LCC低阶煤转化提质技术的开发与应用

LCC低阶煤转化提质技术的开发与应用陈钢黄学群中国五环工程有限公司摘要：本文在介绍美国LFC技术的基础上，开发LCC低阶煤提质技术的过程和进展，重点介绍了LCC技术的工艺方案、流程和特点，主要设备、产品性质和用途，分析提出了工程应用推广的前景。关键词：低阶煤；褐煤；转化；干燥；热解；提质LCC(Low-rankCoalConversion）低阶煤转化提质技术是一种煤炭轻度热解工艺技术，主要过程分为三步：第一步是干燥，除掉低阶煤（如褐煤）中的大部分水分；第二步是轻度热解，除掉剩余水分和一部分挥发分，使褐煤改质成为物理化学性质相对稳定的优质固体燃料——PMC（ProcessMiddleCoke)，同时在轻度热解过程中还可副产部分液体燃料——PCT（ProcessCoalTar）；第三步是精制，对干燥热解后的固体产物进行稳定钝化处理，降低活性。低阶煤转化提质加工得到的固体燃料PMC，性质稳定，可长途运输、长期贮存，消除了褐煤单位能量运输成本高，合理销售半径的约束，同时燃烧特性大大改善，热值提高接近一倍，硫含量也有相当程度降低，是一种优质环保的优质固体动力燃料；这种燃料还可以用于水煤浆气化、高炉喷吹、铁合金等行业。低阶煤转化提质加工得到的液体燃料PCT经过简单分离可以制得原油价值2～3倍的原油深加工产物，或加氢变成柴油等液态烃类燃料，可作为石油资源的替代物。一、LCC技术的产生与发展LCC低阶煤转化提质技术是在美国LFC技术的基础上开发的。1.美国LFC技术发展历程z20世纪80年代初，SGIInternational开始研发LFC（Liquid-From-Coal）技术；z1987年，SMC(ShellMiningCompany)与SGIInternational组建联合体TEK-KOL合作开发LFC技术，LFC技术及相关专利的所有权属于TEK－KOL公司；z1988年，SMC成立了一家全资子公司——ENCOAL公司，获得TEK-KOL的LFC技术许可在怀俄明州建设规模为1000t/d的示范项目；z1989年，ENCOAL项目入选DOE（美国能源部）第三轮清洁煤示范计划（CCT），获得DOE50%的资金支持；z1990年~1992年，ENCOAL示范工厂由M.W.KelloggCompany承包建设；z1992年11月，SMC被ZeiglerCoalHoldingCompany收购后改名为BluegrassCoalDevelopmentCompany，TEK-KOL联合体变更为BluegrassCoalDevelopmentCompany和SGIInternational；z1992年~1997年，ENCOAL示范工厂建成并运行；z1995年，ENCOAL开始筹划在怀俄明粉河盆地建设3×5000t/d规模商业化项目的前期工作，同年TEK-KOL选择MHI（三菱重工）作为合作伙伴进行LFC技术的商业化推广，三方于1995~1996共同完成了怀俄明商业化项目的可行性研究和基础设计；z1997年，ENCOAL示范工厂因资金问题停止运行。5年来示范工厂的设计数据及运行改造数据为商业化项目的设计提供了设计基础和财务评估基础；z1997~2000年，TEK-KOL与MHI先后在美国国内、俄罗斯、印尼、中国等地进行LFC技术的的交流推广，完成了数本可研报告；z2000年，TEK-KOL联合体停止运作，LFC技术没有继续进行推广，ENCOAL及TEK-KOL联合体的技术资料和主要技术人员转移至MR&E公司（MaumeeResearchandEngineering,Inc.）。TEK-KOL申请的LFC技术的相关专利也在2008年左右失效；z2005年，MR&E公司寻求技术转让。2.ENCOAL示范装置ENCOAL项目包括日处理1000吨原煤的商业化示范工厂的设计、施工及运行及所有需要的相关辅助设施。项目位于怀俄明州的吉列特市，紧邻Triton煤炭公司的Buckskin煤矿。项目选址于此，主要原因在于Triton公司是ENCOAL的姊妹公司，煤矿现有的公路、铁路、储煤间及输煤系统将明显地减少该项目的相关需要。而且，Triton公司能够就近提供所需的原煤。ENCOAL项目流程示意图，如图1：图1流程示意图ENCOAL示范装置通过对褐煤干燥和轻度热解，得到的产品为PDF（ProcessDerivedFuel，即衍生燃料通称为半焦）和CDL（CoalDerivedLiquid，即煤衍生液通称为煤焦油）。在1992～1997年的试运行过程共加工约24.7万吨原煤，得到11.5万吨PDF和11.6万桶CDL。详见表1：表1ENCOAL示范装置运行统计安装振荡流化床前安装振荡流化床后199219931994199519961997**总计原料煤，吨5,20012,40067,50065,80068,00028,000246,900PDF.产量,吨2,2004,90031,70028,60033,30014,200114,900PDF.销售量,吨0023,70019,10032,7007,40082,900煤炭衍生液体(CDL).产量,桶2,6006,60028,00031,70032,50014,700116,100在线小时数3149804,3003,4003,6001,94414,538平均每次运行时间,天2826384481*到1997年5月31日为止设计处理能力为1000t/d，但受钝化装置停车时间限制，工厂实际负荷保持在500t/d。后期能正常保持设备可利用率在90%或以上并连续运行超过120天以上（如1997年5月可利用率达到100%）。3.中国LCC技术的开发大唐华银电力公司与中国五环工程有限公司联合开发了LCC技术，具体历程如下：z2006年大唐华银电力公司完成了对美国LFC技术的考察评估，与MR&E签订了技术转让合同，大唐华银拥有：——在中国建设项目的许可证使用权和LFC技术的二次开发权；——ENCOAL示范工厂的建设资料和运行记录；——3×5000t/d商业化项目的可行性研究和基础设计。z2006～2007年大唐华银委托MR&E公司在原TEK-KOL的实验中心对锡林浩特褐煤煤样做了两个阶段的试验，为产品品质定义、物料和热量平衡数据和关键设备的设计数据提供基础，以此为基础，大唐华银委托五环科技股份有限公司（现更名为中国五环工程有限公司）完成3×5000t/d规模的可行性研究。z2008年，大唐华银决定先期建设1000t/dLCC示范装置，由五环科技股份有限公司（现更名为中国五环工程有限公司）承担设计。z2009年，大唐华银与五环科技股份有限公司（现更名为中国五环工程有限公司）共同组建技术联合体——湖南华银能源技术有限公司，对LFC技术进行二次开发。重新申请了相关专利和商标，将该技术更名为LCC技术，技术所有权归技术联合体——湖南华银能源技术有限公司所有，双方共同推广LCC技术。z2009年4月，技术公司在湖南建成LCC技术的实验室SPU（SampleProductionUnit）装置并投入使用，可为不同煤种采用LCC技术工艺的可行性、衍生产品的分析、商业化工厂的参数调整提供依据。z2009~2010年，中国五环工程有限公司按照技术联合体的策划，研究分析ENCOAL示范工厂的建设资料和运行记录，包括历次改进和改进设想，完成了1000t/dLCC示范装置的工艺包开发工作，并完成了基础工程设计和详细设计，现该示范装置已建成，2011年5月底开始试车投运。z2010年开始，中国五环工程有限公司开始进行3000t/d和5000t/dLCC装置的关键设备的开发工作，同时进行了工艺包装的开发，拟在大唐华银示范装置旁再建两套3000t/d的LCC生产装置。z2010~2011年，SPU装置为国内多家项目进行过煤样测试工作。z2011年，已向国内某项目转让了LCC技术，签订了转让协议。LCC技术二次开发主要进行了以下工作：z对部分技术方案进行了优化——分析研究LFC技术ENCOAL示范工厂运行经验和改进措施，完善工艺流程，并重点对PMC精制钝化工序方案进行了调整；——建立了SPU实验室，开展试验研究，为工艺装置设计参数提供依据；——开发干燥和热解的动力模型和控制方法，优化控制褐煤干燥和热解的速度与温度。z关键设备的开发——燃烧大量低热值热解不凝气的热风炉结构和燃烧技术研究；——在1000t/dLCC示范装置引进的干燥炉、热解炉、激冷盆和PMC精制塔的基础上，消化吸收3000t/d和5000t/d的相关设备国产化开发；——高温旋风，PCT激冷塔、PCT电捕焦油器的研制。z编制1000t/dLCC技术工艺包，包括PFD、MHB、P﹠ID和设备工艺数据表，工艺控制联锁逻辑，仪表数据表及工艺操作手册。二、LCC技术简介1.LCC工艺流程LCC工艺流程简图，见图2。原料褐煤经破碎筛分后送入干燥炉中，被来自干燥热风炉的热气流加热脱除水分，离开干燥炉的固体被直接送入热解炉，用来自热解热风炉的热循环气流加热，几乎所有剩余的水分均被脱除，并发生了轻度热解反应，煤中挥发性气体被释放出来。离开热解炉后的固体进入激冷盘中被工艺水迅速冷却并终止热解反应，然后输送至精制塔，预冷却后与增湿空气发生氧化和水合反应，经精制处理后，固体产品PMC的活性降低，性质稳定、不易自燃，昀后输送并贮存。图2从热解炉出来的热解气体经旋风除尘后，进入激冷塔被冷却，激冷塔顶出来的不凝气体进入电除雾器，气体中夹带的PCT被捕集下来，并回流至激冷塔。冷凝下来的PCT经换热器冷却后，大部分返回激冷塔，一部分即为初步的PCT产品。从PCT静电捕集器出来的不凝气体含有少量可燃物（热值低）分为三部分，一部分作为热解炉的循环气体，另两部分分别作为干燥热风炉和热解热风炉的一次燃料。从干燥炉出来的烟气经旋风除尘后，大部分循环，小部分经过脱硫后排放。2.产品性质和用途产品PMC和PCT的性质和用途与原料煤的性质有关，今以内蒙古某煤矿的褐煤为例，其褐煤与其产品PMC的性质对比如表2，其产品PCT的性质如表3。从表2可看出，PMC与其褐煤相比有以下特点：z固定碳含量提高，热值提高；z水份大大降低；z氧含量、氢含量及硫含量降低；z灰含量提高，灰的成分及灰融点均变化不大；z稳定性高，不易自燃，可长途运输；z燃烧更加稳定，NOx、SO2及CO2排放大幅降低。基本特性与优质动力烟煤非常类似：低硫高热值、适宜的挥发份含量、好的贮运特性、更高的燃烧稳定性。制浆浓度较原有褐煤提高8~10%，可做水煤浆气化或干煤粉气化和流化床气化原料；如原料褐煤含灰量低，则可得优质半焦，用于高炉喷吹或铁合金、电石等行业。补充燃料补充燃料PMC成品PCT成品原煤排放至大气PCT冷却器激冷塔循环泵激冷塔热解旋风除尘器PCT静电捕集器烟气脱硫干燥旋风除尘器干燥循环风机热解循环风机热解热风炉干燥热风炉激冷盘热解炉干燥炉精制塔工艺水煤粉表2典型褐煤及其PMC性质对比物料褐煤（原料）PMC符号及单位数值数值全水分Mt%39.005.36空干基水分Mad%20.38干基灰分Ad%12.4615.64干基挥发分Vd%42.9815.46干燥无灰基挥发分Vdaf%49.10干基固定炭FCd%44.5667.90全硫St,d%0.910.66收到基低位发热量Qnet,arMJ/kg15.0826.22碳含量Cdaf%72.2287.34氢含量Hdaf%4.912.81氮含量Ndaf%0.961.33硫含量St,d%1.040.78氧含量Odaf%20.867.74可磨性HGI3147煤灰熔融性HT℃11701225成浆性（浓度）%5060表3PCT性质1、一般物性2、元素分析比重（15.6℃）1.1374碳%87.24密度（kg/L）1.135氢%8.65API比重-7.1氮%0.23运动粘度（厘斯，50℃）711.4灰分%0.31运动粘度（厘斯，100℃）19.94硫%0.52沉淀物wt%5.8氧%2.05倾点（℃）363、馏程酸度31.95%180～210℃0.8%闪