煤泥利用现状及分析

　新技术新工艺　２０１２年　第９期　６６　　　《新技术新工艺》加工工艺与研究煤泥利用现状及分析程　川，何　屏（昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明６５００９３）摘　要：随着煤炭行业规模化和集中化程度的提高，煤泥产量也大幅增加。由于煤泥不能被充分利用，造成了资源堆积和污染，因此如何有效利用这些资源变得刻不容缓。本文对国内煤泥利用的现状和问题进行了分析，探讨了煤泥掺烧、煤泥制浆燃烧以及型煤型焦等具体应用的优缺点，发现阻碍煤泥大规模利用的关键是其含水率，并就目前国内的煤泥干燥及存在的问题进行了讨论分析，为促进今后煤泥的利用提出了相关建议。关键词：煤泥；含水率；燃烧；利用中图分类号：ＴＫ　０９　　文献标志码：ＡＳｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　ＳｌｕｒｒｙＣＨＥＮＧ　Ｃｈｕａｎ，ＨＥ　Ｐｉｎｇ（Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ　ａｎｄ　ｃｅｎｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｉｔｈａｓ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｕｓｅ　ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｆｕｌｌｙ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ，ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ，ｃｏａｌ　ｗａｔｅｒ　ｓｌｕｒｒｙ，ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｃｏｋｅ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　ａ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎ－ｔｅｎｔ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｏ　ｈｉｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｕｒｒｙ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｂｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｌｕｒｒｙ　ｄｒｙｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ．Ｗｈｉｌｅ　ｉｔ　ｗｏｕｌｄ　ｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｔ　ｖａｌｕｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｓｌｉｍｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏａｌ　ｓｌｕｒｒｙ，Ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ，Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　　我国是煤炭生产和消费大国，环保和可持续发展要求煤炭洁净利用。煤炭洗选是洁净煤最重要的手段之一，煤泥是洗选过程的一种副产品。“十一五”期间，煤炭行业加大了原煤入洗量，原煤入洗率由２００５年的３１．９％提高到２０１０年的５０．９％，按照近年来的原煤入洗率以及１０％的煤矸石煤泥产出率进行估算，２０１２年预计有２亿吨的固体废弃物需要综合利用，见表１［１］。表１　２００８～２０１２年洗选固体废弃物产量及预计产量［２］（１０６　ｔ）２００８年２００９年２０１０年２０１１年２０１２年１２４．９９　１２７．７１　１６４．９２　１８６．５６　２０３．２８　　根据对我国１９０座洗煤厂的调查，约７０％的煤泥就地排放和堆放［３］。煤泥大量堆积会导致遇水流失、风干飞扬，而作为废料排放，其环保问题又比洗煤矸石大得多。因此，如何利用好不可再生的煤炭资源，提升煤泥的附加值，已成为煤泥综合利用迫切需要解决的问题。１　煤泥性质及利用特点煤泥具有粒度细、持水性强、灰分高、黏度大等特点，一般含水量在３０％左右，灰分多在４０％以上，发热量依各地煤质不同，约为８．３７～１８．８４ＭＪ／ｋｇ。根据洗选目的，煤泥可分为炼焦选煤浮选煤泥、动力选煤煤泥和矿井排水冲刷煤泥。其中，炼焦煤泥性质与洗选矸石或中煤类似；动力选煤煤泥一般产量大且质量稳定；矿井排水冲刷煤泥属于煤矿的脏杂煤泥，一般数量不多且质量不太稳定。根据煤泥回收工艺的不同，其物理性质也有较大差别［４］。如圆盘真空过滤机煤泥滤饼水分为２８％～３２％；压滤机煤泥滤饼水分为２２％～２６％；高频筛上煤泥水分为２５％～３０％。煤泥因其高水、高灰的特性，呈黏稠状，难以运输且装卸麻烦，同时还会大大增加无效运输量，其中较低的热值对于燃烧或炼焦会造成不利的影响，这些都严重影响了煤泥的工业利用价值。２　煤泥的主要利用形式根据煤泥水分、灰分和发热量的不同，目前主要用于锅炉燃烧、制作型煤、型焦及其他用途，其中锅炉燃烧是目前国内最普遍的煤泥利用方法。２．１　湿煤泥干燥后燃烧对湿煤泥进行强制干燥可以改善其湿黏特性和　加工工艺材料研究　《新技术新工艺》加工工艺与材料研究６７　　　燃烧特性，称为干法利用，可提高发热值。以含水量３０％的湿煤泥为例，水分每降低１％，发热量就可提高１．４３％。煤泥干燥后，既可作为动力煤单独燃烧，也可根据实际需要与其他煤种掺烧。电厂燃烧或掺烧干煤泥不需要对现有锅炉及进料系统进行特别改造，但要注意的是，由于煤泥的高灰分特性，会导致排风除尘系统负荷增加和锅炉受热面的磨损加大。锅炉掺烧煤泥具有很好的经济性，以陕西榆林市神东矿区大柳塔煤泥掺烧为例［５］，掺烧比例为５０％、６０％、７０％、８０％、９０％和１００％，掺烧锅炉为ＹＧ．７５／５．２９．Ｍ１２型７５ｔ／ｈ循环流化床锅炉，大柳塔煤泥空气干燥基高位发热量Ｑｇｒ，ａｄ为２５．６７７ＭＪ／ｋｇ，全水分为３３．１９％，干燥至含水率１０％以下，分析结果如图１所示。图１　煤泥掺烧综合成本分析由图１可知，随着煤泥掺烧比例的增加，综合成本不断下降。在实际生产中，企业可根据锅炉负荷、运行需要等因素综合考虑，按比例掺烧或完全燃烧干煤泥。近年来，煤炭价格不断上涨，火电行业经营压力增大，企业只有挖潜增效，降低成本才能摆脱困境，而合理利用煤泥燃烧发电是降低成本的一个有效途径。２．２　湿煤泥直接燃烧湿煤泥直接入炉燃烧又称为湿法利用，与干法利用相比，无须配置干燥设备，但湿煤泥在炉内燃烧同样需要消耗热量蒸发所含水分。虽然从能量利用角度来说二者消耗热量相同，但湿法利用消耗的是锅炉内的高品质能量，所以会对锅炉运行产生较大影响。湿煤泥在锅炉中燃烧主要应解决以下２个问题：１）如何在锅炉内实现稳定、高效燃烧；２）充分考虑高水、高灰对锅炉系统的影响。湿煤泥直接投入流化床燃烧后，会在床内出现凝聚结团现象［６－８］。煤泥适度的凝聚结团有益于流化床沸腾燃烧，但如果任其发展则会危及运行；所以湿煤泥稳定燃烧的关键就是处理好凝聚结团现象，而不同的投料方式对煤泥结团燃烧性有不同的影响。按其投料入炉方式不同，可分为炉顶给料、中部给料和下部给料３种，其各有优劣，实际生产中可根据情况选择。湿煤泥由于其高水、高灰特性，在同等热量输入下，相比燃煤，其飞灰浓度和烟气体积增加１０％～１５％。这些变化将会给锅炉对流受热面的传热、积灰、结焦和磨损以及引风机和除尘器的工作带来负面影响，还会使机组低负荷时安全性降低，在湿煤泥掺烧锅炉改造时应予以重视［９］。但是只要合理改造运行，燃烧湿煤泥仍具有较好的经济、技术及环境效益［１０－１１］。表２为山东兖州济三电力公司１台４４０ｔ／ｈ循环流化床锅炉掺烧煤泥与只燃用中煤的技术参数的对比。表２　掺烧煤泥与只燃用中煤的技术参数比较项目只燃用中煤掺烧煤泥下部床温／℃８８５　９００中部床温／℃９００　９２０炉膛出口温度／℃８２０／８３０　８４０／８５０一次风量／ｍ３·ｈ－１　１６０　０００　１６５　０００二次风量／ｍ３·ｈ－１　１８５　０００　１９０　０００含氧量（％）４．２　３．５床压／ｋＰａ　７．５　６．８主蒸汽流量／ｔ·ｈ－１　４１２　４１３主蒸汽温度／℃５３５　５３５排烟温度／℃１４３　１４８排渣次数／次·ｈ－１　６　２渣含碳量（％）０．８６　０．９３灰含碳量（％）２．５　３．５燃料用量／ｔ·ｈ－１　１００　６０＋３８燃料价格／元·ｔ－１　４００　１５０　　由此可见，掺烧湿煤泥完全达到了设计要求。通过不断改造完善，该公司很快由以烧中煤为主过渡到以烧煤泥为主，由设计用２５％燃用煤泥逐步达到现在的６０％左右，低负荷时可达到１００％燃烧煤泥，从而降低了发电成本，提高了经济效益。２．３　煤泥制浆燃烧煤泥水煤浆是在高浓度水煤浆基础上发展起来的一项煤泥综合利用技术。煤泥水煤浆在锅炉内燃烧，具有燃料燃净率和热效率高、污染物排放指数低、环境影响小等优点。而且煤泥特性也很适宜制浆，如煤泥粒度细，不需要预先磨矿。因灰分高，煤泥表面亲水性良好，在同样浓度下，煤泥制浆的稳定性相比水煤浆增加，成浆性良好，可以少加或不加添加剂；所以制浆系统简单，生产成本低。图２为一般煤泥制浆流程图［１２］。　新技术新工艺　２０１２年　第９期　６８　　　《新技术新工艺》加工工艺与材料研究图２　煤泥制浆流程图煤泥、添加剂（酌情添加）与水混合后被送入磨机磨浆，磨后产品经过滤、搅拌调浆。制成的煤泥浆可根据锅炉参数进行调整，以满足实际燃烧要求。煤泥水煤浆一般含水率在４０％左右，它的热损失很大，燃烧特性差，烟气体积增大。因此，除了要保证煤泥浆的良好雾化外，对燃烧设备及燃烧条件等要求较高［１３］，仅适宜于对热负荷要求不高的情况。煤泥水煤浆适应性强，易于利用，虽然损失了许多热能，但现有各种炉型稍加改造就可用于辅助燃烧，还可以改善现有锅炉低热值燃料不足的局面。所以，煤泥制浆燃烧在国内仍有相当多的应用实例。开滦矿务局与煤炭科学研究总院唐山分院合作，在吕家坨煤矿开发研究了高灰煤泥浆直接喷燃技术，并进行了工业试验，取得良好效果［１４］。吕家坨矿煤泥的性质如下：Ｖａｄ、Ａａｄ、Ｍａｄ分别为１９．６２％、３５．３８％和２．６％，Ｑａｄ为１５．３８ＭＪ／ｋｇ。利用制成的灰分为４０％左右、浆体浓度为５５％的煤泥浆与洗中煤进行掺烧，掺烧量为３０％～６０％，均取得满意效果，锅炉热效率达到９０．６８％，比单纯烧洗中煤提高２１．０９％。２．４　煤泥制型煤型煤是比较成熟的洁净煤技术之一。在各种洁净煤技术中，工业型煤的能量转换率最高，可达９７．５％。与烧散煤相比，型煤可以减少ＳＯ２排放量４０％～６０％，减少ＮＯｘ排放量４０％，减少烟尘排放量６０％～９０％，减少强致癌物（Ｂａｐ）５０％以上。因此，将煤泥制成型煤，既有利于节约煤炭资源，减少煤泥对环境的污染，又有利于改变选煤厂的产品结构，提高选煤厂的经济效益和社会效益［１５－１６］。煤泥型煤生产应注意几个问题：１）合理控制煤泥水分。型煤成型时最佳水分含量一般为１０％～１５％，而煤泥所含水分在３０％左右，所以需要先进行干燥处理。２）合理选择使用粘结剂。因为煤泥灰分含量偏高，所以对粘结剂的要求更苛刻一些。３）粒度要求。型煤成型要求原料的粒度＜３ｍｍ，而煤泥在干燥过程中容易结块，需要进行破碎处理。国内各矿区已有煤泥型煤应用实例，如山东蒋庄煤矿将煤泥与原煤以９∶１混合，加入６％～８％的无机添加剂，生产的型煤符合工业锅炉使用要求［１７］；河南理工大学采用自主开发的ＭＳ无机粘结剂，利用焦作矿务局演马庄煤矿洗煤厂煤泥，生产的锅炉型煤满足工业锅炉要求，其煤质指标见表３。表３　煤泥型煤质指标Ｍ１（％）Ａａｒ（％）Ｖａｒ（％）Ｓ１，ａｒ（％）Ｑｎｅｔ／ＭＪ·ｋｇ－１强度／ｋｇ·个－１冷强度热强度水浸强度７．２１　３１．１７　１４．５８　０．４７　１９．６１　４８　４２　１２　　对某些特定类型的煤泥，如主焦煤和１／３焦煤煤泥等，还可利用其进行型焦加工，不仅可节约宝贵的焦煤资源，也可创造更大的经济效益。但由于工业型焦要求严格，如冶金焦、气化焦和电石用焦标准均要求固定含碳量＞８０％、灰分＜１５％等，除少数特定种类煤泥外，大部分普通煤泥都达不到标准，因此限制了煤泥型焦技术的应用。此外，煤泥还可用于民用型煤生产以及水泥、石灰等建材的制造，也可与生物质结合制作生物质型煤［１８－１９］、型焦。近年来，还出现了其他新的利用形式，如将煤炭洗选与城市污水处理结合起来，利用煤炭的吸附能力净化污水、污水混合煤泥制浆；同时，实现污水洗煤、煤泥制浆、洁净燃烧的流程，综合效益明显［２０］。３　煤泥干燥从现有煤泥的主要利用途径（煤泥燃烧、煤泥制浆燃烧和型煤型焦等形式）可见，阻碍煤泥大规模利用的关键是其含水率。特别是近年来动力煤实行以热值定价之后，煤泥干燥意义更大，不仅扩大了煤泥应用范围，更能提高售价，为企业带来很好的经济效益。目前，国内广泛应用滚筒式烘干机对煤泥进行干燥。滚筒烘干机由热源、打散装置、进料机、回转滚筒、引风机和出料设备构成，如图３所示。图３　煤泥滚筒式烘干机结构图湿煤泥由送料机构送入滚筒，被滚筒内部抄板抄起，形成料幕状态，所含水分与热源产生的高温烟气换热被蒸发，干燥后的煤泥在尾部排出，烟气经处理后排空，干燥后煤泥可用于热源循环利用产生烟气。湿煤泥的市场售价一般只有相应煤炭价格的　加工工艺材料研究　《新技术新工艺》加工工艺与材料研究６９　　　１／６～１／３，而干燥之后用途广泛，一般１～２年之内即可收回投资成本［２１］。在一些矿区的选煤厂已经配套了干燥设备用于生产，并取得了良好的经济效益。如辽宁大兴煤矿选煤厂利用滚筒烘干机对煤泥进行处理，年处理煤泥１０万吨，干后产品全部作为粉煤销往当地电厂，以当地末煤售价４９４．３５元／ｔ计算，扣除加工费６．９６元／ｔ，每年可为选煤厂创造４　８７３．９万元效益［２２］。滚筒式烘干机对煤泥进行干燥，具有投资小、产量大、适应性强等优点，但也存在热效率低，煤耗高，出料黏度、粒度及水分难以控制等问题，亟待改进。所以，郭凡灿、薄磊等考虑在煤泥产生阶段即对煤泥进行干燥处理，目前已研发出新型沉降式离心脱水机、过滤式离心脱水机、真空过滤机、加压过滤机、隔膜式快速压滤机等设备，使得煤泥水分由３０％降低至２０％左右，但距离适宜锅炉直接燃烧使用的１０％标准仍有差距，而且在相同处理量下，滚筒式烘干机投资成本仅为这些设备的一半左右。随着新技术的发展和成本的降低，在煤炭洗选阶段直接进行煤泥干燥有望成为解决煤泥利用问题的根本措施。４　结语通过上述煤泥利用的具体实例及分析，可见煤泥利用既能变废为宝、减少资源浪费及保护环境，又可以提高企业效益，为社会创造财富，而且符合国家的产业政策和循环经济的总体要求，具有良好的发展前景，所以可得出以下结论。１）由煤泥的干湿法利用可见，用于循环流化床锅炉燃烧发电是切实可行的，这也为电厂缓解煤电矛盾、减轻经营压力提供了一条出路。２）煤泥燃烧发电应结合成本及市场煤泥特点，采用干法或湿法利用。一般来说，长期大批量煤泥利用可以考虑使用专用煤泥锅炉进行湿法利用，小批量煤泥利用从稳定锅炉负荷方面考虑，宜采用干法利用。３）发展煤炭洗选并加大动力煤选煤厂建设力度，筛选可供电站利用的劣质煤品种，为燃煤电厂燃用煤泥创造条件。４）对燃用低热值煤泥电厂，国家应在政策上给予扶持和引导，在资金、税收、上网电价等方面加以支持。５）滚筒烘干干燥是目前煤泥干燥的有效处理方式，但也存在许多问题亟待改进。６）加快研发新型干燥装置，为煤炭洗选厂配备经济、有效的干燥设备将是解决煤泥利用的根本方法。参考文献［１］黄光许．煤泥无废排放综合利用模式［Ｊ］．洁净煤技术，２００５，１１（２）：５９－６２．［２］李宁．煤泥资源化利用关键技术研究分析［Ｊ］．煤炭工程，２０１１（１２）：１００－１０５．［３］吴淼．煤泥管道远距离输送新技术［Ｊ］．中国煤炭，２００４，３０（１２）：４８－５３．［４］郭凡灿．煤泥脱水设备的发展现状及展望［Ｊ］．煤矿机械，２００８，２９（９）：１－２．［５］王伟．神东矿区煤泥干燥特性实验研究［Ｊ］．矿山机械，２０１１，３９（８）：１０１－１０５．［６］刘吉堂．大型ＣＦＢ锅炉掺烧大比例掺烧煤泥的分析［Ｊ］．电力技术，２０１０，１９（１０）：５２－５７．［７］孙丽娟．煤泥燃烧的分析及应用［Ｊ］．内蒙古科技与经济，２００８（８）：１８３－１８４．［８］朱昌广．煤泥发电技术及效益分析［Ｊ］．煤炭加工与综合利用，２００１（１）：４４－４６．［９］孙维燕．优化煤泥掺配强化稳定燃烧［Ｊ］．安徽电气工程职业技术学院学报，２０１１，１６（１）：９３－９５．［１０］杨利国．电厂锅炉煤泥掺烧技术应用研究［Ｊ］．科技传播，２０１０（１０）：１７７－１７８．［１１］李大泽．锅炉燃用中煤及煤泥的技术措施［Ｊ］．包钢科技，２０１０，３６（增）：１８－２０．［１２］孙素敏．浅谈水煤浆技术及其应用［Ｊ］．印染，２００９（１１）：３１－３４．［１３］武卫新．合理利用煤泥途径的探讨［Ｊ］．煤矿现代化，２００４（３）：６５－６６．［１４］王敦曾．煤泥燃烧的现状及发展建议［Ｊ］．中国煤炭，１９９９，２５（５）：９－１３．［１５］赵兴忠．浅谈利用选煤厂煤泥制型煤［Ｊ］．煤炭工程，２００１（７）：４３－４４．［１６］林德玉．煤泥综合利用的研究与工业实验［Ｊ］．燃料与化工，１９９８，２９（１）：９－１０．［１７］赵鸣．煤泥型煤的生产和产业化建议［Ｊ］．煤炭加工与综合利用，２００３（５）：４４－４６．［１８］赵璐琪．利用煤泥制备生物质型煤的研究［Ｊ］．中国煤炭，２０１０，３６（７）：９２－９４．［１９］刘大超．煤泥制备蜂窝型煤的试验研究［Ｊ］．煤炭科技，２０１０，３６（７）：９５－９７．［２０］黄洪文．煤泥节能环保综合利用［Ｊ］．中国新技术新产品，２０１０（３）：１９０－１９１．［２１］於春慧．实施煤泥干燥项目提高企业经济效益［Ｊ］．选煤技术，２００８（４）：６６－６８．［２２］张春玲．选煤厂煤泥干燥系统的改造［Ｊ］．洗选加工，２０１１，１７（５）：１２－１４．作者简介：程川（１９８５－），男，硕士研究生，主要从事动力工程等方面的研究。收稿日期：２０１２年０２月９日责任编辑　吕菁