褐煤提质炉 所属技术领域 [0001] 本发明涉及一种将高水分低热值的褐煤提升其品质的工业炉，所产提质褐煤以长途外运为目的。 背景技术 [0002] 全世界的褐煤地质储量约为4万亿T，占全球煤炭地质储量的40％弱。据20世纪末的统计，我国已有探明褐煤保有储量1300亿T，占全国煤炭总储量的13％左右。储量巨大。且埋藏深度浅，可采煤层厚，大多适宜露天开采，生产安全，开采成本低。 [0003] 但是其热值低(一般在2700-3600Kcal/kg之间)，水分高(全水分在26-40％之间)，毛煤松软，孔隙率大，易碎裂，比表面积大，易风化、氧化，燃点低，发火期较短，外运困难。内蒙是我国的褐煤主产区，根据规划，到2020年，内蒙的褐煤生产能力将达到8000万T/年，霍林河矿区将成为世界级的特大型褐煤露天矿。由于内蒙严重缺水，不可能大量发展坑口电站，所产褐煤必需外运。唯一的选择是将低品质的褐煤提质后外运。研制高效的褐煤提质技术仍当务之急。 [0004] 褐煤中的水有三类，即自由水、内在水和结晶水。当褐煤加热到100℃以上时，大部分的自由水能够被蒸发。当褐煤在常压下继续加热到150℃以上时，褐煤结合水(内在水)开始被脱除，羟基官能团(主要是-COOH)发生分解，析出CO2气体，同时将褐煤的结合水(内在水)排除。进一步提高温度，将导致越来越多的羟基官能团分解，从而引起褐煤的表面性质改变。结晶水是和灰份共存的水，要在更高的温度下才能分解。 [0005] 对于无需远途外运的提质褐煤，例如用于坑口电站的褐煤，仅需脱除自由水。需远途外运的提质褐煤，必需提高脱水深度，因为只脱除自由水的褐煤容易返潮。在更高的干燥温度下，由于大量的羟基官能团分解，导致褐煤内部的毛细孔倒坍和产生交联。毛细孔倒坍可以阻止水分进入毛细孔；而交联反应则能够对毛细孔进行密封，阻止倒坍的毛细孔在吸收水分时再膨胀。另外，当褐煤温度被加热到200℃以上时，其表面积会大大减少。表面积减少的主要原因是由于在高温干燥条件下引起褐煤内部的焦油的强烈迁移，即焦油由毛细孔内部向毛细孔外部迁移。迁移到毛细孔外部的焦油在冷却过程中，由于焦油冷凝，从而对毛细孔进行密封，并使褐煤的表面积减少。 [0006] 由于上述过程，即毛细孔倒塌，交联和焦油迁移对毛细孔形成密封，结果褐煤变得越来越疏水，同时也能够观察到褐煤的硬化，这也导致褐煤的刚性结构的形成。其结果就是褐煤能够从软煤转换为硬煤，由亲水性转换为疏水性，从而可以实现褐煤的长途运输。 [0007] 褐煤的这种最佳提质温度是褐煤的一种特质，有的褐煤可能是250℃，而有的褐煤可能要高达550℃以上，即达到低温干馏所需的温度，这应由实验确定。因此，本发明对褐煤的这种最佳提质温度未加限定。 [0008] 公知的以长途外运为目的褐煤提质技术有多种。 [0009] 可以把它们分类如下： [0010] 1.加热汽化： [0011] 1.1气体热载体： [0012] 1.1.1滚筒提质该技术可以将褐煤水分降至15％左右，脱水率高，热值提升 [0013] 至4500kcal/kg左右。其原理是将料煤经破碎至0-50mm后放入充满约500℃的高温热风的滚筒。在倾斜转动的滚筒内，由滚筒壁上的扬料板使褐煤在干燥筒体内行程稳定的形成全断面料幕，使烟气与原煤充分交换热量，交换时间在30分钟左右，从而使褐煤得到干燥。 [0014] 1.1.2振动混流提质将原煤破碎至35-50mm，经过热风干燥机干燥。干燥机为密闭式箱体，内设4-5层“之”字型振动式斜面筛网。热风炉产生的高温热风经过与冷风混合至 230℃左右形成的中温热风从下而上的穿过干燥箱。煤粒从上而下的经过振动筛面，细颗粒从网眼中漏下，很快完成干燥，粗颗粒则缓慢经过筛面滚落而下，可脱去褐煤水分10％左右，热值提升至3500kcal/kg左右，单台设备干燥能力较大，可以达到300万吨每年，但脱水率低。 [0015] 1.1.3带式炉提质使用热风干燥，但该技术所使用的热风温度可以高达300℃，采用预热、干燥和冷却过程，除了对褐煤进行干燥外，还能改性提质一分解了含氧官能团，使部分氧原子析出，从而使脱水率更高。褐煤放置在网状耐热金属带上输送，经过风机产生的强力风穿过网状输送带的网孔和褐煤之间的间隙与热风进行热量交换，使褐煤得到干燥和改性提质。可以将褐煤水分降至10％以下，热值提高到5000kcal/kg以上。 [0016] 上述几种提质技术的共同缺点是：单台处理量不大；热效率不高；需要运动机构，结构复杂、造价贵、事故率高。 [0017] 1.1.4美国MR&E公司褐煤干燥及干馏提质(LFC)技术在竖式旋转炉中，用烟气作为热载体，对褐煤进行干燥(烟气温度＜300℃)或低温干馏(烟气温度～550℃)。1000吨/天的商业化示范工厂，已成功运行了五年之久(1992年～1998年)，同时完成了处理能力为500万吨/年(3×165万吨/年·套)规模的商业化工厂的工程设计。据称，此技术是目前同类技术中商业化程度最为成熟的一种。但仍需要运动机构，结构复杂、造价贵、事故率高。 [0018] 1.1.5竖井式炉提质我国大唐国能煤干燥有限公司在鲁奇炉的基础上经过改进的建成了1200T/d的商业化提质炉，已成功运行了数月。 [0019] 竖井式炉是处理块状物料的一种重要工业炉。如高炉、煤气炉、立式石灰窑、煤和油母页岩低温干馏炉……都有大规模的工业应用。对于这类炉子的布料、布气和传热、传质以及气体的流动规律均有深入的研究。对于在热加工过程中不发生粘结的褐煤来说，是首选的工业炉。这是由于：竖井式炉中气体热载体与被加工的块状固体直接、逆流换热，总传热系数大，热加工产物(如水蒸汽、煤气和焦油)随上升的气体带出外排，块状固体物料在炉内靠重力自动下移，无需外加机械力，和相应的机构，且处理强度大。 [0020] 但是不可讳言，大唐国能煤干燥有限公司在鲁奇炉的基础上建成的提质炉，操作的稳定性尚有待较长时间的运行考验。而鲁奇炉会因粉尘引起的堵塞严重影响操作周期的长短。 [0021] 1.2固体热载体：大连理工大学的固体热载体低温干馏工艺，在上世纪80年代作过20T/d的工业性试验，目前在进行500万T/年的工业示范项目的前期阶段。尚有一个完善和成熟过程。 [0022] 2机械法 [0023] 2.1热脱水法该法是将水在液态下脱除，热源为过热蒸汽，工艺过程的温度约 235℃。为使褐煤中水分不汽化，系统压力应大于在该温度下的饱和压力，约 为3MPa左右。 该法的优点是在液态下脱除水，工艺过程中的废热蒸汽可分级利用，故能耗低。其缺点是水分脱除不完全，干煤含水量约为23％。 [0024] 2.2机械脱水法该法是在约100℃、小于16Mpa压力下使褐煤脱水。能耗最低，但对设备要求高，目前尚处于实验室研究阶段，未见工业应用的报导 [0025] 2.3热压脱水法中国专利200710010607.8公开了“褐煤干燥提质一体化加工方法及其设备”。将200℃～400℃的高温烟气通过管道从高温烟气入口接头送入轧辊中的高温气腔中将轧辊加热，用于烘干褐煤；再将褐煤从原煤料仓经螺旋送料器均匀的送入主进料器中，开启压料器电机，通过压料器将褐煤压到加压装置中的轧辊之间，经20～80吨压力挤压，将褐煤中水分脱除到1-5％以下；经高温挤压的煤料成为φ5～10mm的柱体。 [0026] 我国神宝公司褐煤提质工业试验性项目，将神宝公司露天矿产褐煤通过两级破碎变成3毫米以下的原煤后，再通过烘干挤压成型为洁净煤，发热量将由原来的3700kcal/kg提升为5500kcal/kg以上。目前，尚有一个完善和成熟过程。 [0027] 竖井式炉是褐煤提质首选工业炉。但是现有的鲁奇炉和在鲁奇炉改进的大唐提质炉存在着以下一些难题：褐煤从加料口到出焦口行程高在16米以上，而褐煤的强度低，易粉化，某些褐煤在脱除自由水分时，如干燥速度过快，易发生热崩现象。魯奇炉运行经验证明：粉尘引起的堵塞要严重影响操作周期的长短，温度分布不均要严重影响炉子的效率。 [0028] 最后，和所有竖井式层状炉一样，在鲁奇炉基础上改进的大唐提质炉对入炉的炉料块径有严格的要求(块径一般为25-60mm)，它们不能处理粉料，而粉料的产量可高达 40％。这是这类炉子的又一个严重的缺点。 [0029] 包括鲁奇炉在内的所有竖井式炉，气体热载体都是沿整个炉内的截面垂直向上流动，其迎风面很小，限定为炉内的截面，气体热载体在炉内的行程是炉料的整个高度，气体热载体流径长，故气体热载体的流阻很大。 [0030] 由于炉料有一个块径范围，又有集析现象(大唐提质炉在干燥段和干馏段间采用了和魯奇炉一样的小通道，使集析现象更加严重)，因此，在沿炉的截面上，炉料的孔隙率是不同的，对于方形的鲁奇炉而言，孔隙率的大小呈条状分布，对于圆形的竖井式炉而言，孔隙率的大小呈同心环状分布。众所周知，孔隙率大的通道阻力小，气体热载体的通量大，而孔隙率小的通道阻力大，气体热载体的通量小。其结果是使炉内气体热载体流量分布不均，也使温度分布不均，影响炉料热加工的进行。而易粉化的褐煤更加剧这种不均匀性。 [0031] 此外，干燥是褐煤提质的一个重要程序，应根据不同矿区的褐煤的干燥过程的特性，来制订干燥工艺。例如：要根据褐煤的热崩性来确定干燥速度；要根据褐煤在多高的干燥温度下，就没有再吸湿性；要根据褐煤的固态产品的下游用途对耐磨性、强度、反应活性、燃点…的要求，来制定热加工的最终温度，必要时可提高到550-600℃，以满足下游用户的要求。遗憾的是现有提质炉，对这些个性化的要求，并未予关注，也缺乏必要的技术措施。 发明内容 [0032] 为克服竖井式褐煤提质炉的上述缺点，本发明提供了一种褐煤提质炉。它是一种通过气体热载体使褐煤提质的工业炉，它是由布料器，竖井式炉体，煤气燃烧炉(提供热源)，循环风机，气体混合室，导气槽，集气槽，气体导进、导出管系和卸料机所组成。其特征在于：所述竖井式炉体内有多条导气集道和导气槽，在所述导气集道的作用下，炉料面呈多个W形，在所述导气槽和其中隔板的作用 下，气体热载体呈多条、多层Z形流动，在狭窄煤层中与垂直下降的煤作水平方向的流动，与煤进行热、质交换。 [0033] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。 附图说明 [0034] 图1是褐煤提质炉的结构示意图，图2是图1的A部放大图，图3是图1的B部放大图。图中：1.布料器，2.外排干燥烟气集道，3.外排干燥烟气导出支管，4.干燥段导气槽，5.干燥段导气槽隔板，6.干燥段循环气集道，7.干燥段循环气导出支管，8.干燥段导气槽，9.干燥段导气槽隔板，10.干燥段干燥烟气导入支管，11.干馏段干馏产物集道，12.干馏段干馏产物导出支管，13.干馏段导气槽，14.干馏段导气槽隔板，15.干馏段热载体导入支管，16.冷却段煤气导出支管，17.冷却段导气槽，18.冷却段导气槽隔板，19冷却段冷却煤气导入支管，20.卸料机，21.干燥段循环风机，22.干燥段燃烧和混合器，23干馏段循环风机，24干馏段燃烧和混合器，25吹灰风机，26旋风除尘器，I段.煤封段1，II段.预干燥段，III段.干燥段，IV段.煤封段2，V段.干馏段，VI段.煤封段3，VIII段.冷却段。 具体实施方式 [0035] 参见图1。将筛分的原料褐煤由炉顶加入，经布料器1均布，依靠炉底卸焦机不断将成品外排和重力作用下，自动向下移动，至I段煤封段1，此段的作用是保证空气不倒串入炉内可能引起着火或爆炸，为此，应使干燥烟气在煤层表面为微正压。 [0036] II段为预干燥段，这段的顶部有一排外排干燥烟气集道2，在它们布料下，炉料面呈多个W状，外排干燥烟气经外排干燥烟气导出支管3汇集后外排，所述外排烟气露点很高，对某些严重缺水的地区应回收利用。由申请人发明的“一种从高露点褐煤干燥烟气回收水的方法”中国专利2010101519277公开了这种方法。对于某些热崩性高的褐煤，可将部分外排高露点烟气有控制的通过干燥段循环风机21进行循环，以调控干燥段的干燥速度。 [0037] 由干燥段上窜的烟气经干燥段导气槽4、和百叶窗，在隔板5的作用下，呈多条、多层Z形多次穿过窄煤层(参见图2)，与煤进行热、质交换。 [0038] III段为干燥段，从干燥段燃烧混合器22来的干燥热载体烟气从底部导入，温度应低于褐煤焦油热分解温度，约250℃以下。为降低干燥段燃烧产生烟气的温度，在干燥段的上部用干燥段循环风机21抽出干燥段的排气，在干燥段燃烧混合器22中混合降温。离开干燥段的褐煤温度在150-180℃左右。 [0039] 干燥段中有原料带入的原生煤粉，和因磨损、热崩产生的次生煤粉，会严重影响整个热加工的顺利运行，所有竖井式炉的运行实践表明：粉尘堵塞是影响炉子作业率和效率的最重要因素。为此，本发明在干燥段特别设置了除尘系统。在循环气导出支管的对侧，沿导气槽隔板上方布置有吹扫口，不定期用循环烟气吹扫。所述循环烟气是用吹扫循环气风机25，将循环烟气升压送到吹扫口，在循环烟气的出气管道上，设置有旋风除尘器26。 [0040] 第IV段是煤封段2，其作用是防止干燥段的烟气与干馏段的煤气相互窜通，鲁奇炉这一段是采用煤封效果好的小通道，鉴于多数褐煤在干燥后的耐磨性很差，这里没有采用小通，因为在小通道中，煤的下降速度快，会加剧磨损。当然，对于一些干燥后的褐煤如有足够的耐磨性，仍可以采用小通道。 [0041] 第V段是干馏段，这一段的作用是使褐煤进行深度热加工。褐煤提质的主要任务 是去掉水分以提高发热量。以外运为目的褐煤提质必须考虑干燥后的褐煤的吸湿性。仅脱除自由水的干燥褐煤，由于内部结构变化很小，比表面很大，吸湿性很强，不能外运。必须进行深度热加工。一般褐煤在加热到180℃以上时，羟基官能团(主要是-COOH)发生分解，析出C02气体。进一步提高温度，将导致越来越多的羟基官能团分解，从而引起褐煤的表面性质改变，随着温度进一步提高，大量的羟基官能团分解，导致褐煤内部的毛细孔倒坍和产生交联。毛细孔倒坍可以阻止水分进入毛细孔；而交联反应则能够对毛细孔进行密封，阻止倒坍的毛细孔在吸收水分时再膨胀。另外，一般褐煤温度被加热到200℃度以上时，其表面积会大大减少。表面积减少的主要原因是由于在高温干燥条件下引起褐煤内部的焦油的强烈迁移，即焦油由毛细孔内部向毛细孔外部迁移。迁移到毛细孔外部的焦油在冷却过程中，由于焦油冷凝从而对毛细孔进行密封，从而使褐煤的表面积减少。由于上述过程，即毛细孔倒塌，交联反应和焦油迁移对毛细孔形成密封，结果褐煤变得越来越疏水，同时也能够观察到褐煤的硬化，这也导致褐煤的刚性结构的形成。其结果就是褐煤能够从软煤转换为硬煤，由亲水性转换为疏水性，从而可以实现褐煤的长途运输。这一任务是在干馏段实现的。 [0042] 由干馏段燃烧混合器24来的600-650℃左右的高温热载体送到干馏段底部多条干馏段热载导入支管15和干馏段导气槽13，经百叶窗，在干馏段导气槽隔板14的作用下，呈Z形多次穿过窄煤层(参见图3)，与煤进行热、质交换。为降低干馏段燃烧产生烟气的温度，用干馏段循环风机23抽出冷却段的煤气，在干馏段燃烧混合器24中混合降温到 600-650℃。 [0043] 应指出的是，褐煤深度热加工的适宜温度是褐煤的一个性化指标，应由实测来决定。本发明不能限定。当所述褐煤深度热加工的适宜温度超过褐煤焦油分解温度时，就会有焦油析出，应予以回收利用。 [0044] 离开干馏段的半焦温度约550-600℃，再经第VI段煤封段3后，进入到冷却段。 [0045] 第VIII段为冷却段，其作用是将半焦冷却避免自燃，同时又回收半焦的热量。冷却后的半焦经卸焦机20外排。 [0046] 有益效果 [0047] 本发明在炉内的截面上均布多条集气道，煤表面呈多个W形，使集析现象大为弱化；特别是使气体热载体多条、多次呈Z形穿过狭窄煤层，亟大地扩展了迎风面面积；又缩短了气体热载体在煤层中的行程；使与煤的热、质交换更为均匀。 [0048] 本发明适宜加工小块径(≤25mm)和易粉化的褐煤。 [0049] 计算表明，较之现有炉型，本发明的迎风面积可增大一个数量级；气体热载体在煤层中的行程，可减少一个数量级；阻力可降低近两个数量级；仃留时间可减少40-60％。