褐煤的综合利用及其基础研究开发现状

随着经济社会发展对煤炭质量要求的提高，煤炭利用呈现出从最初的即用型开采动力煤脱灰炼焦煤和动力煤脱灰脱硫煤炭气化、液化及综合提质深加工的发展趋势。加工的煤主要是高变质程度的烟煤和无烟煤。褐煤具有高水分、高灰分、高挥发分、低热值、易自燃等缺点，限制了其利用。近年来，烟煤和无烟煤的消费量日益增加，可开采资源储量紧张、可选性差、加工成本高的现状使得褐煤的综合加工利用成为研究热点。

00-1010中国煤炭资源丰富。表1显示了2012年中国各种煤的储量分布。中国拥有大量的褐煤资源，占全国煤炭资源总量的9.40%。褐煤主要分布在内蒙古东部、黑龙江东部、云南东部等干旱缺水地区。褐煤的高水分、高灰分、高孔隙率和易泥化的特性限制了褐煤的高效综合利用。目前，国内外对褐煤的利用主要集中在电厂燃烧、干燥脱水、成型热解等方面，部分加工技术已经产业化。褐煤提质后，成分和结构发生变化，使其性质接近烟煤，可以很好地满足燃烧、气化、液化、提取稀有元素等煤炭高效清洁利用的要求，起到扩大资源利用效率、优化能源结构的作用。

表1 2012年中国各煤种储量分布

标签1 2012年国内各种煤炭储备比例

2.1褐煤燃烧00-1010

这是燃烧褐煤最直接的利用方式。目前我国开采的褐煤大部分用于电厂燃烧发电。但褐煤具有高水分、高挥发份、高脂肪链含量的特点，导致锅炉燃烧不稳定，容易爆炸，电厂效率低，燃烧控制困难。另一方面，水分蒸发过程中带走了大量热能，使得燃烧废气热量损失严重，降低了褐煤的有效热值。为了增加褐煤的市场竞争力，提高电厂效率，国内外研究机构对褐煤燃烧技术做了大量研究。澳大利亚建立了两个联合研究中心，即中国煤电集团褐煤清洁发电中心和中国煤电集团低阶煤发电中心，研究褐煤发电和利用技术。在欧洲，褐煤干燥燃烧是洁净煤技术项目的重要组成部分；美国动力河流域褐煤干燥改性研究：面对高挥发分褐煤的燃爆问题，印尼优化燃煤电厂的磨煤机和锅炉结构，提升褐煤在印尼的市场竞争力；国内电厂燃用高水分弱磨损褐煤时，将传统的风扇磨制粉系统发展为中速磨煤机制粉系统，并制定了不同全水和外水条件下的磨煤机选型标准。

虽然褐煤燃烧已得到广泛应用，但仍存在许多缺陷。除了以上两点，褐煤复杂的化学成分导致燃烧过程中SO2、CO2、NOx、TSP的释放，其他微量元素如汞、锗、镓、砷等在燃烧反应中产生一系列复杂的化学产物，对环境造成危害。

2.2从褐煤制备水煤浆

在国际油价高位振荡、国内油气资源缺口不断加大的背景下，褐煤逐渐成为能源化工行业油气的替代原料之一。其中，水煤浆技术是褐煤向能源和后续化工转化的先导和核心环节。目前，褐煤制备水煤浆的技术可分为物理法和化学法。用物理方法制备褐煤水煤浆，其工艺流程与常规水煤浆技术几乎相同。通过优化配煤、分级磨矿、粒度分布、添加剂和制浆参数，可以制备高质量的褐煤水煤浆。但是对比分析表明，虽然这一工艺已经成熟，但未能充分考虑和发挥低阶褐煤和烟煤在化学性质上的差异和优势。因此，通过蒸发脱水和非蒸发脱水制备褐煤水煤浆的化学方法逐渐得到应用。褐煤提质过程中产生少量腐植酸，可作为后续制备褐煤水煤浆的化学添加剂，降低生产成本。此外，由于褐煤变质程度低，煤质松软，输送过程中管道磨损较小。褐煤水煤浆的燃烧特性试验也表明，煤浆颗粒在锅炉内分散，颗粒不粘连，燃烧效率高。同时，褐煤水煤浆燃烧过程中的NOx、飞灰含碳量和SO2排放指标均优于烟煤水煤浆。作者认为发展化学法褐煤水煤浆制备工艺对实现节能减排目标具有重要意义。

2.3褐煤的洗选和加工

伴生矿物的存在导致褐煤灰分高，必须经过洗选才能满足工业应用要求。但褐煤变质程度低、硬度低、水中矸石易泥化等特点，使其洗选难度加大。目前，我国褐煤主要采用干法分选技术，采用空气重介分选机、复合分选机、空气跳汰等干法分选设备对褐煤进行分选。干选工艺要求原煤含水量低，而褐煤含水量高。因此，在分选前必须增加干燥工序，增加了工序的复杂性，效果也不显著，不能适应褐煤资源大规模开发的形势。邓晓阳在分析内蒙古锡林浩特4号褐煤可选性试验数据的基础上，首次提出了针对高灰分、高水分褐煤的“重选工艺和煤泥分选工艺”新概念，开发了筛分分级洗选加工产品脱水煤泥水处理干燥的工艺流程概念设计，对我国褐煤规模化发展具有重要意义。此外，机械化开采的普及导致细粒褐煤产量不断增加，褐煤浮选逐渐受到国内外研究者的重视。罗道成等提出粒化浮选法优化褐煤浮选效果；希腊克里特理工大学的D. Vamvuka和V. Agridiotis用电位解释了褐煤浮选过程中颗粒表面的核电；土耳其伊诺努大学的KadimCeylan和m  . m  . zeki  kuk对褐煤进行了一系列浮选试验，研究了褐煤在不同药剂体系下的浮选行为差异。上述方法大多依靠褐煤中不同组分的可选性、界面化学特性等宏观性质，旨在利用表面改性后密度或疏水性的差异实现分离。由于缺乏对褐煤的微观研究，在分选研究过程中，褐煤泥化、浮选效果差、浮选药剂耗油量大等问题一直得不到解决。

由于我国褐煤具有灰分和水分高的特点，不能满足工业应用的质量要求。根据不同褐煤的性质选择相应的洗涤方法尤为重要。因为中国的褐煤大部分是储存的

虽然现有的干燥工艺都是基于改变其物理和化学结构，去除一些含氧官能团来降低其含水量，增强其疏水性的思想，但对干燥过程机理的研究相对较少。通过研究褐煤的物理化学结构特征来揭示其脱水机理，改善水的再吸收问题，逐渐引起了研究者的重视。中科院熊成成采用薄层干燥法对褐煤颗粒进行等温干燥实验，得到了褐煤颗粒干燥速率与水分的关系，验证了褐煤干燥过程受扩散机制控制。德国多特蒙德大学的Christian  Bergins和Janine  Hulston研究了温度和压力对褐煤物理性质的影响，如孔径分布、平均孔径、表面积和机械热干燥(MTE)中的收缩率。辽宁科技大学余系统总结了低质煤中水的存在形式，阐述了影响低质煤脱水效果的物理化学结构3354孔结构和亲水性官能团。沈阳航空航天大学的Arash  Tahmasebi研究了褐煤在空气和氮气环境下的流化床脱水行为，得到了温度、粒度、风速和样品质量对褐煤干燥的影响。用FTIR检测了褐煤脱水前后化学组成的变化。但笔者在分析试验过程后认为，作者缺乏对试验煤样的热重分析，对温度上限的模糊控制导致热脱水温度处于低温热解范围，削弱了研究结果的可靠性。

此外，褐煤机械热干燥的研究也逐渐增多。德国多特蒙德大学的Christian  Vogt和Thomas  Wild研究了机械热干燥过程中酸化处理对褐煤理化性质和孔隙结构的影响。他们认为酸化处理可以显著增加褐煤中无机物的脱除量，但样品的孔隙结构和脱水程度变化不大。高温脱水处理可以大大降低褐煤的孔隙体积，从而提高脱水产物的再吸附性。Harold  D. Bale，北达科他大学能源研究中心等。利用小角X射线衍射仪分析比较了真空干燥、空气氧化和氩气环境下热处理后褐煤的孔结构，发现热处理过程中氧气与表面活性碳原子的反应和热脱羧效应导致褐煤的微孔表面积增加。美国布朗大学的S. C. Deevi和E. M. S. uuberg研究了美国西部褐煤在不同干燥程度下的物理结构变化，分析了水分解吸和再吸收的过程，以及褐煤结构变化的程度是否可逆。然而，作者缺乏导致水重吸收和结构变化的孔结构的表征。澳大利亚莫纳什大学的Janine  Hulston和Alan  L. Chaffee分别对澳大利亚、希腊和德国的褐煤进行了机械热干燥研究。结果表明，机械热干燥能显著降低褐煤的水分含量，但对其有机结构影响不大。热干燥使褐煤发生很大的收缩，收缩程度取决于温度和压力。

2.5褐煤热解研究

热解提质是褐煤高效利用的重要途径。褐煤热解是指在隔绝空气(惰性气体气氛或氢气)的条件下，将褐煤在500 ~ 600加热，生成气体、焦油、粗苯和焦炭或半焦的过程，也称干馏。已在工业化中得到广泛应用，并取得了可观的经济效益。德国Lurgi  GmbH、美国SMC、SGI和Ruhurgas  AG、澳大利亚CSIRO、中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院、大连理工大学等都开发了褐煤高效热解提质技术。为了促进煤加氢热解的工业化应用，中北大学研究了褐煤在焦炉煤气气氛下的热解过程；澳大利亚西澳大学SetyamatiYani研究了有机硫和无机硫在不同热解过程下在西澳褐煤中的迁移和变化；马里兰大学的I. I. Ahmed和A. K. Gupta在实验研究的基础上，利用Gillespie算法随机模拟了褐煤的热解和气化过程，揭示了褐煤热解过程中合成器的释放机理，阐明了CO2对褐煤热解的影响。太原理工大学崔等系统研究了温度、压力、气体停留时间、热解气氛对煤热解过程和产物的影响，总结出通过控制实验条件来调节热解产物的方法。褐煤热解过程的研究有助于进一步促进其加工利用，但上述研究侧重于不同热解过程和参数对热解过程和产物的影响，忽略了其自身组成和结构特征对热解过程和产物的影响，未能从微观结构和有机化学组成角度解释热解机理。

煤炭资源的合理利用应建立在准确表征煤炭组成和结构的基础上，而煤炭的基本结构特征是影响煤炭清洁转化的重要因素之一。目前，对褐煤的研究主要体现在褐煤脱水、燃烧发电、热解提质、水煤浆制备、气化液化等方面。这些研究大多从工业应用的角度关注褐煤的宏观性质，但缺乏对褐煤独特的孔隙结构、大分子结构、官能团的类型和分布以及伴生矿物的嵌入行为的系统研究。这些性质对于解决水的赋存形态、干燥热解机理、脱水后的再吸附、褐煤的浮选行为、浮选药剂的过度消耗、矸石的胶结以及褐煤块煤分选工艺的制定等问题具有重要意义。

随着先进分析仪器的快速发展，煤的微观结构、矿物组成、赋存形态和有机分子结构的基础研究取得了很大的进步和发展。近年来，原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜-能量色散X射线能谱仪(SEM-EDX)、X射线吸收近边结构谱仪(XANES)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、核磁共振仪等设备广泛应用于矿物孔隙和裂隙结构的工艺矿物学分析、伴生矿物的类型和嵌布行为，以及煤的有机结构如大分子结构、官能团的类型和分布等的探索，并取得了可观的成果。依靠不同功能装置之间的串联耦合，从无机和有机的综合角度全面了解褐煤的结构特征和化学性质，对解决褐煤在脱水、燃烧、分离和热解等方面面临的瓶颈问题有很大帮助。

00-1010褐煤资源利用潜力巨大，但在脱水、燃烧、制备水煤浆、分选和热解等方面面临诸多困难，降低了利用效率，减缓了大规模工业化应用的步伐。

目前，大多数工业应用侧重于褐煤的宏观性质，如可选性和表面疏水性，而忽略了对其微观孔隙结构、化学组成和伴生矿物形态的基础研究，这导致了褐煤资源的瓶颈。

来源：矿机之家

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