浅析褐煤应用技术
Analysis of lignite application technology
摘要:进入十二五，褐煤的开发利用越来越被重视，本文系统的介绍了我国褐煤的工业用途，简述了各种工艺特点及开发的前景方向。
关键字： 褐煤 工艺 应用技术
Abstract: Into the Twelve Five, the development and utilization of lignite is increasingly being taken seriously, the thesis present the industrial use of lignite systematic and outlined a variety of process characteristics and development prospects direction.
0 引言
褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤，可分为硬褐煤和软褐煤，褐煤孔隙率高，化学反应强，煤中含氧量大（15%~30%），大部分以官能团的形式存在，以酚羟基（—OH）为主，其次是羧基（—COOH）和羰基（=CO），甲氧基（—OCH）较少[1]。在空气中容易氧化，不易存储和运输。
褐煤的用途十分广泛，含有丰富的腐植酸和褐煤蜡，褐煤提取的腐植酸可以改良土壤，促进农作物的生长，也可以作为深井钻探所用泥浆的调整剂，提高转谈质量。褐煤蜡是制造涂料、油漆、橡胶添加剂、润滑油和高级蜡纸的原料，深加工潜力巨大。据第三次全国煤炭资源调查，我国已探明的褐煤保有储量为1311.42亿t，约占煤炭保有储量的13%。以内蒙古东北部地区最多，约占全国褐煤保有储量的3/4，西南地区以云南省为主占1/5，东北、华北和中南地区的褐煤仅占全国的5%左右[2]。
1 传统褐煤应用技术
1.1 褐煤制活性炭
褐煤制得的活性炭在工艺和产品上具有如下特点:褐煤反应性高，易于活化，设备生产能力大；价格低廉，易于获得；与烟煤相比，褐煤无需破粘等特殊处理，工艺过程简单；褐煤质地软，多用于制软质粉状活性炭，其产品具有敞开孔隙结构，微孔容积，比表面积，碘值较低，焦糖等大分子吸附量高。
现在成熟的制造工艺为褐煤半焦压块活化工艺，即先把褐煤炭化成半焦，然后粉碎至0.1mm以下，加沥青粘结剂成型压块，破碎压块后加入活化炉活化，经筛分和磨细可制得粉状和粒状活性炭，澳大利亚和欧洲均采用此工艺。美国的酸洗工艺制得活性炭表面积达3000m2/g。国内大连理工大学采用扎兰诺尔褐煤加碳酸钾制得活性炭表而积可达1600 m2/g；采用平庄褐煤加入氯化钾制得活性炭表面积为1200 m2/g；采用黄县褐煤加碳酸钾快速热解制得了碘值为520mg/g的活性炭。
流化床一步法制造活性炭是近年来发展的煤制活性炭新工艺。该法将原料筛分后直接送
入流化床，在初始流化速度下炭化和活化，活化温度和活化气体分布均匀，可有效地活化原料。既可处理粉状又可处理粒状原料，生产工艺还简单，受到了高度重视[3]。
1.2 制褐煤蜡
褐煤制褐煤蜡历史悠久，1905年就已工业投产。褐煤蜡来源于成煤植物的有机化合物，它没有致癌作用，广泛应用在日用品、轻化工、纺织、造纸等工业。
由褐煤提取褐煤蜡，通常采用萃取的方法，选取合适的萃取溶剂是关键技术，其次由工艺决定。大多工艺采用多次错流萃取和多级逆流萃取，萃取效果好，但是溶剂消耗量大，能耗高。用二氯乙烷/乙醇混合液作为萃取剂，采用多级逆流循环萃取方式工艺，对褐煤蜡进行粗蜡脱树脂，蜡的氧化精制，制得了性能优良的十余种蜡制品[4]。
1.3 热干燥脱水发电一体化
褐煤在高温下经受脱水和热分解作用后转化成具有烟煤性质的提质煤，日立公司的一体化加速旋风提质干燥工艺具有代表性。
该工艺把褐煤电厂锅炉和褐煤提质干燥一体化，利用电厂的锅炉烟气进行提质干燥。全过程分为2个阶段：一是加速剪切提质干燥阶段：颗粒的外在水分几乎全部气化，内在水分约50%~60%气化，煤的表面在高温烟气的作用下向接近烟煤的性质变化。煤失去一部分结晶水；二是旋风紊动提质干燥阶段：煤在巨大的离心立场下，与烟气分离，煤的内在水分进一步被气化，煤的结构进一步破坏，失去50%左右的结晶水。褐煤经过这两个阶段的提质干燥作用，含水率大幅降低，结构被很大程度的破坏，变成了具有烟煤特性的优质动力煤[5]。
1.4制水煤浆
水煤浆技术可分为常规水煤浆技术、精细水煤浆技术、低热值煤泥水煤浆和低阶煤水煤浆技术。低变质煤由于较高的内在水分不能直接制浆，褐煤含水率高只能用加热蒸发的方式进行脱水，传统的干燥方法是利用烟道气与褐煤直接接触使之受热，水分蒸发而干燥，效率高；由于褐煤燃点低，干燥过程中局部过热，使煤质变坏，且干燥后水分复吸严重。采用热水干燥与制浆工艺可解决该为题，热水干燥工艺即将煤水浆装入高压容器内，密闭后抽真空后加热，模拟煤在自然界中高温高压的变质过程，使褐煤改质。可制得浓度为60%的低阶煤水煤浆[6]。
2新应用技术及实验研究
2.1 太阳能干燥褐煤
我国褐煤产地的太阳能资源丰富，全年日照时数为2200~3300h，每平方米上一年内接受的太阳能辐射总量为5016~8400MJ，具有良好的利用条件；褐煤颜色深，对太阳能吸收率高，在太阳能辐射下能达到较高温度，能高效去除褐煤内在水分，太阳能非聚焦集热一般温度在100摄氏度以下，能避免高挥发分褐煤干燥过程中存在的安全隐患。
太阳能辐射强度是褐煤太阳能干燥的关键因素，直接影响褐煤温度和空气的温湿度。物料的外部形状、堆积方式和物料的内部特性也影响干燥效果，将自然摊晒和太阳能干燥条件下褐煤干燥比较可知，自然摊晒下褐煤温度仅为53度，太阳能干燥技术将褐煤干燥温度提高到78度，最终能将褐煤的水分由23.08降至4.61%，而自然摊晒仅为10.82%。因此，太阳能干燥技术有效地利用太阳能，提高了褐煤的干燥温度，加快褐煤的干燥速率，缩短干燥周期，达到更好的干燥效果[7]。
2.2微波热解技术
褐煤传统的热解工艺具有热解速度慢能耗高等缺点，并且不能获得具有较好利用价值的热解炉气，微波热解褐煤，可使褐煤内外部同时受热，对加热物质具有一定的穿透作用，热解速度快，在实验条件下，17min即可将褐煤热解过程进行完毕，热解速度较常规方法快，对榆林褐煤热解实验的实验炉气，其有效成分浓度较高，可进一步作为化工原料进行处理，并且热解后的煤成分达到兰炭的要求[8]。目前，微波热解褐煤刚刚处于实验室阶段，报道很少。
2.3微生物降解褐煤
1981年，德国的Fakoussa首次利用硬煤作为微生物生长的唯一碳源和能源研究煤的微生物转化利用，一年以后，Cohen和Gabriele采用两株白腐菌Polyporus versicolor和Poria monticolor接种高度风化的褐煤，使其完全液化，为研究褐煤的转化利用问题提供了一个新的思路。
褐煤是由芳香化环组成并由盐桥、脂肪链等连接起来的大分子网状结构化合物，它很难进入微生物细胞内，所以褐煤的生物降解是由微生物分泌到细胞外的一些碱性物质、生物酶、螯合剂、表面活性等起作用的。目前已报道的降解褐煤的微生物大多是木质素
降解菌,A.Maka却报道了一些能在褐煤存在条件下分泌碱性物质的非木质素降解菌,也具有降解褐煤的活性,而降解褐煤的微生物却不一定可以降解木质素[9]。对降解产物的生物活性研究表明:微生物降解褐煤产生的腐植酸，与未降解的褐煤腐植酸相比，前者对土壤微生物区系具有明显的刺激作用，对种子发芽和幼苗生长具有刺激作用，对大豆根瘤菌在大豆上的结瘤具有明显的促进作用，对箩卜枯萎病病菌、土壤脲酶活性具有抑制作用，其中最令人瞩目的是降解产物具有分子固氮活性(由降解前的1·28%增至3·41%)，表明褐煤经微生物降解后其腐植酸生物活性明显增强[9]。
2.4褐煤液化
液化是通过化学方法将褐煤转变成液体产品，分为直接液化和间接液化。目前用于褐煤液化的方法是直接液化。褐煤碳含量比烟煤低， H/C高，且结构单元中有较多的羧基、氧桥、羰基和亚甲基，是比较容易直接液化的煤种。褐煤直接液化过程一般为：煤糊制备、液相加氢、气相加氢和产品精制等四个阶段。典型且成熟的工艺有溶剂精炼煤法、德国直接液化新工艺—IGOR工艺、氢—煤法、HTI工艺、Exxon供氢体溶剂法、神华煤液化工艺。目前褐煤液化工业投产的只有云南先锋煤液化厂，采用直接液化技术，规模为年处理(液化)褐煤原煤257万t，气化(含发电17万kW)用原煤253万t ，合计年用原煤510万t。年产汽油、柴油和液化石油气等102万t。总投资为102亿元，生产成本为17美元/桶，具有良好的经济效益和社会效益[10]。
2.5 褐煤气化
褐煤气化指以褐煤为原料，以氧气(包括空气、富氧和纯氧)和水蒸气为气化介质，在气化炉内的高温条件下，将煤中所含的碳、氢转化为一氧化碳、氢气等有效成分。褐煤气化包括两个步骤:首先进行初步热解制得半焦、焦油及煤气，然后发生焦炭的气化反应。主要的气化方法可分为：移动床气化、流化床气化、气流床气化。移动床气化分为：混合发生炉煤气、水煤气生产、移动床加压气化；流化床气化分为：常压流化床气化工艺、加压流化床气化工艺、比较成熟的温克勒气化工艺；气流床气化可分为：K—T气化法、谢尔气化法、德士古气化法、四喷嘴对置式水煤浆气化技术、GPS气流床气化技术。煤气的有效成分是CO、H2和CH4。可用做工业煤气、城市煤气等燃料，可用做化工合成气，可用做IGCC，可用做冶金还原气，可制羰基化产品，可综合利用，回收苯、酚等产品。
3结语
本文仅是粗略的介绍了长期以来褐煤的加工利用，还有一些体质技术未能详细介绍，随着烟煤及无烟煤的进一步减少，褐煤的开发利用已被高度重视，其具有广泛的利用途径，不能仅仅把它作为一般燃料而白白烧掉，在当今倡导节能减排的大的社会形势下，既要做到褐煤资源的合理利用，又要尽量减少对环境的污染排放。在传统的利用技术基础上积极进行新技术的开发与应用。
参考文献
[1] 戴和武，杜铭华，谢可玉，等 . 我国低灰分褐煤资源及其优化利用 ［J］． 中国煤炭，2001，27 ( 2) : 14 －18．
[2] 尹立群.我国褐煤资源及其利用前景[J].煤炭科学技术 ，2004，32 (8）:12-14.
[3] 杨绍斌等.褐煤制活性炭[J].煤炭转化1994.2
[4] 张声俊等.褐煤蜡的工业制备及精制技术[J].2011.
[5] 陈海旭. 我国褐煤燃前脱灰脱水提质现状.煤炭科技*加工转化.
[6] 董平.洁净煤与褐煤水煤浆技术.应用能源技术97/3
[7] 罗炉林.太阳能干燥褐煤的实验研究.
[8] 马红周.微波热解的实验研究.煤炭燃烧
[9] Maka A, Srivastava VJ, et al.. Biological solubilization of untreated North Dakota lignite by a mixed bacteral and mixed bacteral/fungal cul-ture. Appl Biochem Biotech, 1989,20/21:715~729
[10] 袁红莉等.不可再生能源物质褐煤的生物可持续发展问题展望.院士论坛
[11]黄建湘.褐煤煤化工利用现状及前景.广州化工.2011
[12]董洪峰.我国褐煤的综合利用途径及前景展望.煤炭技术.2008.9
