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K燃料 ——人工煤化后的高品质褐煤 助力褐煤矿产及相关产业的科技发展

2017/05/15

(文︱李辉春  长青中美(北京)能源技术有限公司常务副总经理)


                    ●无爆裂不粉化

                    ●无二次污染

                    ●不回吸水分

                    ●产煤、产水

                    ●显著经济效益

                    ●垂范性世界领先科技

                    ●低成本无成本陡升褐煤的实用领域


一、问题的商榷

       褐煤属于低品质煤炭,是煤化程度最低的矿产煤,易开采、成本低,价廉。在国家能源政策、褐煤产区当地政府、国有大型企业以及科技人员的大力推动下,综合开发利用储量丰富、产地集中的褐煤受到空前的关注,集中体现在科技技术、科技成果在相关领域的探索和实践。目前主要采用“一种技术三种工艺”的科技路线:一种技术就是蒸发式干燥,三种工艺就是①基于动力煤供给的脱水干燥;②基于干馏为工艺路线的分级分质利用;③基于进行煤气化的新型煤化工。


1、干燥脱水技术:

       通过热交换的方式将褐煤中的水分蒸发,以达到去水分、提热值的目的。该技术属于浅度处理技术,将褐煤大部分的表面水去除,内部结合水脱除比例不大,技术未从根本上改变煤质结构,产品煤会回吸水分,脱水干燥的效果不能长时间保持,无法进行长距离运输与储存;另外,干燥后的产品煤一般为粉煤,需要衔接成型工艺,而目前成型技术尚不成熟、成本高,使得褐煤使用成本低的优势大打折扣。

2、干馏技术:
       将原煤进行中低温热解,生成焦炭(或半焦)、煤焦油、煤气等产物,以实现原煤全组分离利用。该项技术已经在烟煤、长焰煤上取得了很好的效果,但受褐煤性质限制,在褐煤的利用上出现了:由于水分高干馏过程中热能消耗大,处理成本高;原煤焦油产率低,收益差;褐煤热稳定性差,受热易爆裂、粉化,干馏后焦油含粉、难分离,致焦油品质低等问题,使工艺路线难以实现。

3、煤气化技术:
       在一定的温度、压力下,用气化剂对煤进行热化学加工,将煤转化为煤气,进而生产出各种化学品的过程。褐煤水分高,气化时效率低,能耗大;易自燃,粉煤气化,制粉和煤粉输送系统安全难题较大;热稳定性差,采用碎煤气化生产碎煤入炉粉化,气化炉运行不稳定,生产的煤气粉尘量大,加大后续煤气除尘分离系统工作负荷;煤中水分汽化蒸发会进一步加剧褐煤的爆裂、粉化,还会产生大量的高难度处理废水;褐煤成浆率低,很难达到水煤浆气化炉的入炉要求,采用水煤浆气化的路线也很难实现。

 

       这一系列问题和现状的出现,根源还在于受制于原料煤质的制约,目前的各种工艺都似乎指向了这一核心问题,但并不彻底和坚决,被这种理念和工艺所裹挟,在实践中出现了按下葫芦浮起瓢的情形。制约了安全、高效、环保运行的预期和企业经济效益的提升,褐煤的综合开发利用依然受其自身的制约而不能深广“走出去、融进来”。


二、开门见山


       
单刀直入是长青中美(北京)能源技术有限公司的科技导向,在褐煤的提质技术和科技成果上我们取得了重大突破,并实现了低成本商业化运营,没有发生一例因煤质问题所导致的系列性问题的发生。我们受益于在源头上解决问题的思想,达到局部与整体的统一,褐煤作为供应链中的一个环节,如果能优化和提升这一环节,那么整个经济链条都将得到优化和提升。“K燃料”科技技术让这一设想成为现实,提质后的褐煤品性接近于优质长焰煤的品性。

       各位决策者,各位老总,各位科技人员,各位从业人员,你们拥有的或者正在使用的褐煤,能以低廉的成本转化为优质的长焰煤,而无须改变并且满足你们的一切其他工艺和直接的购销之用,是不是一件幸事?!“K燃料”是人工煤化后的高品质褐煤,近似优质长焰块煤,可以同等价格出售、长途运输、做电煤、做煤化工原料等等,犹如拥有了“K燃料”就拥有了长焰煤矿,使其成为了一个优化的标配,真正让褐煤无障碍跻身到从资源供给到资源开发利用的行业、产业链条中。基于这样的褐煤综合开发利用之路,我们依托“K燃料”技术愿与你们开展相关的多领域合作,提供完备的解决方案。

三、K-燃料技术原理、特点及优势


       
长青能源公司(Energreen Energy Inc.)的前身是1984年成立的KFX Inc.公司,是一家提供清洁煤炭技术、能源生产和环境解决方案的美国公司,长青能源的专利技术K-Fuel®工艺通过热量和压力将低品位的煤炭提质为品位更高的煤炭。K-Fuel®技术由爱德华•科培曼先生于上世纪70年代末、80年代早期研发,后许可给长青能源公司进行商业化开发。2005年在美国怀俄明州FORT UNION 建成75万吨提质工厂,至2008年美国能源政策调整,有近3年的工厂成熟运行经验,技术可靠、效益显著。

        
       
自2009年,长青能源公司将其拥有的10项与K-Fuel®有关的专利技术许可给长青中美(北京)能源技术有限公司,授权许可以“独占许可”的方式已在中国国家专利局备案登记。目前,我们已完成“K燃料”技术的全部国产化工作,拥有完备的专利技术、系统工艺方案、施工设计方案、系统运行操作指南、开停机手册等各项技术方案、细则以及科技和工程技术人员和力量。


1、技术原理

        K-燃料技术为块煤(6-80mm)处理技术,在高压反应釜中,采用中温、中压蒸汽对褐煤直接加热,利用蒸汽加热和压力挤压的双重作用,将褐煤中的水分以液态形式“挤”出。技术对褐煤产生的作用类似人工煤化的作用,在高温加压的条件下加剧褐煤的变质程度,以极低的耗能、液态非蒸发的方式脱除褐煤中的水分,同时压缩褐煤的孔隙结构,破坏褐煤中的含氧官能团结构,从而达到对褐煤的干燥加改性的提质效果,不仅能有效脱除褐煤中的内在水分、提升热值,同时可明显改善褐煤的热稳定性能及水煤浆成浆率等,处理过程中褐煤不发生碎裂,并有效保持了褐煤的挥发分等有效成分,产品煤性能相当于优质长焰煤块煤,可广泛用于煤化工及动力煤领域。


2、技术特点

        利用我们的褐煤提质实验室,我们完成了对不同地区的褐煤提质实验,实验数据表明提质效果显著,可降低褐煤破碎率50%以上,可降低褐煤水分60%。


(1)提质效果

表2-1 中国不同地区褐煤提质前后相关指标

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表2-2 白音华煤样提质煤的回吸实验数据

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2-3 提质前后热稳定性检测数据

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表2-4产品煤水煤浆实验数表

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(2)产品特点

●块状处理,处理粒径6—80mm,产品煤维持粒度不变;

●水分降低50%-80%,热值提升30%-100%以上;

●提质后产品煤的挥发份保持不变;

●提质过程中不碎裂,产品煤不回吸水分;

●提质后,褐煤热稳定性明显提升,一般可提高至80%以上;

●产品煤强度增强,抗风化性能增强,自燃倾向降低。


(3)技术特点


●节能:褐煤中的水分以液态脱出,节省了蒸发式干燥工艺水分汽化需要的热量,提质装置循环利用工艺水与热能,技术节能。因原煤水分的被挤压,可降低运输成本30%,每处理100万吨,减少气化炉能耗折合燃煤约5.15万吨,减少气化废水量21.9万吨。

●安全:提质过程中褐煤不爆裂、不粉化,扬尘少;在线封闭式蒸汽处理、系统运行,无燃爆隐患。

●环保:废水成分简单、易处理,可处理成中水后作为循环水补水等回用,煤泥经压滤脱水后可送至热源燃烧。

 

3、技术可靠性


(1)国外拥有工程化实例,规模化生产稳定、可靠。

       K-燃料在美国长青公司开发过程中经历了实验室、小试、中试的技术开发全过程,并在美国政府的支持下于2005年在美国怀俄明州Fort Union建成75万吨提质工厂,并投入商业化运行,经过多年稳定可靠的运行,该项技术以完全实现了规模化工业化生产。


(2)提质效果经过广泛验证,对国内褐煤可靠可行。

       K-燃料技术引进国内后,在国内建立的实验室,对国内不同矿区的褐煤进行了反复实验验证,验证了“K燃料”技术对国内褐煤煤质的适用性和提质效果的显著性、稳定性,同时公司自己投入建设了中型验证装置,对国内褐煤进行了批量实验,进一步确定了技术在规模化应用中的可靠性、可行性。


(3)技术本土化,设备国产化。

       “K-燃料”美国Fort Union工厂的商业化运行,为本技术积累了大量生产运行经验,我们集中全部科技人员和力量对技术进行了消化吸收,目前“K燃料”专利技术全部本土化;在此基础上结合美国工厂运行经验与国内多个大型研究机构及设备生产厂商合作进行了工业化装置的国产化工作,大幅降低了装置投资,规划完成了《百万吨级年处理规模“K燃料”标准化提质工程》商业化运行所需的全部准备工作和设备采样。我们对建设一个具有示范性标准化提质工程项目的建设、运行具有充足的准备和信心。


四 “K燃料”技术运行系统方案设置说明


       “K燃料”运行系统建设方案按年处理原煤吨量级,设计不同的运行系统和建设方案。目前设计和制造能力可以达到有50万吨单机运行以及100万吨双机、200万吨双机、500万吨多机联动运行系统方案。建设“K燃料”提质项目主要建设工程包括:1.主提质装置系统、2.锅炉系统、3.原煤输送系统、4.循环水站系统(水冷时建设,采用空冷方式无需建设)、5.污水处理系统、6.变配电系统、7.空压站系统、8.原煤与产品煤储运系统。

 

系统工艺流程图例:

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五、“K燃料”系统投资成本及效益概况


1、“K-燃料”整体系统投资成本分析


(1)100万吨规模K-燃料处理成本例

       建设年处理100万吨规模全部系统,工程总投资约23974万元。吨处理褐煤的成本约45.8元/吨。对于一个矿而言,这就是它的全部投入和成本,收益显而易见就是(吨褐煤原煤价+45.8)与吨长烟煤(按同等热值)的差价。对于买方而言也是这个差价。


(2)500万吨规模K-燃料处理成本例

       建设年处理500万吨规模全部系统,工程总投资约98570万元。吨处理褐煤的成本约43元/吨。收益分析同上。


(3)単就投资“K燃料”主提质装置投资分析

       一套100万吨规模“K燃料”主提质装置的投资约9500万元(配套要求6.0Mpa、80t/小时的饱和蒸汽量),建设规模扩大到500万吨,“K燃料”主提质装置的投资约9500*5*80%=3.8亿元(配套要求6.0Mpa、400t/小时的饱和蒸汽量)。


       
以锡盟褐煤的产率70%左右为例,“K燃料”处理1吨褐煤的加工成本按50元计,褐煤成本以80元/吨计,1吨“K燃料”提质煤的成本为(80+50)÷70%=186元/吨。一个褐煤原煤设计用量500万吨煤制气项目,相当于优质块煤350万吨(K燃料),那么,年用煤总成本共计350*186=65100万元。如果块煤市场价格按340元/吨计,直接购买350吨需350*340=119000万元,两者相比,仅每年的用煤成本一项就可降低成本119000-65100=5.39亿元。按60%的负荷运营,1-2年节省的用煤成本即可建设一套500吨的“K燃料”主装置系统。

对已经具有配套系统的煤化工企业,単投资“K燃料”主装置系统,选用本技术其优势非常明显。

 

2、对直接使用褐煤的煤制气行业带来的综合效益指标


       
入炉煤水分减少,相应水分蒸发需要的热能减少,气化后续工段产生的废水量也相应减少,有助于降低气化能耗、减少废水处理量、节约废水处理成本。以碎煤加压气化炉型为例,原料用量500万吨/年,原煤水分≥30%,经K-燃料提质后,产品煤水分约12%。


       
经计算,采用K-燃料入炉可减少入炉煤水分约88万吨,减少水分蒸发消耗的热能约2.89×1012 KJ,折算热值为3300 kcal/kg左右的燃料煤约20.92万吨,燃料煤价格以90元/吨计算,每年可节约的能耗成本约20.92×90=1883万元。

同样,每年减少入炉煤水分88万吨,相当于减少气化废水量87.94万吨,气化废水处理成本以30元/吨计算,节约废水处理成本节约87.94×30=2638 万元。

 

       “K燃料”系统在投入上,主投入是一样的,建设的组合方式可以多样,可以充分利用现有资源,减少配套投入。在收益上,是以一个低廉的成本,让褐煤取得了长焰煤的价格和品性;在煤炭深加工领域减少了目前直接使用褐煤所带来的诸多问题,提质后的褐煤可以完全无障碍跻身各个相关煤炭领域。


六、结语


       
长青中美(北京)能源技术有限公司竭诚为褐煤产区煤炭经济发展、煤炭供给侧改革、褐煤清洁利用及深加工产业,提供科技成果保证和系统性、环保性、高能效、可持续性发展的解决方案。我们期待与你们在“K燃料”专利技术、建设、运营、投资、褐煤产地煤炭经济发展等各个领域的沟通与合作。

       我们密切关注来自于你们的结论。

 

 

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