李瑤，徐婕，王奕晨，陳剛，楊小彥，衛(wèi)鵬程，李恒，王瑩燕

（1.深圳陜煤高新技術(shù)研究院有限公司，廣東深圳518107；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安710070；3.國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點實驗室，西安710065；4.陜西長安電力有限公司，西安710065）

0 引言

半焦又稱蘭炭，是以褐煤、長焰煤等低階煤為原料，通過中低溫?zé)峤夤に嚠a(chǎn)生的固體物質(zhì)，與原煤相比具有低灰、低硫、低磷、高熱值的優(yōu)點。目前全國蘭炭產(chǎn)能8 000多萬t，但年產(chǎn)量僅3 000多萬t，其中絕大多數(shù)消耗于鐵合金和電石等傳統(tǒng)行業(yè)。因鐵合金和電石行業(yè)采用固定床生產(chǎn)工藝，所以只能使用半焦塊作為原料，而原煤的機械開采和半焦的生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量無法用于后續(xù)生產(chǎn)的粉末，造成了資源的極大浪費。以粒度＜6 mm 的半焦面為原料制備民用潔凈燃料，是利用半焦粉末的重要途徑之一。同時，以半焦作為民用燃料也對我國大氣污染防治具有重要意義。2016年10月，國家環(huán)保部在《民用煤燃燒污染綜合治理技術(shù)指南》中要求，“煤炭資源豐富、經(jīng)濟條件較好且污染嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用低硫、低揮發(fā)分的優(yōu)質(zhì)半焦等”。然而，國內(nèi)外針對半焦成型的研究集中在其作為冶金焦或制備活性焦方面，用于民用燃料方面的研究較少。市售民用型煤產(chǎn)品普遍存在產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、檢測指標(biāo)不完善、產(chǎn)品市場接受度不高、企業(yè)生產(chǎn)動力不足的問題，因此，本文從原料成分、成型技術(shù)、經(jīng)濟性等3 方面對其進行介紹、分析，以期調(diào)動各方積極性，促進半焦質(zhì)民用型煤的生產(chǎn)及應(yīng)用。

1 原料成分可行性

2017 年發(fā)布的GB 34170—2017《商品煤質(zhì)量民用型煤》［1］對于規(guī)范民用型煤的生產(chǎn)起著重要作用。該標(biāo)準(zhǔn)明確指出，民用型煤的原料為無煙煤、煙煤和其他煤制品，如蘭炭（半焦）等。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，半焦質(zhì)民用型煤的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)中型煤1號或型煤2號的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

通過部分市售半焦產(chǎn)品指標(biāo)［2-3］與標(biāo)準(zhǔn)型煤指標(biāo)的對比（見表1）發(fā)現(xiàn)，盡管半焦品質(zhì)會受到熱解工藝、煤質(zhì)、粒徑等多方面因素的影響，但半焦型煤產(chǎn)品在發(fā)熱量（Q）、全硫、揮發(fā)分等指標(biāo)上均能滿足標(biāo)準(zhǔn)中對民用型煤的要求。

表1 民用型煤與半焦產(chǎn)品指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of product index between civil briquette and semi-coke

標(biāo)準(zhǔn)中還對民用型煤產(chǎn)品中磷、氯、砷、汞、氟的含量做出了限定，但目前半焦型煤產(chǎn)品大多缺少相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)，需進一步統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)，完善檢測數(shù)據(jù)，規(guī)范產(chǎn)品品質(zhì)。

2 成型技術(shù)可行性

半焦型焦的生產(chǎn)工藝一般包括2 類（如圖1 所示）：一類是先成型后熱解，即先將原煤用合適的成型工藝和設(shè)備壓制成型煤，再將型煤干燥、干餾后得到半焦型煤產(chǎn)品；另一類是先熱解后成型，即將干餾得到的一定粒度組成的半焦粉和黏結(jié)劑、水按一定比例混合，再利用合適的成型工藝和設(shè)備壓制出具有一定形狀、尺寸、強度和理化特性的人工“塊煤”，烘干后即可得到半焦型煤產(chǎn)品［4］。

圖1 半焦型焦生產(chǎn)工藝Fig.1 Molded semi-coke production process

第1 種工藝的主要目的在于提高粉煤利用率、節(jié)約煉焦用煤，不黏/弱黏結(jié)性煤采用先成型后熱解的壓制成型工藝，經(jīng)高溫炭化制備后可作為冶金、氣化用焦。國外典型的冷壓型焦工藝有DKS 工藝、HBNPC 工藝，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化典型有晉城煤業(yè)集團半焦型煤廠［5-7］。

DKS 工藝將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～90%的不黏結(jié)性煤和10%～20%的黏結(jié)性煙煤混合，粉碎到粒度＜3 mm 后，加入約10%的黏結(jié)劑（煤焦油和瀝青等），經(jīng)多段串聯(lián)的雙軸混料機攪拌均勻，進入混捏機用蒸汽加熱混捏，然后混合料由底部螺旋抽出機送往對輥成型機壓制成型煤，冷卻后分批裝入焦?fàn)t內(nèi)炭化（10 h）成為型焦。型焦由炭化室側(cè)面（或底部）靠自重排出，經(jīng)熄焦篩分后使用［7］。

晉城煤業(yè)集團半焦型煤廠將晉城無煙煤與煙煤配煤成型后經(jīng)中低溫炭化得到半焦型煤，以作為氣化用煤。該型煤產(chǎn)品冷壓強度＞1 000 N/個；熱強度＞900 N/個；熱穩(wěn)定性＞80%；浸水抗壓強度＞800 N/個；固定碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）＞78%。產(chǎn)品各項指標(biāo)都達(dá)到了型煤質(zhì)量要求，并接近或達(dá)到了晉城煤業(yè)集團塊煤的指標(biāo)。

使用第1種工藝的煤在成型后的炭化過程中與黏結(jié)劑作用機制復(fù)雜，產(chǎn)品品質(zhì)直接受炭化溫度、加熱速率等多方面因素影響，炭化過程中的應(yīng)力差異容易導(dǎo)致型煤開裂和弱化［8］。而與工業(yè)型煤相比，民用型煤要求更低，只需要成型產(chǎn)品有一定的強度，能保證長距離的周轉(zhuǎn)和倉儲；同時要求產(chǎn)品具有一定的熱強度，對發(fā)熱量要求也較低。因此第2 種工藝更適合用于半焦質(zhì)民用型煤的生產(chǎn)，該工藝成型時無需配煤、工藝流程簡單、對黏結(jié)劑的要求也更低。下面主要對半焦末成型制民用燃料的研究情況進行介紹。

通常認(rèn)為，壓制型煤所用的半焦粉粒度在3 mm以下且小于1 mm 的部分占70%～90%是比較適宜的［4］。半焦成型的關(guān)鍵影響因素為黏結(jié)劑和成型設(shè)備。傳統(tǒng)半焦成型設(shè)備為打孔沖壓機，該工藝制備出的型煤灰分較高、熱值較低?，F(xiàn)在常用的成型設(shè)備一般采用產(chǎn)量大、成型效果好的對輥成型機。根據(jù)黏結(jié)劑的化學(xué)性質(zhì)，可分為無機類、有機類以及復(fù)合黏結(jié)劑。

（1）無機類黏結(jié)劑包括水玻璃、黏土、石灰、高嶺土、膨潤土等。這類黏結(jié)劑價格低廉，具有一定黏結(jié)強度，并且一些成分還能和煤中硫起反應(yīng)，起到固硫作用，在復(fù)合黏結(jié)劑中通常是不可缺少的組成部分。但是它會使型煤的發(fā)熱量降低、防潮、防水性能變差，并且會增加灰分。

（2）有機類黏結(jié)劑包括焦油瀝青、聚乙烯醇、酚醛樹脂、玉米淀粉、腐殖酸等。這類黏結(jié)劑一般黏結(jié)性能較好、燃燒后殘余灰分少、本身能部分或全部燃燒、有一定的發(fā)熱量，但多數(shù)有機黏結(jié)劑的熱性能較差。

（3）實際應(yīng)用中多采用復(fù)合型黏結(jié)劑。

專利CN 109666523A中公開了一種基于神府半焦制型煤用黏結(jié)劑及型煤制備方法［9］，該黏結(jié)劑主要是由預(yù)糊化淀粉、改性纖維素和鈉基膨潤土組成。該黏結(jié)劑按一定質(zhì)量比與半焦沫混合攪拌均勻，加水至半焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～22%，經(jīng)成型機在25～30 MPa 的壓力下壓制成型，烘干后得到水平冷壓強度＞1 000 N/個、垂直冷壓強度＞600 N/個的型煤產(chǎn)品。

專利CN 110003967A中公開了一種低燃點耐燒半焦型煤的黏合劑制備方法［10］，在半焦型煤黏合劑制備過程中引入磷系化合物和易降解的高分子碳基混合物。在半焦型煤初始燃燒階段，磷系化合物促進碳基材料炭化，殘?zhí)刻畛洳糠挚紫锻瑫r揮發(fā)出低分子物質(zhì)、降低著火點，從本質(zhì)上解決了半焦型煤點火不易燃及燃燒速率快的問題。

鄧佳佳等［11］以生物質(zhì)作為黏結(jié)劑得到半焦質(zhì)民用型煤，并對該產(chǎn)品的性質(zhì)進行了測試。結(jié)果顯示，型煤冷壓強度高達(dá)800 N/個，落下強度高達(dá)93%，均領(lǐng)先國家標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品在灰分、硫含量、落下強度等指標(biāo)上也滿足型煤標(biāo)準(zhǔn)［1］；由于加入的生物質(zhì)黏結(jié)劑在高溫下會熱解揮發(fā)，產(chǎn)品的揮發(fā)分略微超標(biāo)，后續(xù)可通過改良黏結(jié)劑配方、調(diào)整用量等方式進行優(yōu)化。試燒結(jié)果顯示，無論采用節(jié)能爐具還是普通爐具，產(chǎn)品半焦質(zhì)型煤煙氣在SO2，NOx指標(biāo)上均低于GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中新建燃煤鍋爐、新建燃?xì)忮仩t排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵質(zhì)量濃度滿足新建燃煤鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，接近新建燃?xì)忮仩t排放標(biāo)準(zhǔn)（見表2）。

表2 半焦質(zhì)民用潔凈型煤污染物質(zhì)量濃度與燃煤、天然氣排放標(biāo)準(zhǔn)的對比Tab.2 Comparison of pollutants mass concentration of semi-coke clean coal for civil usage with standards for that of coal and natural gas mg/m3

曲陽［12］以腐殖酸鈉和膨潤土為黏結(jié)劑，研究了長焰煤熱碎半焦的成型-干燥特性，并采用最佳的成型和干燥條件進行50 kg成型中試試驗，獲得的熱碎半焦型煤揮發(fā)分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10.55%，發(fā)熱量為28.97 MJ/kg，硫分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.33%，冷壓強度為459 N/個，灰分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為11.69%。以上各項指標(biāo)均優(yōu)于GB 34170—2017《商品煤質(zhì)量民用型煤》和DB 11/097—2014《低硫煤及制品》，論證了該工藝方法的可行性。

劉宇［13］以腐殖酸鈉和膨潤土為黏結(jié)劑，分別研究了半焦單獨成型和半焦與不黏煤混配成型的產(chǎn)品性質(zhì)。結(jié)果表明，添加8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）黏結(jié)劑、成型壓力為20 MPa時，半焦型煤冷壓強度為494 N/個、落下強度為87%，質(zhì)量指標(biāo)滿足DB 11/097—2014《低硫煤及制品》對民用型煤的地方標(biāo)準(zhǔn)，燃燒性能滿足GB/T 6412—2009《家庭用煤及爐具試驗方法》對家庭用煤的要求。將不黏煤與半焦混配可提高型煤的燃燒速度、改善型煤的燃燒性能。當(dāng)試驗中添加不黏煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤4.7%時，制備的混配型煤符合民用型煤和家庭用煤的要求。從燃燒性能和煙塵排放量考慮，半焦型煤和混配型煤的質(zhì)量接近甚至優(yōu)于市售的無煙煤型，建議進行積極推廣。

苗文華等［4］對成型半焦與半焦、煙煤、無煙煤用于民用燃料方面進行了研究，分析結(jié)果見表3。

表3 半焦型焦與樣品煤種的工業(yè)分析及元素分析Tab.3 Industrial analysis and elemental analysis of semi-coke type coke and sample coal

由表3 可以看出，蘭炭型焦具有揮發(fā)分低（約8.00%）、灰分低（小于15.00%）、硫含量低（小于0.30%）、固定碳高（大于75.00%）、發(fā)熱量高（大于25.10 MJ/kg）、化學(xué)活性高等特點（即三高三低）。

通過蘭炭型焦民用燃煤爐試燒，發(fā)現(xiàn)蘭炭型焦燃燒排放的顆粒污染物PM2.5和總顆粒物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于榆林煙煤，略低于寧夏無煙煤和晉城無煙煤；其點火時間比無煙煤短，具有易燃優(yōu)勢；平均燃燒時長超過無煙煤40%，殘?zhí)柯什蛔銦o煙煤的1/30，有效利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無煙煤。

隨著黏結(jié)劑及成型工藝的不斷發(fā)展，半焦成型產(chǎn)品品質(zhì)得到不斷優(yōu)化，通過試燒試驗可發(fā)現(xiàn)，半焦型煤產(chǎn)品在燃燒性能、污染物排放等方面均有良好表現(xiàn)，具備替代散煤、無煙煤成為民用燃料的可行性。

3 產(chǎn)品經(jīng)濟可行性

3.1 實例分析

3.1.1 外購半焦末生產(chǎn)半焦質(zhì)民用型煤

假設(shè)在陜北神木地區(qū)建立年產(chǎn)10萬t的民用型煤廠（外購半焦末）：原料半焦末成本為500 元/t；加工成本＜244 元/t，包括黏結(jié)劑成本＜70 元/t、水電氣成本＜50 元/t、人員工資為74 元/t（定員90 人，人均工資按照西部地區(qū)2019 年年平均工資計算）、制造費用（折舊、維修及其他）＜50 元/t。噸產(chǎn)品總成本=原料成本+加工成本=500+244 ＝744（元）［14］。

將產(chǎn)品從神木運至京津冀地區(qū)（消費地）按照1 000 km 鐵路里程計算，運輸成本為147 元/t。產(chǎn)品在消費地總成本為891 元/t。

3.1.2 建立以半焦質(zhì)民用型煤為主要產(chǎn)品的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項目

假設(shè)在陜北神木地區(qū)建立60 萬t/a 的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項目。該項目年消耗粉煤66 萬t（含動力用煤），可生產(chǎn)40 萬t 半焦質(zhì)型煤、7.2 萬t 煤焦油、180 t 粗酚。若該項目建設(shè)期2 年，運行期15 年，項目定員150 人，當(dāng)原料煤價為450 元/t，型煤售價為900 元/t，煤焦油售價為3 500 元/t，粗酚售價1 000元/t 時，通過石化行業(yè)技術(shù)經(jīng)濟軟件對項目經(jīng)濟性進行分析（見表4），項目總投資5.56億元，生產(chǎn)期內(nèi)年均銷售收入5.96 億元，年均總成本4.58 億元，凈利潤7 834 萬元/年，稅后財務(wù)內(nèi)部收益率19.51%，投資回收期6.63年，項目盈利能力良好。

表4 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)Tab.4 The main technical and economic indicators

對焦油、半焦和粉煤價格進行敏感性分析（如圖2 所示），可以看出，價格變動對項目經(jīng)濟性影響程度為半焦＞煤粉＞焦油。當(dāng)半焦價格下降20%時，內(nèi)部收益率（Financial Internal Rate of Return，F(xiàn)IRR）接近基準(zhǔn)收益率（12%）。說明該項目對主要原料及產(chǎn)品市場價格波動具有較強的抵御能力。

圖2 原料及主產(chǎn)品價格敏感性分析Fig.2 Price sensitivity analysis of raw materials and main products

3.2 經(jīng)濟性分析

為有效控制民用散燒造成的污染，我國各地政府多采用財政補貼的方式，推進潔凈型煤替代工作。2019 年保定市清苑區(qū)采暖季潔凈型煤的銷售價格為1 250 元/t，其中財政補貼500 元/t，補貼后的售價為750 元/t。2018 年蘭州市采暖季潔凈型煤售價1 280 元/t，政府補貼450 元/t，補貼后零售價不超過830 元/t。

可見在當(dāng)前潔凈型煤價格體系下，無論是外購半焦末還是建立以半焦質(zhì)民用型煤為主要產(chǎn)品的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項目都具有可觀的經(jīng)濟效益。從財政補貼的角度分析，按照蘭炭焦面與動力煤售價差80 元/t、成型成本244 元/t 計算，蘭炭型焦與動力煤出廠價格差為324 元/t，也就是說當(dāng)消費地財政補貼大于324 元/t 時，用戶就會傾向于使用蘭炭型焦類清潔燃料替代散燒煤，因此推動半焦成型技術(shù)用于民用燃料的制備也可大大減少政府財政負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)論

（1）半焦作為低階煤中低溫?zé)峤猱a(chǎn)物，具有高熱值、低污染的燃燒特性。半焦質(zhì)型煤產(chǎn)品的推廣既可以有效降低民用散燒煤直接燃燒對大氣造成的污染，又可以實現(xiàn)我國儲量豐富的低階煤的高附加值利用，值得大力推廣。

（2）隨著成型技術(shù)的發(fā)展，半焦粉成型產(chǎn)品在發(fā)熱量、全硫、揮發(fā)分、強度、燃燒性能、污染物排放等指標(biāo)上均能滿足國家對民用型煤的標(biāo)準(zhǔn)要求。建議生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，進一步加強半焦質(zhì)民用型煤檢測標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性和規(guī)范性，完善產(chǎn)品中磷、氯、砷、汞、氟的檢測數(shù)據(jù)。

（3）相較于半焦塊料，半焦末廉價易得，在當(dāng)前財政補貼標(biāo)準(zhǔn)下，無論是外購半焦粉加工成型還是自建煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化項目生產(chǎn)半焦質(zhì)民用型煤，均能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。