高的參考價(jià)值。給煤礦、選煤廠的余熱開發(fā)利用提供了一種新的思路，對(duì)很多其他行業(yè)的廢棄余熱再利用也非常值得研究、借鑒和推廣。