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★ 清洁利用 ★

褐煤提质分质分级利用技术及其产业化应用

王鹏云,王 燕,王莲邦,尹招凯,彭文刚

(云南中翼鼎东能源科技开发有限公司,云南省曲靖市,655000)

摘 要 提出了褐煤提质分质分级利用的创新技术工艺,介绍了具体的工艺流程和分质分级利用技术的应用效果,阐述了褐煤通过该技术提质后在火力发电、水泥熟料生产、部分农业种植品种的应用及试验示范。试验结果表明,褐煤提质分质分级利用技术能显著提高褐煤的着火温度,降低褐煤爆炸倾向,在火力发电使用中可实现提质后褐煤不需制粉直接进仓,并可降低燃煤污染物的排放;同时,对分质分级后的一级褐煤产品进行了进一步的腐植酸提取实验研究,通过提取液的应用试验表明该提取液具备很好的实用价值,可作为农作物的有机增长剂。该技术工艺符合我国能源绿色发展和节能减排要求,可实现褐煤由单一燃料向资源化利用的转变。

关键词 褐煤提质;分质分级利用;旋流化解聚提质;褐煤提取液;农作物肥料

我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家,能源资源禀赋的条件决定了在一定时期内煤炭仍是我国的主体能源,在煤炭资源探明储量中,褐煤资源占13%,达到1303亿t[1]。褐煤是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机岩的初期产物,因外表呈褐色或暗褐色而得名,主要分布于内蒙古、东北三省及云南等地区。褐煤具有挥发分高(Vdaf>37%)、水分高(全水分约为30%,外在水分大多超过 19%)、发热量低(约12.56 MJ/kg)、易自燃等特点。

目前,大部分褐煤只能单一地作为燃料应用[2],但褐煤成分复杂,富含腐植酸等可利用的富营养成分,因此在不破坏褐煤营养价值成分的前提下,把褐煤进行提质处理,使其由单一燃料化应用向原料化应用转化,将成为未来的主流研究方向,因此褐煤的原料化开发应用具有重要意义。

1 褐煤提质分质分级利用技术

按照褐煤资源化利用的研究思路,结合褐煤的组分特点,云南中翼鼎东能源科技开发有限公司(以下简称“中翼鼎东”)提出了一种新的褐煤提质分质分级利用技术(Lignite upgrading classification and utilization,简称LUCU技术)。基本实现了褐煤提质、改性和分质分级利用,装备安全可靠,具有工业化大规模生产的条件。

2 褐煤提质分质分级利用流程

LUCU技术利用了褐煤微观结构、内水和外水不同的赋存状态、变质程度、褐煤组成中各组分的质量比例不同等特点,将褐煤原料破碎到设定的粒度,再与设定的高温(800~1300℃)烟气同步进入旋流化解聚提质系统,在系统内被高速解聚分散并与热烟气直接接触进行高效热交换,快速提质后随高温烟气一起排出系统,然后进入一级提质分级器、二级提质分级器和三级提质分级器进行气固提质分级,一级提质分级后的产品再进行精细提质,从而实现分质资源化利用。褐煤提质分质分级工艺(LUCU)流程如图1所示。

图1 褐煤提质分质分级工艺(LUCU)流程

2.1 褐煤提质效果

2.1.1 不同提质分级产品的煤质对比

采用云南国能煤电有限公司弥勒县跨竹矿区的褐煤为原料,与通过提质工艺后的一级、二级和三级提质分级产品以及胜利典型褐煤在煤质指标方面进行了对比,提质分级产品煤质数据对比见表1。

表1 提质分级产品煤质数据对比

样品名称全水Mt/%空干基水分Mad/%收到基灰分Aar/%干燥无灰基挥发分Vdaf/%收到基低位发热量/(MJ·kg-1)胜利典型褐煤38.0011.4215.8547.0011.28原料褐煤53.2716.5113.4642.538.82一级产品17.6016.1115.4356.8716.38二级产品13.6011.820.6555.4116.76三级产品12.2010.8721.9058.7616.57

由表1可以看出,干燥提质分级后的褐煤全水分大幅降低,挥发分基本不变,同时,低位发热量提高较大。平均降低1个百分点的水分,热值就提高200.13 kJ,水分、灰分、热值指标介于典型褐煤和烟煤之间,大幅度地提高了其使用范围。

2.1.2 各级提质分级产品粒径分布

对提质后的褐煤进行一级、二级和三级提质分级后的产品进行筛分,各级提质分级产品粒径分布和统计见表2和表3。

表2 各级提质分级产品粒径分布表

粒径/mm一级产品/%二级产品/%三级产品/%>3.0005.67001.000~3.00024.020.510.170.200~1.00036.352.450.160.090~0.20017.574.370.100.075~0.0903.792.020.03<0.07512.6090.6599.55

表3 各级提质分级产品粒径统计表

累计值/mm一级产品/%二级产品/%三级产品/%>3.0005.6700>1.00029.690.510.17>0.20066.042.960.32>0.09083.607.330.42>0.07587.409.350.45<0.07512.6090.6599.55

由表2和表3可以看出,分级后的褐煤二级产品90.65%集中在小于0.075 mm的范围内,均匀性指数为0.37;三级产品99.55%集中在小于0.075 mm的范围内,均匀性指数0.06。二级和三级产品的粒径完全满足电站锅炉的燃料细度要求,可以不用二次制粉,直接进入煤粉燃煤锅炉。

2.1.3 产品热重分析

为了考察各级产品的燃烧性能特点,对分级后的一级、二级和三级产品进行了热重试验分析。根据热重分析判别指标,3种产品属于极易着火、极易燃尽的煤种,二级与三级产品反应指数与燃尽指数基本一致。产品热重分析结果见表4。

表4 产品热重分析结果表

样品名称燃烧起始温度/℃燃烬温度/℃最高燃烧度/(%·min-1)最高燃烧速度对应温度/℃燃烧指数RI/℃燃尽指数Cb着火特性判别燃尽特性判别一级产品2334648.703292084.27极易易燃尽二级产品22944010.383061932.69极易易燃尽三级产品2504239.833081922.52极易易燃尽

2.1.4 产品着火性能

将分级后的一级产品、二级产品和三级产品按照1∶1∶1的比例进行混合,筛除1 mm粒度级后磨细再混合,在一维火焰炉和煤粉气流着火炉试验台进行着火试验[3],测得着火温度为520 ℃,属于极易着火煤种。

2.1.5 产品爆炸特性评价

将分级后的一级产品、二级产品和三级产品按照1∶1∶1的比例进行混合,在西安热工院煤粉爆炸试验台开展煤粉爆炸特性试验[4],样品温度从60 ℃增加到80 ℃,储气罐压力为180 kPa,煤粉质量从15 g增加到30 g,均未发生煤粉爆炸,可据此判断混合产品属于低爆炸或者中等爆炸倾向煤种。

综合上述有关测试结果,可初步判断出三级产品及其混合产品与原料褐煤相比,某些特性发生了较大变化,煤质指标介于褐煤与高挥发分烟煤之间,实现了褐煤的提质改性。

2.2 分级产品在农作物种植领域的应用

褐煤经过提质分级后,因一级产品含水量较高,腐殖酸、纤维素、半纤维素和木质素等富营养成分含量较高,再将其溶解精细提取后,可得到褐煤提取液和土壤调理剂。褐煤提取液pH值为3.5,主要成分是甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、羟基丙酮、愈创木酚、异喹啉、对甲酚和间甲酚等;土壤调理剂的主要成分如下,有机质(干)的质量分数为49%、腐植酸的质量分数为7.1%、中量元素(钙+镁+硫)的质量分数为5%、微量元素(铜+铁+锰+锌+硼+钼)的质量分数为3%,有害元素小于土壤调理剂国家标准。

褐煤提取液经云南省疾控中心按照《肥料登记急性经口毒性试验及评价要求》(NY1980-2010),检测属“实际无毒”,经中科院昆明动物研究所药物安全评价中心依据《食品安排国家标准28天经口毒性试验》(GB15193.22-2014)检测,未发现潜在毒性,砷、铅、汞含量均小于1 μg/kg,远低于农业投入品标准要求,结合其成分特点,具备了进一步应用于农业和医疗保健领域研究开发的基础;土壤调理剂富含有机质和游离腐植酸,含中量元素(肥料中的钙、镁、硫)和微量元素,对化学农业给土壤造成的损害有一定的修复价值。

3 褐煤提质分质分级利用成果的应用

3.1 提质后二级和三级混合产品在燃煤电厂的应用

褐煤干燥提质后的二级和三级产品通过气力输送系统送至粉仓(粉仓装设布袋除尘,冲氮防护),再用气力输送或管链输送系统输送到燃煤电厂中的储式制粉系统的粉仓中(减少了继续制粉环节)[5],实现了燃料不用制粉直接掺烧或替代,降低了燃煤电厂的电耗(制粉环节)和污染物排放,还可以提高锅炉燃烧的稳定性。

3.2 提质后二级和三级混合产品在水泥行业的应用

褐煤干燥提质后的二级和三级产品通过气力输送系统送至粉仓(粉仓装设布袋除尘,冲氮防护),再用水泥罐车运输到水泥厂,直接接通水泥厂制粉系统分解窑前端或后端粉仓,将混合料输送到粉仓即可。水泥厂窑尾全部燃用混合产品和燃用烟煤的关键运行指标对比见表5。

表5 水泥厂窑尾全部燃用烟煤和燃用混合产品的关键运行指标对比

燃料种类分解窑给煤量/(t·h-1)分解窑给煤比分解窑入口温度/℃反应区温度/℃罗茨风机电流/A罗茨风机风压/kPa氨水流量/(m3·h-1)NOx实测浓度/(mg·m-3)烟煤183.3/6.7870852266.343.260.71246.57混合产品203.3/6.7871850243.740.730.45228.46

从替代水泥厂燃用烟煤的测试分析研究中可以看出,混合产品除了具备高挥发分、易燃尽、易着火、发热量高的优异特性,并保持水泥分解窑工况稳定外,还具备制粉电耗、二氧化碳和氮氧化物排放均能大幅降低的优点。

3.3 褐煤提质分级后的提取液在农作物生长领域的应用

2020年5月云南省农业科学院在甘蔗种植中,开展了叶面喷施褐煤提取液的试验示范,喷施褐煤提取液对甘蔗产量具有明显促进作用,对甘蔗蔗汁糖度、甘蔗糖分、单茎重、出汁率都有积极的促进作用;2020年8月在草莓种植中叶面喷施褐煤提取液,喷施褐煤提取液能有效促进草莓植株生长,延缓叶片衰老,增加植株抗病能力,提高肥料利用率;2020年9月在魔芋种植中叶面喷施褐煤提取液,喷施褐煤提取液能够增加魔芋株高、开展度、叶柄高度、叶柄周长,增加魔芋叶片的光合效率,增强魔芋植株的抗病性,提高魔芋的产量,高浓度施用能够提高魔芋球茎葡甘露聚糖和可溶性总糖含量,其他水果、茶业等种植正在相继开展试验示范。

小麦是我国主要粮食作物之一,通常采用促芽技术以促进小麦快速萌芽,提高种子萌动、节省播种量,是晚播早出的好方法[6]。将褐煤提取液稀释50倍浸种催芽,与清水浸种催芽进行对比试验,小麦浸种催芽发芽率对比、催芽苗和根长对比、催芽苗干重和根干重对比如图2~图4所示。

由图2~图4可以看出,褐煤提取液组的小麦发芽率比清水对照组高6.59%,根长比清水对照组长22.8%,苗长比清水对照组长12.6%,根干重比清水对照组增重12.8%,苗干重比清水对照组增重37.1%,表明用褐煤提取液能够起到对小麦浸种促芽的作用,并且能提高小麦苗的发芽率、减少播种量。

图2 小麦浸种催芽发芽率对比

图3 小麦浸种催芽苗和根长对比

图4 小麦浸种催芽苗干重和根干重对比

意大利生菜富含维生素C和氨基酸,除作为常食蔬菜外,还有一定的保健功效。将褐煤提取液稀释400倍,与清水、氨基酸水溶肥、腐植酸水溶肥进行生菜生长周期3次喷施对照大田试验,生菜维生素C含量对比、粗纤维含量对比、氨基酸总含量如图5~图7所示。

图5 生菜维生素C含量对比

图6 生菜粗纤维含量对比

图7 生菜氨基酸总含量

由图5~图7可以看出,褐煤提取液组的维生素C含量比清水对照组提高了12%,褐煤提取液组的粗纤维含量比清水对照组提高了43.9%,褐煤提取液组的氨基酸总含量比清水对照组提高了24.5%;同时组织土肥站专家测产,平均单株0.33 kg,比清水对照组增重22.8%;667 m2增产921.61 kg,增幅为22.13%。

经过褐煤提取液与腐植酸和氨基酸水溶肥对比后发现,褐煤提取液能够提高肥料的利用率,可探索在肥料减量化中的深入研究。从试验数据和结果分析,褐煤提取液具备在农业种植领域深入研究和开发的潜力。

4 结论

提质褐煤通过在云南能投曲靖发电有限公司、云南华新东俊水泥有限公司的应用,褐煤提取液经过云南省农业科学院在不同品种作物中的试验示范,说明中翼鼎东的褐煤提质分质分级利用技术(LUCU),既对褐煤的劣势进行了改性,又保留了褐煤的天然物质成分,使之在火力发电、水泥生产应用中性能得到提高。同时,开展了系列农产品种植施用褐煤提取液的试验示范,也取得较好应用效果。

研究结果表明,该技术对火电行业、水泥行业、冶金行业、煤化工等行业的节能减排将发挥重要作用,并且为褐煤在绿色农业的应用提供了一条新的路径,对促进煤炭供给侧改革、提高煤炭在绿色农业中的发展具有巨大推动作用。

将褐煤提质分质分级后,同步应用于工业燃料、农业等行业,对褐煤原料化开发利用,优化国家能源结构和农业绿色可持续发展有重要意义。

参考文献:

[1] 将斌.李胜.褐煤干燥技术发展及应用现状[J],洁净煤技术,2011,17(6):69-72.

[2] 朱书全.褐煤提质技术开发现状及分析[J],洁净煤技术,2011,17(1):1-4.

[3] 仝志辉,刘汉涛.一维火焰炉中混煤燃烧氮析出特性的试验研究[J],动力工程,2009,29(9):859-863.

[4] 王月明,相大光.火电厂煤粉爆炸特性测试方法的研究[J],洁净煤技术,2010,17(2)54-58.

[5] 胡双启,晋日亚.管道条件下超细煤粉的爆炸特性研究[J],中北大学学报,2008,29(119):229-231.

[6] 卢丽娟,蒋晴.小麦浸种催芽技术研究,大麦与谷物科学,2016,33(11)34-36.

Lignite upgrading classification and utilization technology and its industrial application

WANG Pengyun, WANG Yan, WANG Lianbang, YIN Zhaokai, PENG Wengang

(Yunnan Zhongyidingdong Energy Scientific and Technological Development Co., Ltd., Qujing, Yunnan 655000, China)

Abstract The innovative technology of lignite upgrading classification and utilization(LUCU)was put forward, and the specific technological process and application effect of the technology were introduced, and the application and experimental demonstration of lignite upgrading in thermal power generation, cement clinker production and some agricultural varieties were expounded.The results showed that the technology of LUCU could significantly improve the ignition temperature and reduce the explosion tendency of lignite.In the use of thermal power generation, the lignite could be directly put into the bin without pulverizing, and the emission of coal-fired pollutants could be reduced.At the same time, the humic acid extraction experiment of primary lignite product after classification was further studied, and the application test showed that the extract solution had good practical value and could be used as an organic growth agent for crops.The technology met the requirements of green energy development and energy conservation and emission reduction in China, and realized the transformation of lignite from single fuel to resource utilization.

Key words lignite upgrading; classification and utilization; hydrocyclone depolymerization and upgrading; extract solution of lignite; crops fertilizer

中图分类号 TQ536.6;TD849

文献标志码 A

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引用格式:王鹏云,王燕,王莲邦,等.褐煤提质分质分级利用技术及其产业化应用[J].中国煤炭,2021,47(3):109-113.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.03.016

WANG Pengyun,WANG Yan,WANG Lianbang,et al.Lignite upgrading classification and utilization technology and its industrial application[J].China Coal, 2021,47(3):109-113.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.03.016

作者简介:王鹏云(1979-),男,云南曲靖人,研究方向为低阶煤提质工艺技术和关键设备研发。E-mail:1398894@163.com

(责任编辑 王雅琴)