褐煤综合利用前景广阔

□   华陆工程科技有限责任公司   刘艳军

资源丰富 亟待开发利用

　　能源的低碳、清洁利用是目前所面临的重大课题，我国的基本国情是“缺油、少气、富煤”，陆地的含煤面积达55万平方公里，资源总量约5.6万亿吨，居世界第三位，在探明的化石能源储量中煤炭占94.3％，石油、天然气仅占5.7％。这样的资源禀赋条件注定能源结构要以煤为主，“以电力为中心，以煤炭为基础”仍然是21世纪中国能源发展主导思路。

　　我国煤炭资源整体的结构为：褐煤占12.7%，次烟煤42.5%，烟煤33.1%，无烟煤11.7%，褐煤在煤炭资源中占的比例高，已探明的保有储量达1303亿吨，褐煤同时具有易开采的特点，在我国煤炭资源中占有重要地位。褐煤的利用是一个现实问题。

　　褐煤属于低阶煤，低阶煤是指煤化程度低、成煤年代短的煤，归劣质煤范畴。按种类分，低阶煤主要包括褐煤、长焰煤、弱粘煤和不粘煤等。长焰煤、褐煤、泥炭等成煤年份较短的低阶煤在全球所占的比重达1/3以上，我国低阶煤炭资源所占的比重更是高达50%以上。所有的低阶煤都有一个共同的特点就是挥发份高、热值相对较低，这种煤炭的经济运输半径要远远小于其他煤种，而燃烧使用过程中的污染物排放却又大于其他煤种。

　　由于褐煤的煤化程度较低，其突出的特点是含水量高（30%~50%），挥发分高（15%~30%），发热量低（1500~3000大卡/千克），易风化碎裂，易氧化自燃，不适于远途运输（一般运输半径在300千米之内），直接燃烧时排出的粉尘量较大、环境污染严重、热利用率低。我国迄今对褐煤尚未进行大规模的开发和利用。

　　褐煤的工业化开发和相关产品的综合利用，对我国未来几十年建设节能型社会、推动煤能源的综合开发、带动区域经济快速发展将是一个重要的战略项目。在国家新能源战略调整中，褐煤提质加工和综合利用正受到普遍重视。

　　褐煤的提质和综合利用，一方面可以提高褐煤本身的质量（减少水分，增加热值），副产煤气、煤焦油，使褐煤能量密度提高；另一方面可以提高下游生产装置的利用效率，减轻设备负荷。通过褐煤综合利用技术，扩大年轻煤种的利用途径，很大程度上提高了褐煤的市场竞争力。

　　褐煤资源的综合开发利用，符合国家的能源产业政策。对于国内褐煤资源储量大的地区，这也是前所未有的发展机遇。我国的褐煤煤田多属于巨厚煤层，易于露天开采，能产生极大的经济价值。

　　随着国民经济的发展，各行各业对煤炭的需求越来越大，优质煤供不应求，价格一再攀升，这就为低变质煤和劣质煤的利用提供了空间。

　　褐煤平均含油率8%~15%；平均含水量15%~30%；平均灰分15%~30%；挥发分15%~30%；是含油量相对比较高的煤种，过去主要用做电厂的燃料煤。褐煤经过热解改质处理后，水分蒸发，挥发分降低，产生的褐煤半焦热值提高，同时获得一定数量的煤焦油和煤气。褐煤半焦是很好的煤化工原料，还可以应用在气化和发电领域。

　　褐煤采用现代技术进行合理加工处理的其它途径还包括用于开发水煤浆、气化、液化、碳素制品、制取腐植酸、褐煤蜡等新领域。

　　目前，煤炭分类使用是我国煤化工产业发展重要政策之一。褐煤等年轻煤种储量丰富，若按照我国资源结构开发煤炭，每年可采出10多亿吨褐煤等年轻煤种，经过热解分离处理，能够产出近亿吨油品和几百亿立方米燃气（按热值折算标准天然气当量），可在一定程度上消除我国原油和天然气供应的缺口。

　　目前，国内一批新建煤化工项目纷纷改用褐煤作为原料，其相关综合利用技术也得到了长足发展，在褐煤的综合应用领域出现了良好的开端。

 

综合利用成果初现

　　（1）褐煤燃烧发电

　　将褐煤制备成水煤浆是褐煤燃烧的一种新型方法，进行喷雾燃烧发电，可以使燃烧效率得到极大的提高，获得良好的经济效益和环保效益。目前，国内研发该技术情况如下：

　　● 黑龙江矿业学院洁净煤技术研究所开发出的褐煤水煤浆技术，引进了国外先进的热水干燥技术，可以得到浓度60%左右的褐煤水煤浆；

　　● 赤峰泽楷能源化工有限公司与煤科总院、国家水煤浆工程中心、华东理工大学等十余家科研院所合作，提出了对褐煤“配合选煤工艺，利用热解与化学改性，优化粒度初配，研制专用添加剂，制备高浓度工业用气化水煤浆”；

　　● 北京柯林斯达科技发展有限公司采用其褐煤改性提质技术，将褐煤先制成半焦，然后用半焦做水煤浆，成功将内蒙古某褐煤煤种的成浆浓度由原来的44%提高到了近60%。

　　（2）褐煤低温干馏

　　褐煤低温干馏（或称低温热解，也称为温和气化）是一个在隔绝空气条件下的热化学加工过程。低温干馏也是部分气化和液化过程，把煤中的氢富集到焦油和煤气中。干馏常压生产，不用氧气，也不用加氢，即可得到煤气、半焦和焦油。褐煤挥发分高，氢碳比高，进行低温干馏可得到焦油和煤气等价值更高的产品。

　　褐煤热解工艺优点突出：比煤的气化和液化工艺简单，加工条件温和，建设投资少，生产成本低，产品还可进行综合利用。

　　褐煤热解技术的最终产品有褐煤半焦、热解煤气和低温煤焦油。褐煤热解制得褐煤半焦有着广泛的用途。实践证明，采用热解提质后的褐煤半焦性能可以满足铁合金、电石、合成氨等行业的需求，另外，褐煤半焦还可以制备水煤浆，是气化、液化的优质原料。同时褐煤半焦还可作为制备活性炭，制成型焦用于冶金行业，经过活化后进行脱硫等。

　　近年来，国内已有多种煤热解技术，如直立式内热方型炉热解工艺、固体热载体热解多联产工艺、多段回转炉热解工艺、循环流化床热电多联产工艺。此外，清华大学、中科院山西煤化所也分别自主研发了煤热解工艺。目前已进行工业化生产的技术主要有：大连理工大学的褐煤固体热载体法快速热解技术、鞍山热能研究院的低温干馏改质技术、榆林内热内燃直立方炉干馏技术等。这些技术所采取的工艺有所不同，产品方案和产品性能也有差异，在国内煤炭的产地已建立了生产装置或工业化试验装置。目前这些技术也已用在褐煤的热解改质中。

　　（3）褐煤液化

　　褐煤碳含量相对于烟煤而言较低，H / C 比较高，且其结构单元中有较多的羧基、氧桥、羰基和亚甲基，具有较高的液化活性，是比较容易直接液化的煤种。

　　褐煤液化是通过化学方法将褐煤转变成液体产品，主要工艺有直接液化和间接液化。目前适用于褐煤液化的方法主要是直接液化法。褐煤直接液化是一个褐煤深度转化的过程，又称加氢液化过程。其工艺过程包括原料煤干燥、破碎、煤浆制备、加氢液化、固液分离、气体净化处理、液态产物分馏、精制加工以及液化残渣气化制取氢气等过程。褐煤在适当的温度、压力等反应条件下，借助于催化剂的作用，加氢裂解生成液体烃类和少量气体，并脱除氮、氧和硫等杂原子。褐煤直接液化工艺过程的热效率高达70％以上，是一种先进的褐煤洁净利用技术。

　　褐煤直接液化的产品是优质汽油、喷气燃料油、柴油以及芳烃和碳素化工原料，并副产燃料气、液化石油气、硫磺和氨等。

　　目前褐煤液化工业装置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257万吨，气化（含发电17万kW） 用原煤253 万吨，合计年用原煤510万吨。年产汽油、柴油和液化石油气等102万吨。生产成本为约为17美元/桶，具有良好的经济效益和社会效益。

　　（4）褐煤气化

　　褐煤的气化过程是一个热化学转化过程，它是以褐煤为原料、以氧气（包括空气、富氧和纯氧）、水蒸汽或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将褐煤中的有机物转变为可燃性气体燃料的过程。褐煤气化比直接燃烧具有更大的优越性，因为气体燃料燃烧稳定，无环境污染，便于输送和净化，所需的工艺和设备简单。此外，气态原料特别适合于非均相催化的化工合成过程。

　　褐煤气化的产物为可燃性气体燃料称为气化煤气，其有效成分包括CO、H2、CH4等。气化煤气可用于城市煤气、化工合成原料气、为冶金工业提供还原气、工业燃料气、制氢原料气等。

　　（5） 制取褐煤蜡

　　我国褐煤含蜡量较低，只有云南省的曲靖、潦浒、吉林省的舒兰、内蒙古的翁牛特旗、广西稔子坪几处蕴含高含蜡量的褐煤，其含量在3.1 %～6.95 %之间。其中以云南省的曲靖、潦浒煤矿条件较好。

　　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。我国褐煤蜡的生产厂是内蒙古自治区翁牛特旗1000吨褐煤蜡生产厂。年用褐煤5 万吨，萃取后的残煤418万吨进锅炉燃烧，年发电700万kWh；锅炉焚烧后的灰渣供给水泥厂作为原料。数年生产实践已显示出褐煤综合利用的强大生命力。

　　（6）褐煤生物转化

　　褐煤的微生物转化与利用，主要是利用微生物进行褐煤的液化和气化。在生物作用下，来制取石油及其他形式的燃料，获得甲烷、氢气、丁酸、乙酸等工业原料的过程。

　　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。

　　褐煤的微生物转化具有能耗低、转化条件温和、转化效率高、污染小、转化产物的经济效益和应用价值高等优点，因而越来越受到科学界的重视和关注。

　　（7）褐煤制炭质吸附剂

　　褐煤本身的孔隙及含有羧基、醌基、羰基、甲氧基、酚羟基等活性基团，使褐煤成为一种良好的天然有机离子吸附剂，具有优异的吸附、络合及交换性能。经加工可制得活性炭、分子筛等。

　　褐煤制备活性炭价格低廉、反应活性高、活化时间短等优点，但含碳低、水分大和质地柔软，对利用褐煤制备活性炭带来困难。近几年，国内对利用褐煤制备活性炭开展了许多研究。但由于工艺及产品质量上存在缺陷至今未产业化。

　　（8） 褐煤提取腐植酸

　　褐煤加硝酸进行轻度氧化分解就可得到收率很高的硝基腐植酸，在工农业上有着广泛的用途，号称“黑金子”。腐植酸可以用作叶面肥肥料、土壤改良剂、污水处理剂、钻井泥浆调整剂等。硝基腐植酸铵是一种具有多种功能的有机肥料，是最好的天然肥料。

　　褐煤中含有的小分子量的黄腐酸在农业、工业及医药业中具有很高的利用价值。而化学直接提取腐植酸和黄腐酸存在产量低、活性差等缺点，且会生成对环境有污染的产品。微生物具有广泛的物质代谢能力，能将褐煤中的大分子降解为小分子。用生物法降解褐煤产生腐植酸和黄腐酸已开始研究，具有良好的研究开发前景和工业应用价值。

 

推进新技术开发应用

　　褐煤具有广泛的利用途径，目前直接作为燃料和动力煤不能发挥其潜在的效益，在当前节能减排的形势下，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。应在传统的利用技术基础上积极进行新技术的开发与应用。

　　我国褐煤资源利用具有以下几个发展趋势：

　　（1） 发展高效节能的褐煤干燥脱水技术。脱水钝化后的褐煤可以远距离运输，用于发电可以提高发电效率，节省发电成本。

　　（2） 发展褐煤热解技术对褐煤进行提质处理，生产应用更广泛的褐煤半焦（洁净煤）。褐煤半焦可以作为煤化工的原料，在褐煤热解制取褐煤半焦，同时付产焦油可以制取高附加值的芳香族化合物，煤气又是洁净的气体燃料，煤气经过处理可以作为合成气生产化工产品，褐煤的利用价值得到提高。所以发展褐煤热解技术对于未来褐煤的应用有着极为重要的意义，符合我国的节能减排政策。

　　（3） 发展褐煤的微生物转化技术。这项技术开始于20世纪80 年代，由于其具有耗能低、转化效率高、污染小、转化产物的经济效益和应用价值高等一系列优点而备受科学界的重视和关注。特别是在当前形势下，这项技术的研究无疑开辟了一条能源转化利用的绿色途径。

　　无论是从社会能源需求的角度，还是从环境保护的角度，抑或是从国家的能源安全战略角度考虑，褐煤的微生物转化技术都具有广阔的发展前景。随着基因工程等各项生物技术的不断发展，以及寻求煤炭生物转化的新途径和新手段被发现，煤炭生物转化的一些技术难题将相应被解决，走向工业化生产，将对缓解能源压力、推进经济的可持续发展发挥重要的作用。

　　（4）发展褐煤气化-甲醇-燃气发电循环产业链。褐煤气化技术是洁净、高效利用褐煤的重要技术之一。它是煤炭化工合成、煤炭间接液化、IGCC技术等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术。

　　（5） 发展褐煤-溶剂萃取-碳质吸附剂-燃料油-碳纤维产业链。该产业链可以从褐煤中获取高附加值的化学品、航空燃料、碳质吸附剂和可用于生产碳纤维等高级碳材料的沥青质，是褐煤资源高效利用的新工艺。