褐煤

褐煤,又稱柴煤,是一種煤化程度最低的礦產煤,介於泥炭和瀝青煤之間,含碳量達60%~77%,此外還含有較多的雜質和揮發物質,含水量較高,易碎,遇空氣易風化碎裂,燃燒時會對空氣產生污染。褐煤主要用作發電廠的燃料,也可作化工原料、吸附劑、催化劑載體凈化污水和回收金屬等。

褐煤主要在第三紀和中生代岩層中形成,偶爾也見於淺層泥炭中。褐煤的世界主要產地有墨西哥灣沿岸、太平洋沿岸的美國華盛頓州、俄勒岡州和加利福尼亞州等;褐煤的中國主要產地為內蒙古東部和雲南東部,也有少量產自東北和華南地區。

褐煤

物理性質

由於它富含揮發份,所以易於燃燒並冒煙。剖面上可以清楚地看出原來木質的痕迹(由裸子植物形成)。含有可溶於鹼液內的腐殖酸。含碳量60%~77%,密度約為1.1-1.2g/cm,揮發成分大於40%。無膠質層厚度。恆濕無灰基高位發熱量約為23.0-27.2兆焦/公斤(5500-6500千卡/公斤)。多呈褐色或褐黑色,相對密度1.2~1.45g/cm。

褐煤水分大(15-60%),揮發成分高(>40%),含遊離腐植酸。空氣中易風化碎裂,燃點低(270°左右)。儲存超過兩個月就易發火自燃,堆放高度不應超過兩米,決定了褐煤不適宜運輸。因此褐煤的市場也受到局限。

褐煤

各國產量

各國產量(單位:百萬噸)

主要用於發電廠的燃料,也可作化工原料、催化劑載體、吸附劑、凈化污水和回收金屬等。

褐煤

通常有兩種:

(1)土狀褐煤(brown coal),質地疏鬆而較軟;

(2)暗色褐煤(lignite),質地緻密而較硬。可直接用作家庭燃料、工業熱源燃料及發電的燃料,也可用作氣化、低溫乾餾等的原料。

在世界上的某些地方,把褐煤用作熱源燃料和化學製品及氣體與液體燃料的原料。在美國,最先在大平原北部(北達科他州、蒙大拿州東部、懷俄明州東北部和南達科他州的西北部)和墨西哥灣沿岸地區(亞拉巴馬州、阿肯色州、堪薩斯州、路易斯安那州、俄克拉荷馬州和得克薩斯州)以及太平洋沿岸諸州(加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州)發現了褐煤。

中國褐煤量只有2118億噸,與世界褐煤資源量(26229億噸)約佔世界煤炭資源總量(107539億噸)的24.4%相比,比例也很低,約佔全國煤炭總資源量的13%,主要分佈在內蒙古東部和雲南東部,東北和華南也有少量。

褐煤的燃燒值低,在3000大卡或以下。國內外最新的發展技術是褐煤乾燥,能夠將其燃燒值提高到4800 甚至6000大卡。

乾燥方法

以空氣為乾燥介質的褐煤烘乾機在引風機的作用下與熱源行成對流加熱方式,使褐煤與高濕負壓進入烘乾機內進行傳質、傳熱交換。濕褐煤以攪動分散粉碎褐煤的運行方式緩緩振動向前移動並排出烘乾滾筒,完成乾燥褐煤過程。乾燥后的褐煤主要用於發電廠的燃料,也可作化工原料、催化劑載體、吸附劑、凈化污水和回收金屬等。

褐煤

褐煤脫水工藝通常可以分為蒸發乾燥和非蒸發脫水兩類。褐煤乾燥技術具體分為以下六類:

(1)轉筒乾燥技術——轉筒乾燥的核心是一個略帶傾斜並能迴轉的圓筒體,筒體的傾斜度可以調節,範圍一般為2o~10o;按照濕物料和熱載體的接觸方式,工業中開發利用的褐煤轉筒乾燥裝置主要有直接加熱轉筒乾燥器、迴轉管式乾燥器和蒸汽管間接加熱轉筒乾燥器。

(2)帶式乾燥技術——褐煤由進料端經加料裝置被均勻分佈到輸送帶上,輸送帶通常用穿孔的不鏽鋼薄板製成,由電機經變速箱帶動,可以調速,最常用的乾燥介質是熱空氣或熱煙氣。

(3)氣流乾燥技術——氣流乾燥也稱為「瞬間乾燥」,是流態化稀相輸送在乾燥方面的應用;按照乾燥介質和操作溫度的不同,氣流乾燥可分為直管式和床混式兩種。

(4)流化床乾燥技術——工業上開發應用的褐煤流化床乾燥設備主要是以過熱蒸汽或空氣作為流化介質(或乾燥介質),並且流化床內部帶有換熱器;褐煤流化床乾燥技術主要包括過熱蒸汽流化床乾燥技術和蒸汽-空氣聯合乾燥技術。

(5)振動乾燥技術——振動乾燥是利用機械振動實現固體顆粒在乾燥器中流動,並同時在乾燥介質(如熱煙氣等)的作用下實現乾燥過程。褐煤振動乾燥設備主要有振動混流乾燥器和振動流化床乾燥器。轉筒乾燥技術中的迴轉管幹燥技術是工業中應用最為成熟的褐煤脫水乾燥技術。

(6)K-燃料技術——最為一項非蒸髮式乾燥技術,該項技術利用原煤與蒸汽在提質裝置中直接接觸,通過調節時間、溫度和壓力三個要素,將原煤中的水分以液態水的方式脫除,在「擠」出煤中水分的同時,改變煤的孔隙結構及親水性能,提升低階煤的品質。在美國懷俄明州建設有年處理75萬噸的提質工廠。

熱解

煤的熱解是指將煤在惰性氣氛下持續加熱至較高溫度時發生的一系列物理變化和化學反應的複雜過程,亦稱為熱分解或乾餾。煤熱解是煤加工轉化,如燃燒,氣化,液化等工藝中極為重要的中間過程。與其他煤轉化方法比,煤的熱解僅是一個熱加工過程,常壓操作,不用加氫,不用氧氣,即可實現煤的部分氣化和液化,製得煤氣和焦汕。與氣化或液化工藝過程相比,煤熱解工藝簡單,加工條件溫和,投資少,生產成本低。

煤大分子中富碳少氫,熱解過程把煤中的氫富集到焦氣和煤氣中,同時得到富碳的半焦。

宏觀變化

煤料在隔絕空氣的條件下受熱時,隨著加熱溫度的逐漸升高,水分首先從煤中析出;當溫度達到350~400℃時,原來分散的煤粒(煉焦煤)開始形成膠質體,數量逐漸增多,後來又隨溫度的升高逐漸固化成半焦;在半焦階段仍有大量氣體析出,以後半焦逐漸收縮,出現裂紋和碎裂,直到1000℃左右時成為焦炭。在高溫熱解的過程中,煤由分散的煤粒變成塊狀的焦炭,其內部結構發生了很大變化,即煤在高溫熱解時,主要是經過兩個過程;一是300~500℃之間的粘結過程;二是500℃以後半焦收縮、出現裂紋和破裂的成焦過程。

產物及用途

褐煤熱解后,所得產物為半焦、煤焦油及煤氣。其用途如下:

半焦

半焦是褐煤熱解提質的主要產品,半焦熱值高於原褐煤(一般高50%-80%)。其主要用在:

a.半焦制活性炭

熱解半焦揮發分低,雜原子少,微觀結構緻密,可用作生產低灰高強度活性炭的原料。

以褐煤為原料採用多段迴轉爐生產的半焦制活性炭。表明褐煤半焦能通過活化製取性能較好的活性炭。

b.半焦作鐵合金還原劑

硅鐵、錳鐵、鉻鐵等合金的冶鍊需要還原焦。以冶鍊硅鐵為例,煉製每噸硅鐵需0.8~1t還原焦。質量高的還原焦要求有害雜質少、固定碳含量高、反應性大、比電阻大。灰成分中SiO2和Fe2O3是冶鍊的有用成分,Al2O3和P(磷)是有害雜質,AlO影響鐵合金質量、增加電耗。鐵合金生產是高能耗產業,由於褐煤半焦比電阻高,反應活性好,在鐵合金生產上可以降低電耗,提高產品質量,實際生產數據表明使用半焦作還原劑,生產1t硅鐵可降低電500kW·h,硅鐵產量提高1.5%,多段迴轉爐熱解半焦具有低灰,低鋁、反應性高,比電阻大的特點,是優質的硅鐵用焦。

c.半焦作高爐噴吹燃料

高爐噴吹煤粉可代替部分冶金焦,並有利於煉鐵操作控制,提高生產效率。目前使用的噴吹料以無煙煤為主,曾有人對半焦作為噴吹料進行研究指出:低變質程度的煤經熱解加工后獲得的半焦在化學反應、機械破碎、燃燒性能等方面優於無煙煤。無煙煤的揮發分大多在5%~10%,與半焦揮發分(750℃熱解)相近,而半焦的著火點(300~400℃)一般低於無煙煤(470~560℃),且燃燒性能好。以往的研究表明,半焦可磨性係數均大於60,比一般無煙煤(30~50)更易磨碎。半焦在較低溫度下很少有揮發物析出,無爆炸性,適宜制粉200目佔30%~40%)、儲存和運輸。

d.半焦作電石用焦

電石生產也是高耗能行業,它要求焦炭反應性好,比電阻高。生產實踐表明,半焦比冶金焦碎塊更適合作電石用焦,不僅能提高電石產品質量,同時還能降低電耗和降低電極糊耗量。

e.作氣化原料半焦的反應性大,呈塊狀時熱穩定性好,制粉時可磨性好,可用作固定床或流化床,氣流床氣化原料,得到用戶所需組成的合成氣。

f.作吸油劑

半焦的吸油速度快,吸油量大,可用於處理海洋浮油污染

g.作脫硝劑載體

半焦孔隙發達,作脫硝劑載體時具有較大的反應比表面積,脫硝效果好,並且脫硝后易於進行燃燒處理。

h.作無煙燃料

焦揮發分低,燃燒性能好,可直接供鐵礦粉燒結、鍋爐、水泥窯、陶瓷窯等用,也可作民用和成型燃料生產。

i.作煉焦瘦化劑

半焦含碳量高,微觀結構強度大,煉焦時呈惰性,作瘦化劑能擴大煉焦煤資源、降低焦炭灰分、提高焦炭塊度和強度。

煤焦油及煤氣

作為煉焦過程中的一個重要化產回收產品,煤焦油是一個組分上萬種的複雜混合物,目前已從中分離並認定的單種化合物約500餘種,約佔煤焦油總量的55%,其中包括苯、二甲苯、萘等174種中性組分;酚、甲酚等63種酸性組分和113種鹼性組分。煤焦油中的很多化合物是塑料、合成纖維、合成橡膠、農藥、醫藥、耐高溫材料及國防工業的貴重原料,也有一部分多環芳烴化合物是石油化工所不能生產和替代的。煤焦油主要用來加工生產輕油、酚油、萘油及改質瀝青等,再經深加工后製取苯、酚、萘、蒽等多種化工原料,產品數量眾多、用途十分廣泛。而固體熱載體法快速熱解煤氣為中熱值煤氣,可用作城市煤氣、工業燃料,也可以用作化工原料。