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李胜1李胜（1971-），男，山东济南人，毕业于山东大学，归国博士，应用研究员，重要从事洁净煤技术的研究。
，蒋斌1，史勇春1，董文学2，徐坚2，张弘2，杨军3，陈福祥3
1、山东天力干燥设备股份有限公司、山东省科学院工业节能中心，山东济南 250103;
2、中电投上海电力股份有限公司，上海 202310；
3、华能九台电厂，吉林长春 130501
摘要：本文总结了国内外褐煤预干燥技术的发展现状，针对传统热力干燥在褐煤电厂应用中存在的高能耗、高投资和低安全性的实际问题,开展了褐煤过热蒸汽干燥的机理实验研究和中试实验研究，结果表白：过热蒸汽的干燥效果优于常规热空气的干燥效果；中试实验系统能稳定、连续地对褐煤进行干燥，且干燥产品符合褐煤干燥实际工业应用的规定。提出了一种由山东省科学院开发的过热蒸汽预干燥低质煤提质（SCU）洁净煤技术，对其在节能、安全等方面的技术先进性作了具体的对比分析，结果表白该技术能耗低、安全且节能效果好。开发褐煤过热蒸汽干燥成套工艺，能促进能源和电力行业的发展，具有广阔的应用前景。
关键词：褐煤；过热蒸汽干燥；洁净煤技术；安全；节能
1、中国的褐煤应用及干燥提质技术现状
褐煤是一种高挥发分、高水分、高灰分、低热值（14MJ/kg左右）、低灰熔点、污染重且运用率相对较低的资源。目前，我国烟煤、无烟煤等优质煤资源已被充足运用，拓展空间有限，而对褐煤的大规模开发运用刚刚开始。我国褐煤资源相对比较丰富，己探明的储量达1303亿吨，占全国煤炭储量的13%，开采成本低，其中内蒙古占全国褐煤总储量的77%。我国的褐煤普遍存在湿度大（30%—50%）而导致的燃点低和二氧化碳排放量大的缺陷，直接燃烧未提质的褐煤原煤，会产生严重的环境污染问题（二氧化碳排放量比普通烟煤高15%左右），增长电厂和煤化工项目的建设和运营的成本；同时，较高的含水量导致褐煤运送费用增长，限制了内蒙地区丰富的褐煤资源外运至南方沿海城市运用的空间。
提质工艺是指通过合理的干燥过程，减少褐煤的含水量，提高褐煤能量密度的技术。
目前，国内褐煤干燥的工业应用还没有大规模展开。国内准工业规模褐煤预脱水装置分为：燃煤烟气直接接触：链板式，移动床式，转筒干燥和蒸汽间接干燥：过热蒸汽内加热流化床, (过热)蒸汽回转圆筒两种。
国内褐煤电厂多采用高温烟气通过磨煤机达成干燥煤粉的目的。但高温烟气与煤粉直接接触存在安全隐患、导致炉膛温度和锅炉效率减少，并且褐煤水分过高导致调节复杂，动力消耗和维护费用高。
国内褐煤煤矿公司进行预干燥的提质工艺大都采用燃煤烟气直接接触的转筒式干燥
气流干燥机和链板式干燥机等，单机解决量小、占地面积大、投资高，污染大，不符合我国节能减排的规定。
国外在褐煤预干燥领域，最成熟、先进的提质工艺是过热蒸汽流化床技术，德国RWE公司采用先进的过热蒸汽工艺，已经在德国建成3套装置，最大脱水能力达成110T/h。德国ZEMAG公司的间接接触回转干燥机也有较多应用实例，但是相比RWE技术，存在单机生产能力小，尾气排放量大，余热无法回收，占地面积大等缺陷。
国外在褐煤提质领域尚有部分待开发技术：美国Encoal, Coaltek, K-fuel，澳大利亚Coldry，神户钢铁，分别运用电厂冷凝水余热、微波、高压蒸汽蒸煮、溶剂油萃取等方式进行提质，但是由于装置投资巨大、运营费用高等缺陷，不能完全适应中国国情。
由山东省科学院工业节能中心和山东天力干燥设备有限公司首创，具有自主知识产权的高床层内加热流化床过热蒸汽褐煤预干燥洁净煤成套工艺技术和装置，是我国洁净煤技术的新突破，通过运用过热水蒸气作为干燥介质的工艺创新，结合尾气余热回收技术，相比其他提质工艺，具有环保、安全、节能80%以上、节水的突出优点，干燥强度高于目前国际最先进的德国RWE公司技术。将这一环境和谐、资源节约型清洁煤技术项目应用于国内褐煤电厂、煤矿和煤化工项目，
通过通过对褐煤预解决工艺进行技术改造升级，可明显减少5%左右的燃料消耗和15%左右的CO2排放，减少配套系统的损耗，提高电厂、煤化工系统的总体效率，并且可以获得CDM资金支持。以占褐煤产量约90%的动力煤做测算，通过燃烧前脱水提质，每年可以减少CO2排放约1500万吨，争取CDM支持近80000 万元，节约标煤4000万吨，将产生巨大的社会经济效益。
二、褐煤过热蒸汽干燥技术研究
对于褐煤运用的洁净煤技术开发始于1999年，通过理论分析、小试和中试研究，2023年山东省科学院下属技术研发单位开发出过热蒸汽流化床干燥工艺，并成功应用于纯碱行业，目前有四套工业示范装置；同年为河南某电厂成功提供高挥发份煤粉干燥系统，采用氮气闭路保护蒸汽回转干燥工艺，该工艺为国内首创，一直稳定运营至今；2023年为中国矿业大学提供气流加内加热流化床干燥系统，用于褐煤干燥，该工艺被国内某集团借鉴参考并进行开发应用。通过近2023不断地研究开发，2023年公司成功推出过热蒸汽洁净煤技术，并于2023年完毕工业验证实验。
按照我国以煤炭为重要能源的战略方针，结合国内大型电厂和煤化工项目对大规模褐煤提质工艺的规定，山东省科学院下属研发单位技术在褐煤干燥提质解决工艺上推出了以过热蒸汽内加热流化床干燥（Super-heated steam Fluid bed low-rank Coal Upgrading简称“SFCU”）为主的洁净煤新技术。
过热蒸汽干燥技术简介：
如流程图所示，过热蒸汽干燥技术是运用褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽为与褐煤接触的流化工质，通过再热器或流化床内置换热器间接提供干燥所需要的能量。系统闭路循环，所有为惰性无氧气氛。干燥所产生的褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽被排出系统后，可以回收所有干燥所共给的热量，蒸汽消耗只有常规间接蒸汽回转干燥机的20%, 热效率大大提高。
过热蒸汽内加热流化床干燥技术作为目前的成熟技术，解决量大、生产工艺成熟、操作安全、稳定可靠、工艺简朴、生产所带来“三废”污染少。完全满足单台年产300万吨提质型煤、670MW发电机组、年解决量600万吨的60万吨甲醇以及300MW IGCC项目褐煤干燥解决的大规模工业化生产规定。
以目前消耗量占褐煤开采量约50%的褐煤电厂为例：
目前我录200MW以上机组)，2023年将扩容l5GW，达成28GW，褐煤发电装机量迅猛发展。以28GW的装机量计，应用山东科学院的褐煤预干燥洁净煤工艺后，发电煤耗减少10-l2g/，上网电价减少8—15元/. 新建褐煤电厂设计规范将会被彻底颠覆，平均每台新建670MW的发电机组的投资减少6亿元，并且将实现CO2减排近600万吨/年. 争取CDM支持近37000 万元/ 年。节煤1848万吨，。
针对中小规模的煤炭公司和以褐煤为原料的煤化工行业推出了以过热蒸汽为核心工艺的过热蒸汽强化循环分级粉碎提质技术（Super-heated steam Pneumatic low-rank Coal Upgrading简称“SPCU”）和过热蒸汽回转圆筒提质技术（Super-heated steam Drum low-rank Coal Upgrading简称“SDCU”）。
过热蒸汽强化循环分级粉碎提质技术为高温快速干燥的脉冲气流干燥方式，可实现褐煤的快速脱水、粉化，干燥效率高，可克制褐煤低温热解。合用于年产100万吨的型煤项目。
过热蒸汽回转圆筒提质技术为低温蒸汽回转干燥方式，对原料的含水量（35-50%）
和粒度（-35mm) 适应性广，通过采用氮气保护工艺，可实现安全的深度脱水（成品褐煤含水量低于2%），合用于年解决量50万吨的煤化工项目和150MW的发电机组褐煤预干燥工程。
三、先进的过热蒸汽内加热流化床褐煤干燥技术
1、系统概况
褐煤过热蒸汽高床层内加热流化床干煤系统以饱和蒸汽作为热源，用来干燥平均粒径小于3mm的褐煤. 针对用户为燃烧褐煤的电厂和具有蒸汽热源条件的煤矿。
热源饱和蒸汽由电厂汽轮机的抽气系统得到。饱和蒸汽送入干燥床中特殊设计的内加热管，实现与高水分褐煤的热互换后，形成冷凝水，由疏水阀排出干燥系统，引回锅炉系统。
高水分褐煤通过进料阀及褐煤进料机送入干燥床. 在过热蒸汽环境下，在流态化状态与内置的多层换热管实现与管内饱和蒸汽的传热过程. 达成脱除水分的目的后，由干燥床下部排料阀排出干燥系统，进入电厂磨煤系统，也可以接挤压成型工艺，加工型煤外运。
由褐煤中脱出的水分形成过热蒸汽，排出干燥机后，进入二级除尘系统除尘合格后，通过循环风机将一部分过热蒸汽送回干燥床参与干燥循环，其余过热蒸汽引出干燥系统，进入电厂余热回收系统再运用。
2、工艺流程
3、技术特点
1、安全：过热蒸汽系统内部为无氧环境，并且属于低温干燥，无热解过程，干燥过程安全可靠。无着火和爆炸危险，特别对于易燃易爆物料，优势明显。
2、节能：系统能耗明显减少，和其它干燥技术相比，可通过回收循环系统中抽出的蒸汽热量，节能50-70%。通过蒸汽余热所有重新运用，综合耗能仅为1t水/。
3、环保：和热风干燥相比，干燥过程中不产生的有害易燃气体，灰尘通过回收冷凝的方式去除，无污染尾气排放。
4、干燥速度高：相比自然空气，具有较高的比热容，随着温度的升高，干燥速率优势明显。
5、节水：蒸发出的水分所有回收运用，大大节约水资源。
6、减排：，燃料消耗减少3-5%. -2%，%，-，即减少5-15%，可获得CDM支持。
经济：过热蒸汽内加热流化床干燥高床层内加热流化床干燥洁净煤技术已获专利授权，此工艺产能比RWE技术高2-3倍，投资节省60%。并且，可以减少磨煤系统的消耗和磨损，能极好得实现与现有电厂锅炉系统的无缝连接。
过热蒸汽干燥出来的褐煤有助于后期的挤压成型：系统干燥之后的褐煤温度高于100℃、粒度小、煤粉在加入对辊挤压的过程中继续释放水蒸汽，使得煤粉进入挤压机时，被90---100%的水蒸汽包围。水蒸汽阻止了周边空气对煤的氧化。挤压时，煤中水蒸汽在高压下冷凝液化，使气压减小，减少了型煤中气孔的形成，也防止了煤粉挤压时发生的爆炸，型煤产品强度高。
4、过热蒸汽内加热流化床干燥关键设备介绍：
内加热流化床干燥装置：
内加热流化床干燥机是在常规流化床干燥机和间接加热式干燥基础上发展起来的一种新型干燥技术，它将管式或板式换热器沉浸在流态化干燥物料中，内置换热器中通有热 (冷 ）介质，物料脱水（冷却），需要的热量重要由内置换热器提供，从而以较小的风量满足物料流化的规定。流化介质重要携带水分、维持床层颗粒正常流态化的作用。其干燥（冷却 )过程重要是内置换热器与两相流的传热及两相流之间的传热和传质过程。
内加热流化床技术是天力公司拳头产品. 在这方面获专利22项，完毕科研课题9项，完毕工程业绩近百套，在国际上初次运用场协同理论开发出干燥理论模型并进行工业化验证和工程校对。内加热流化床技术获山东省科技进步一等奖和中国石油和化学工业协会科技进步一等奖。天力公司已经完全掌握了内加热流化床的设计和放大规律，是中国内加热流化床干燥设备标准的制定单位。
5、相关专利
过热蒸汽褐煤预干燥装置， 专利号： /
多效过热蒸汽褐煤预干燥系统， 专利号： /
6、典型工程
2023年技术研发单位已经在山东海化20万吨/年碳酸氢钠煅烧项目上成功应用了过热蒸汽内加热流化床干燥技术，目前已推广4套，所有关键设备型号尺寸和工艺同年产100万吨提质褐煤工艺完全相同，通过5年的运营考核，关键设备和工艺成熟、可靠。
2023年，技术研发单位完毕工业规模褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥的验证实验，通过对内加热流化床在纯碱、碳酸氢钠、精制盐、PVC和褐煤干燥应用的对比分析，优化拟定了褐煤工艺和设备参数。目前天力公司已经生产两台国内外单体最大的内加热流化床：流化面积67m2 ，换热面积2500m2，单体重200吨，换热器可设立多达3层，设备整体高度20米以上，换热器使用温度300度以上，可以满足单台年产300万吨提质褐煤的规定。
2023年开始同上海电力和华能九台电厂合作启动褐煤年产100万吨型煤项目以及670MW电厂机组褐煤预干燥技术改造项目。
四、过热蒸汽内加热流化床褐煤干燥技术同其他干燥技术的技术经济对比
对比表如下：
干燥工艺
干燥热源
能耗/吨产品
运营成本/吨产品
数量
投资
万元
安全性
环保节能
备注
SFCU过热蒸汽流化床（天力）
饱和蒸汽
；
1台
3480
褐煤接触环境为过热蒸汽，安全
过热蒸汽可以完全回收运用，节能节水
无尾气排放、占地面积小
SFCU过热蒸汽流化床（RWE）
饱和蒸汽
；
1台
9000
褐煤接触环境为过热蒸汽，安全
过热蒸汽可以完全回收运用，节能节水
无尾气排放、占地面积小
SDCU过热蒸汽回转干燥
饱和蒸汽
；
2台
4800
褐煤接触环境为过热蒸汽，安全
过热蒸汽可以完全回收运用，节能节水
无尾气排放、占地面积大
管式干燥机
ZEMAG
饱和蒸汽
；
4台
3500
褐煤接触环境为少量热空气，较安全
尾气直接排放，不节能
占地面积大
烟气转筒干燥机
热烟气（350℃）
139kg煤；
2台
5000
褐煤接触环境为热烟气，不安全
尾气直接排放，不节能
占地面积大
注： 上述均以100万吨提质褐煤项目为例
蒸汽按30元/吨计，，褐煤原煤按120元/吨计
通过上述对比分析可以发现：
相对于以热烟气为干燥热源的烟气转筒干燥工艺，以饱和蒸汽为热源的新型干燥方式具有明显的经济和技术优势；
管式干燥机投资相对最低，但具有能耗高，运营成本高，所需设备数量多，占地面积大，且环保节能性差等劣势；