專利名稱：褐煤提質(zhì)爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將高水分低熱值的褐煤提升其品質(zhì)的工業(yè)爐，所產(chǎn)提質(zhì)褐煤以長 途外運為目的。
背景技術：
全世界的褐煤地質(zhì)儲量約為4萬億T，占全球煤炭地質(zhì)儲量的40%弱。據(jù)20世紀 末的統(tǒng)計，我國已有探明褐煤保有儲量1300億T，占全國煤炭總儲量的13%左右。儲量巨 大。且埋藏深度淺，可采煤層厚，大多適宜露天開采，生產(chǎn)安全，開采成本低。但是其熱值低(一般在2700-3600Kcal/kg之間)，水分高(全水分在26-40%之 間)，毛煤松軟，孔隙率大，易碎裂，比表面積大，易風化、氧化，燃點低，發(fā)火期較短，外運困 難。內(nèi)蒙是我國的褐煤主產(chǎn)區(qū)，根據(jù)規(guī)劃，到2020年，內(nèi)蒙的褐煤生產(chǎn)能力將達到8000萬 T/年，霍林河礦區(qū)將成為世界級的特大型褐煤露天礦。由于內(nèi)蒙嚴重缺水，不可能大量發(fā)展 坑口電站，所產(chǎn)褐煤必需外運。唯一的選擇是將低品質(zhì)的褐煤提質(zhì)后外運。研制高效的褐 煤提質(zhì)技術仍當務之急。褐煤中的水有三類，即自由水、內(nèi)在水和結(jié)晶水。當褐煤加熱到100°C以上時，大 部分的自由水能夠被蒸發(fā)。當褐煤在常壓下繼續(xù)加熱到150°C以上時，褐煤結(jié)合水(內(nèi)在 水)開始被脫除，羥基官能團(主要是-C00H)發(fā)生分解，析出CO2氣體，同時將褐煤的結(jié)合 水(內(nèi)在水)排除。進一步提高溫度，將導致越來越多的羥基官能團分解，從而引起褐煤的 表面性質(zhì)改變。結(jié)晶水是和灰份共存的水，要在更高的溫度下才能分解。對于無需遠途外運的提質(zhì)褐煤，例如用于坑口電站的褐煤，僅需脫除自由水。需遠 途外運的提質(zhì)褐煤，必需提高脫水深度，因為只脫除自由水的褐煤容易返潮。在更高的干燥 溫度下，由于大量的羥基官能團分解，導致褐煤內(nèi)部的毛細孔倒坍和產(chǎn)生交聯(lián)。毛細孔倒坍 可以阻止水分進入毛細孔；而交聯(lián)反應則能夠?qū)γ毧走M行密封，阻止倒坍的毛細孔在吸 收水分時再膨脹。另外，當褐煤溫度被加熱到200°C以上時，其表面積會大大減少。表面積 減少的主要原因是由于在高溫干燥條件下引起褐煤內(nèi)部的焦油的強烈遷移，即焦油由毛細 孔內(nèi)部向毛細孔外部遷移。遷移到毛細孔外部的焦油在冷卻過程中，由于焦油冷凝，從而對 毛細孔進行密封，并使褐煤的表面積減少。由于上述過程，即毛細孔倒塌，交聯(lián)和焦油遷移對毛細孔形成密封，結(jié)果褐煤變得 越來越疏水，同時也能夠觀察到褐煤的硬化，這也導致褐煤的剛性結(jié)構的形成。其結(jié)果就是 褐煤能夠從軟煤轉(zhuǎn)換為硬煤，由親水性轉(zhuǎn)換為疏水性，從而可以實現(xiàn)褐煤的長途運輸。褐煤的這種最佳提質(zhì)溫度是褐煤的一種特質(zhì)，有的褐煤可能是250°C，而有的褐煤 可能要高達550°C以上，即達到低溫干餾所需的溫度，這應由實驗確定。因此，本發(fā)明對褐煤 的這種最佳提質(zhì)溫度未加限定。公知的以長途外運為目的褐煤提質(zhì)技術有多種?？梢园阉鼈兎诸惾缦?.加熱汽化
1.1氣體熱載體1. 1. 1滾筒提質(zhì)該技術可以將褐煤水分降至15%左右，脫水率高，熱值提升至4500kcal/kg左右。其原理是將料煤經(jīng)破碎至0_50mm后放入充滿約500°C的高 溫熱風的滾筒。在傾斜轉(zhuǎn)動的滾筒內(nèi)，由滾筒壁上的揚料板使褐煤在干燥筒體內(nèi)行程穩(wěn)定 的形成全斷面料幕，使煙氣與原煤充分交換熱量，交換時間在30分鐘左右，從而使褐煤得 到干燥。1. 1. 2振動混流提質(zhì)將原煤破碎至35_50mm，經(jīng)過熱風干燥機干燥。干燥機為密閉 式箱體，內(nèi)設4-5層“之”字型振動式斜面篩網(wǎng)。熱風爐產(chǎn)生的高溫熱風經(jīng)過與冷風混合至 230°C左右形成的中溫熱風從下而上的穿過干燥箱。煤粒從上而下的經(jīng)過振動篩面，細顆 粒從網(wǎng)眼中漏下，很快完成干燥，粗顆粒則緩慢經(jīng)過篩面滾落而下，可脫去褐煤水分10%左 右，熱值提升至3500kcal/kg左右，單臺設備干燥能力較大，可以達到300萬噸每年，但脫水 率低。1. 1. 3帶式爐提質(zhì)使用熱風干燥，但該技術所使用的熱風溫度可以高達300°C，采 用預熱、干燥和冷卻過程，除了對褐煤進行干燥外，還能改性提質(zhì)一分解了含氧官能團，使 部分氧原子析出，從而使脫水率更高。褐煤放置在網(wǎng)狀耐熱金屬帶上輸送，經(jīng)過風機產(chǎn)生的 強力風穿過網(wǎng)狀輸送帶的網(wǎng)孔和褐煤之間的間隙與熱風進行熱量交換，使褐煤得到干燥和 改性提質(zhì)?？梢詫⒑置核纸抵?0%以下，熱值提高到5000kcal/kg以上。上述幾種提質(zhì)技術的共同缺點是單臺處理量不大；熱效率不高；需要運動機構， 結(jié)構復雜、造價貴、事故率高。1. 1. 4美國MR&E公司褐煤干燥及干餾提質(zhì)(LFC)技術在豎式旋轉(zhuǎn)爐中，用煙氣作 為熱載體，對褐煤進行干燥(煙氣溫度< 300°C )或低溫干餾(煙氣溫度 550°C )。1000 噸/天的商業(yè)化示范工廠，已成功運行了五年之久(1992年 1998年)，同時完成了處理能 力為500萬噸/年(3X165萬噸/年 套)規(guī)模的商業(yè)化工廠的工程設計。據(jù)稱，此技術 是目前同類技術中商業(yè)化程度最為成熟的一種。但仍需要運動機構，結(jié)構復雜、造價貴、事 故率高。1. 1. 5豎井式爐提質(zhì)我國大唐國能煤干燥有限公司在魯奇爐的基礎上經(jīng)過改進的 建成了 1200T/d的商業(yè)化提質(zhì)爐，已成功運行了數(shù)月。豎井式爐是處理塊狀物料的一種重要工業(yè)爐。如高爐、煤氣爐、立式石灰窯、煤和 油母頁巖低溫干餾爐……都有大規(guī)模的工業(yè)應用。對于這類爐子的布料、布氣和傳熱、傳質(zhì) 以及氣體的流動規(guī)律均有深入的研究。對于在熱加工過程中不發(fā)生粘結(jié)的褐煤來說，是首 選的工業(yè)爐。這是由于豎井式爐中氣體熱載體與被加工的塊狀固體直接、逆流換熱，總傳 熱系數(shù)大，熱加工產(chǎn)物(如水蒸汽、煤氣和焦油)隨上升的氣體帶出外排，塊狀固體物料在 爐內(nèi)靠重力自動下移，無需外加機械力，和相應的機構，且處理強度大。但是不可諱言，大唐國能煤干燥有限公司在魯奇爐的基礎上建成的提質(zhì)爐，操作 的穩(wěn)定性尚有待較長時間的運行考驗。而魯奇爐會因粉塵引起的堵塞嚴重影響操作周期的 長短。1. 2固體熱載體大連理工大學的固體熱載體低溫干餾工藝，在上世紀80年代作 過20T/d的工業(yè)性試驗，目前在進行500萬T/年的工業(yè)示范項目的前期階段。尚有一個完 善和成熟過程。
2機械法2. 1熱脫水法該法是將水在液態(tài)下脫除，熱源為過熱蒸汽，工藝過程的溫度約 235°C。為使褐煤中水分不汽化，系統(tǒng)壓力應大于在該溫度下的飽和壓力，約為3MPa左右。 該法的優(yōu)點是在液態(tài)下脫除水，工藝過程中的廢熱蒸汽可分級利用，故能耗低。其缺點是水 分脫除不完全，干煤含水量約為23%。2. 2機械脫水法該法是在約100°C、小于16Mpa壓力下使褐煤脫水。能耗最低，但 對設備要求高，目前尚處于實驗室研究階段，未見工業(yè)應用的報導2. 3熱壓脫水法中國專利200710010607. 8公開了“褐煤干燥提質(zhì)一體化加工方法 及其設備”。將200°C 400°C的高溫煙氣通過管道從高溫煙氣入口接頭送入軋輥中的高溫 氣腔中將軋輥加熱，用于烘干褐煤；再將褐煤從原煤料倉經(jīng)螺旋送料器均勻的送入主進料 器中，開啟壓料器電機，通過壓料器將褐煤壓到加壓裝置中的軋輥之間，經(jīng)20 80噸壓力 擠壓，將褐煤中水分脫除到1-5%以下；經(jīng)高溫擠壓的煤料成為Φ5 IOmm的柱體。我國神寶公司褐煤提質(zhì)工業(yè)試驗性項目，將神寶公司露天礦產(chǎn)褐煤通過兩級破碎 變成3毫米以下的原煤后，再通過烘干擠壓成型為潔凈煤，發(fā)熱量將由原來的3700kcal/kg 提升為5500kcal/kg以上。目前，尚有一個完善和成熟過程。豎井式爐是褐煤提質(zhì)首選工業(yè)爐。但是現(xiàn)有的魯奇爐和在魯奇爐改進的大唐提質(zhì) 爐存在著以下一些難題褐煤從加料口到出焦口行程高在16米以上，而褐煤的強度低，易 粉化，某些褐煤在脫除自由水分時，如干燥速度過快，易發(fā)生熱崩現(xiàn)象。魯奇爐運行經(jīng)驗證 明粉塵引起的堵塞要嚴重影響操作周期的長短，溫度分布不均要嚴重影響爐子的效率。最后，和所有豎井式層狀爐一樣，在魯奇爐基礎上改進的大唐提質(zhì)爐對入爐的爐 料塊徑有嚴格的要求(塊徑一般為25-60mm)，它們不能處理粉料，而粉料的產(chǎn)量可高達 40%。這是這類爐子的又一個嚴重的缺點。包括魯奇爐在內(nèi)的所有豎井式爐，氣體熱載體都是沿整個爐內(nèi)的截面垂直向上流 動，其迎風面很小，限定為爐內(nèi)的截面，氣體熱載體在爐內(nèi)的行程是爐料的整個高度，氣體 熱載體流徑長，故氣體熱載體的流阻很大。由于爐料有一個塊徑范圍，又有集析現(xiàn)象(大唐提質(zhì)爐在干燥段和干餾段間采用 了和魯奇爐一樣的小通道，使集析現(xiàn)象更加嚴重)，因此，在沿爐的截面上，爐料的孔隙率是 不同的，對于方形的魯奇爐而言，孔隙率的大小呈條狀分布，對于圓形的豎井式爐而言，孔 隙率的大小呈同心環(huán)狀分布。眾所周知，孔隙率大的通道阻力小，氣體熱載體的通量大，而 孔隙率小的通道阻力大，氣體熱載體的通量小。其結(jié)果是使爐內(nèi)氣體熱載體流量分布不均， 也使溫度分布不均，影響爐料熱加工的進行。而易粉化的褐煤更加劇這種不均勻性。此外，干燥是褐煤提質(zhì)的一個重要程序，應根據(jù)不同礦區(qū)的褐煤的干燥過程的特 性，來制訂干燥工藝。例如要根據(jù)褐煤的熱崩性來確定干燥速度；要根據(jù)褐煤在多高的干 燥溫度下，就沒有再吸濕性；要根據(jù)褐煤的固態(tài)產(chǎn)品的下游用途對耐磨性、強度、反應活性、 燃點…的要求，來制定熱加工的最終溫度，必要時可提高到550-600°C，以滿足下游用戶的 要求。遺憾的是現(xiàn)有提質(zhì)爐，對這些個性化的要求，并未予關注，也缺乏必要的技術措施。

發(fā)明內(nèi)容
為克服豎井式褐煤提質(zhì)爐的上述缺點，本發(fā)明提供了一種褐煤提質(zhì)爐。它是一種通過氣體熱載體使褐煤提質(zhì)的工業(yè)爐，它是由布料器，豎井式爐體，煤氣燃燒爐(提供熱 源)，循環(huán)風機，氣體混合室，導氣槽，集氣槽，氣體導進、導出管系和卸料機所組成。其特征 在于所述豎井式爐體內(nèi)有多條導氣集道和導氣槽，在所述導氣集道的作用下，爐料面呈多 個W形，在所述導氣槽和其中隔板的作用下，氣體熱載體呈多條、多層Z形流動，在狹窄煤 層中與垂直下降的煤作水平方向的流動，與煤進行熱、質(zhì)交換。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。


圖1是褐煤提質(zhì)爐的結(jié)構示意圖，圖2是圖1的A部放大圖，圖3是圖1的B部放 大圖。圖中1.布料器，2.外排干燥煙氣集道，3.外排干燥煙氣導出支管，4.干燥段導氣 槽，5.干燥段導氣槽隔板，6.干燥段循環(huán)氣集道，7.干燥段循環(huán)氣導出支管，8.干燥段 導氣 槽，9.干燥段導氣槽隔板，10.干燥段干燥煙氣導入支管，11.干餾段干餾產(chǎn)物集道，12.干 餾段干餾產(chǎn)物導出支管，13.干餾段導氣槽，14.干餾段導氣槽隔板，15.干餾段熱載體導入 支管，16.冷卻段煤氣導出支管，17.冷卻段導氣槽，18.冷卻段導氣槽隔板，19冷卻段冷卻 煤氣導入支管，20.卸料機，21.干燥段循環(huán)風機，22.干燥段燃燒和混合器，23干餾段循環(huán) 風機，24干餾段燃燒和混合器，25吹灰風機，26旋風除塵器，I段.煤封段1，II段.預干燥 段，III段.干燥段，IV段.煤封段2，V段.干餾段，VI段.煤封段3，VIII段.冷卻段。
具體實施例方式參見圖1。將篩分的原料褐煤由爐頂加入，經(jīng)布料器1均布，依靠爐底卸焦機不斷 將成品外排和重力作用下，自動向下移動，至I段煤封段1，此段的作用是保證空氣不倒串 入爐內(nèi)可能引起著火或爆炸，為此，應使干燥煙氣在煤層表面為微正壓。II段為預干燥段，這段的頂部有一排外排干燥煙氣集道2，在它們布料下，爐料面 呈多個W狀，外排干燥煙氣經(jīng)外排干燥煙氣導出支管3匯集后外排，所述外排煙氣露點很 高，對某些嚴重缺水的地區(qū)應回收利用。由申請人發(fā)明的“一種從高露點褐煤干燥煙氣回收 水的方法”中國專利2010101519277公開了這種方法。對于某些熱崩性高的褐煤，可將部分 外排高露點煙氣有控制的通過干燥段循環(huán)風機21進行循環(huán)，以調(diào)控干燥段的干燥速度。由干燥段上竄的煙氣經(jīng)干燥段導氣槽4、和百葉窗，在隔板5的作用下，呈多條、多 層Z形多次穿過窄煤層(參見圖2)，與煤進行熱、質(zhì)交換。III段為干燥段，從干燥段燃燒混合器22來的干燥熱載體煙氣從底部導入，溫度 應低于褐煤焦油熱分解溫度，約250°C以下。為降低干燥段燃燒產(chǎn)生煙氣的溫度，在干燥段 的上部用干燥段循環(huán)風機21抽出干燥段的排氣，在干燥段燃燒混合器22中混合降溫。離 開干燥段的褐煤溫度在150-180°C左右。干燥段中有原料帶入的原生煤粉，和因磨損、熱崩產(chǎn)生的次生煤粉，會嚴重影響整 個熱加工的順利運行，所有豎井式爐的運行實踐表明粉塵堵塞是影響爐子作業(yè)率和效率 的最重要因素。為此，本發(fā)明在干燥段特別設置了除塵系統(tǒng)。在循環(huán)氣導出支管的對側(cè)，沿 導氣槽隔板上方布置有吹掃口，不定期用循環(huán)煙氣吹掃。所述循環(huán)煙氣是用吹掃循環(huán)氣風 機25，將循環(huán)煙氣升壓送到吹掃口，在循環(huán)煙氣的出氣管道上，設置有旋風除塵器26。第IV段是煤封段2，其作用是防止干燥段的煙氣與干餾段的煤氣相互竄通，魯奇爐這一段是采用煤封效果好的小通道，鑒于多數(shù)褐煤在干燥后的耐磨性很差，這里沒有采 用小通，因為在小通道中，煤的下降速度快，會加劇磨損。當然，對于一些干燥后的褐煤如有 足夠的耐磨性，仍可以采用小通道。第V段是干餾段，這一段的作用是使褐煤進行深度熱加工。褐煤提質(zhì)的主要任務 是去掉水分以提高發(fā)熱量。以外運為目的褐煤提質(zhì)必須考慮干燥后的褐煤的吸濕性。僅脫 除自由水的干燥褐煤，由于內(nèi)部結(jié)構變化很小，比表面很大，吸濕性很強，不能外運。必須進 行深度熱加工。一般褐煤在加熱到180°C以上時，羥基官能團(主要是-C00H)發(fā)生分解，析 出CO2氣體。進一步提高溫度，將導致越來越多的羥基官能團分解，從而引起褐煤的表面性 質(zhì)改變，隨著溫度進一步提高，大量的羥基官能團分解，導致褐煤內(nèi)部的毛細孔倒坍和產(chǎn)生 交聯(lián)。毛細孔倒坍可以阻止水分進入毛細孔；而交聯(lián)反應則能夠?qū)γ毧走M行密封，阻止倒 坍的毛細孔在吸收水分時再膨脹。另外，一般褐煤溫度被加熱到200°C度以上時，其表面積 會大大減少。表面積減少的主要原因是由于在高溫干燥條件下引起褐煤內(nèi)部的焦油的強烈 遷移，即焦油由毛細孔內(nèi)部向毛細孔外部遷移。遷移到毛細孔外部的焦油在冷卻過程中，由 于焦油冷凝從而對毛細孔進行密封，從而使褐煤的表面積減少。由于上述過程，即毛細孔倒 塌，交聯(lián)反應和焦油遷移對毛細孔形成密封，結(jié)果褐煤變得越來越疏水，同時也能夠觀察到 褐煤的硬化，這也導致褐煤的剛性結(jié)構的形成。其結(jié)果就是褐煤能夠從軟煤轉(zhuǎn)換為硬煤，由 親水性轉(zhuǎn)換為疏水性，從而可以實現(xiàn)褐煤的長途運輸。這一任務是在干餾段實現(xiàn)的。由干餾段燃燒混合器24來的600-650°C左右的高溫熱載體送到干餾段底部多條 干餾段熱載導入支管15和干餾段導氣槽13，經(jīng)百葉窗，在干餾段導氣槽隔板14的作用下， 呈Z形多次穿過窄煤層(參見圖3)，與煤進行熱、質(zhì)交換。為降低干餾段燃燒產(chǎn)生煙氣 的溫度，用干餾段循環(huán)風機23抽出冷卻段的煤氣，在干餾段燃燒混合器24中混合降溫到 600-650 "C。應指出的是，褐煤深度熱加工的適宜溫度是褐煤的一個性化指標，應由實測來決 定。本發(fā)明不能限定。當所述褐煤深度熱加工的適宜溫度超過褐煤焦油分解溫度時，就會 有焦油析出，應予以回收利用。離開干餾段的半焦溫度約550-600°C，再經(jīng)第VI段煤封段3后，進入到冷卻段。第VIII段為冷卻段，其作用是將半焦冷卻避免自燃，同時又回收半焦的熱量。冷 卻后的半焦經(jīng)卸焦機20外排。有益效果本發(fā)明在爐內(nèi)的截面上均布多條集氣道，煤表面呈多個W形，使集析現(xiàn)象大為弱 化；特別是使氣體熱載體多條、多次呈Z形穿過狹窄煤層，亟大地擴展了迎風面面積 ’又縮 短了氣體熱載體在煤層中的行程；使與煤的熱、質(zhì)交換更為均勻。本發(fā)明適宜加工小塊徑((25mm)和易粉化的褐煤。計算表明，較之現(xiàn)有爐型，本發(fā)明的迎風面積可增大一個數(shù)量級；氣體熱載體在煤 層中的行程，可減少一個數(shù)量級；阻力可降低近兩個數(shù)量級；仃留時間可減少40-60%。
權利要求
1.一種褐煤提質(zhì)爐，是由布料器，豎井式爐體，煤氣燃燒爐(提供熱源)，循環(huán)風機，氣 體混合室，導氣槽，集氣槽，氣體導進、導出管系和卸料機所組成，其特征在于所述豎井式 爐體內(nèi)有多條導氣集道和導氣槽，在所述導氣集道的作用下，爐料面呈多個W形，在所述導 氣槽和其中隔板的作用下，氣體熱載體呈多條、多層Z形流動，在狹窄煤層中與垂直下降的 煤作水平方向的流動，與煤進行熱、質(zhì)交換。
2.一種如權利要求1所述的褐煤提質(zhì)爐，其特征在于對于某些熱崩性高的褐煤，可將 部分外排高露點煙氣有控制的通過干燥段循環(huán)風機21進行循環(huán)，以調(diào)控干燥段的干燥速 度。
3.—種如權利要求1所述的褐煤提質(zhì)爐，其特征在于在干燥段設置有吹掃系統(tǒng)，不定 期清除原生和次生煤粉。
4.一種如權利要求1所述的褐煤提質(zhì)爐，其特征在于干燥餾段和干段間的第IV段煤 封段2，當干燥后的褐煤耐磨性很好時，也可采用如魯奇爐一樣的小通道。
全文摘要
公知的以外運為目的褐煤提質(zhì)技術有多種，魯奇爐是成熟的工業(yè)用爐。但魯奇爐對爐料塊徑有嚴格的要求(一般為25-60mm)；不能處理粉料和易粉化的褐煤。為克服魯奇爐的缺點，本發(fā)明提供了一種褐煤提質(zhì)爐。它是由布料器，豎井式爐體，煤氣燃燒爐，循環(huán)風機，氣體混合室，導氣槽，集氣槽，氣體導進、導出管系和卸料機所組成。其特征在于所述爐體內(nèi)有多條導氣集道和導氣槽，在所述導氣集道的作用下，爐料面呈多個W形，在所述導氣槽和其中隔板的作用下，氣體熱載體呈多條、多層Z形流動，在狹窄煤層中與垂直下降的煤作水平方向的流動，與煤進行熱、質(zhì)交換。本發(fā)明適宜加工小塊徑(≤25mm)和易粉化的褐煤。計算表明，較之現(xiàn)有爐型，本發(fā)明的迎風面積可增大一個數(shù)量級；氣體熱載體在煤層中的行程，可減少一個數(shù)量級；阻力可降低近兩個數(shù)量級；仃留時間可減少40-60％。
文檔編號C10B53/00GK102102021SQ20101056936
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權日2010年12月2日
發(fā)明者吳植仁 申請人:吳植仁