粉煤

粉煤是指粒度小於6mm的煤。粉煤粒度是粉煤燃燒的一個重要物理參數，粒度大小顯著地影響其燃燒火焰的溫度、燃燼度和NO二的排放量。隨著綜采水平的提高和下組煤開採比例的增多,粉煤含量不斷增加,加之長途運輸,到達用戶手中的原煤有相當一部分是粉煤,從而導致塊煤供不應求和大量粉煤積壓的矛盾日益加劇，為了改變這種狀況,大力發展粉煤成型工業是解決這一矛盾的重要途徑。粉煤氣化是煤經過不完全燃燒轉化為合成氣、燃料氣的技術，是清潔使用粉煤的重要途徑之一。詳細介紹 粉煤的製備、粉煤成型技術以及粉煤氣化技術。

基本介紹

• 中文名：粉煤
• 外文名：powdered coal
• 粒度：小於6mm
• 套用技術：粉煤成型技術以及粉煤氣化技術
• 領域：能源
• 學科：礦業

簡介

將煤磨成細粉進行燃燒是煤燃料利用的一種重要方法，但目前粉煤燃燒還存在不少問題，如爐膛積灰影響產品質量，影響傳熱效率;在排放的廢氣中煙塵含量高，NOx, CO , SO₂等有害氣體排放量大，這不僅造成環境的嚴重污染，還直接危害人們的身體健康.綜上所述，開展對粉煤火焰特性的研究對國民經濟的發展和人類社會的進步具有重大的現實意義.

粉煤製備介紹

原煤堆棚中的原煤經皮帶機進原煤倉，經倉下的電子皮帶秤定量計量後，送至球磨機。原煤經過球磨機的烘乾兼粉磨，得到合格的粉煤。用於烘乾原煤水分的熱源來自一台天然氣熱風爐，熱氣溫度為1200℃，利用系統排風機的尾氣進入熱風爐煙氣管道進行稀釋，使入磨的熱風達到生產控制的溫度約為200～300℃。經粉磨後的粉煤隨磨出口氣體進入動態選粉機，將不合格的粗粉分離並經粗粉螺旋輸送機送回磨頭重磨。合格的細粉經旋風分離器收塵後，與布袋收塵器收集下來的粉煤，由細粉螺旋輸送機送往粉煤倉。廢氣經煤磨袋收塵器進行除塵淨化後，排放濃度<30mg/Nm3，潔淨的排氣由煤磨排風機部分排入至熱風爐入口循環利用，其餘排空。

粉煤製備主要設備

球磨機

球磨機結構主要有球磨機電動機、驅動部分、筒體、減速機、小傳動齒輪等部分組成。球磨機進出料中空軸、主軸承、主軸承高低壓稀油站、進出料裝置、隔倉板、襯板、磨門、烘乾倉、揚料板、主電機(含底座、地腳螺栓)、主減速機（含底座、地腳螺栓）、聯軸器、就地電控櫃、地腳螺栓等主要部件。

球磨機的工作原理：球磨機由電動機驅動旋轉，煙煤先進進球磨機烘乾倉和熱風爐提供的熱氣進行乾燥在通過隔倉板進入研磨倉，由於離心力的作用將鋼球帶到一定高度，鋼球的重力大於離心力離開筒體下落打擊和研磨，從而達到粉碎目的。

熱風爐

熱風爐由爐體、鼓風機、內環流補風閥、龍門閥、出煙管、防爆閥、燃燒器、燃燒控制系統等部分組成。
爐體部分主要由外殼、內襯、螺旋葉片等製作成二個腔室，內腔為燃燒爐膛；外腔設定螺旋葉片形成螺旋通道作預熱空氣風道，在煙氣出口端設定切向預熱空氣風道進風口，進風口連線鼓風機，預熱空氣風道出風口外裝有燃燒器。

動態選粉機

結構：轉子和固定它們的主軸組成的迴轉部分、可調導風葉、收集粗粉的下部灰斗、簾式鎖風閥、驅動主軸旋轉的傳動裝置。油泵
工作原理：從磨機來的高濃度含塵空氣由下部風管進入選粉機，經內錐體整流後沿外錐體與內錐體之間的環形通道減速上升，其中的粗粉經重力沉降後沿外錐體邊壁滑入粗粉收料筒實現重力分選，重力分選後的空氣在導風葉的導流和轉子的旋轉作用下，在導風葉和轉子之間形成穩定的水平渦流選粉區。粉磨後的物料從選粉機進料口餵入，其分選原理與O-SEPA選粉機相同。只是分選後細小輕微的顆粒隨氣流被吸入內部流經配風室分四路進入旋風收塵器，大部分成品細粉被分離出來，收塵後的空氣從旋風收塵器上的排風管排出，進入下一級收塵收備。粗重顆粒則下落經內錐體匯集到粗粉收料筒，返回磨機再磨。

螺旋泵

螺旋泵主要由螺旋軸、進料箱、套筒、混合箱、卸料箱、軸承座、止回閥、底座等組成。
工作原理：需要輸送的粉煤進入螺旋泵進料箱後，螺旋軸將粉煤通過套筒推送到混合箱中。在套筒中粉煤被壓縮形成物料密封層，壓縮空氣通過噴嘴進入混合箱，使物料充分流態化，然後輸送至與混合箱端部相連的輸送管道中，並沿管道輸送到卸料點。

布袋收塵器

結構，該收集器上箱體共分為6個小倉，每個倉室濾袋布置成4排，每排配有一根噴吹管和24條布袋，收集器大致分為上、中、下三部分，煙氣入口位於中箱體下部，煙氣出口位於上箱體，粉塵出口設在下箱體(灰斗)底部。

膨脹節

膨脹節習慣上也叫伸縮節,或波紋管補償器，是用以利用波紋管補償器的彈性元件的有效伸縮變形來吸收管線、導管或容器由熱脹冷縮等原因而產生的尺寸變化的一種補償裝置，屬於一種補償元件。可對軸向，橫向，和角向位移的的吸收，用於在管道、設備及系統的加熱位移、機械位移吸收振動、降低噪音等。

氣動閥

利用壓縮空氣推動執行器內多組組合氣動活塞運動，傳力給橫樑和內曲線軌道的特性，帶動空芯主軸作旋轉運動，壓縮空氣氣盤輸至各缸，改變進出氣位置以改變主軸旋轉方向，根據負載(閥門)所需旋轉扭矩的要求，可調整氣缸組合數目，帶動負載(閥門)工作。

粉煤成型的意義

近年來,隨著工業化用煤的日益增長,對塊煤的需求不斷增加。但是隨著綜采水平的提高和下組煤開採比例的增多,粉煤含量不斷增加,加之長途運輸,到達用戶手中的原煤有相當一部分是粉煤,從而導致塊煤供不應求和大量粉煤積壓的矛盾日益加劇。為了改變這種狀況,大力發展粉煤成型工業是解決這一矛盾的重要途徑,它不僅可以極大地提高粉煤利用率,還可以提高經濟附加值,其節能率也十分明顯。

發展粉煤成型技術也是減少環境污染的重要途徑。煤中含有一些有害元素,在其直接燃燒過程中會對大氣環境造成嚴重的污染。據環保部門統計,1999年我國煙塵排放量為1614萬t,其中70%來自燃煤,SO2排放量為1780萬t,其中90%來自燃煤。

燃煤帶來的大氣污染,酸雨蔓延,氣候反常,生態破壞等,不僅危害我國人民的健康,制約社會經濟的發展,還會危及其它地區。據我國數年來推廣型煤的經驗表明,燃用型煤較燃用散煤可提高鍋爐燃燒效率和煤的利用10%～20%,使煙塵排放量減少80%～91.2%,加固硫劑的型煤可使SO2排放量減少20%～36.3%.2

粉煤成型的粘結劑選取原則

粉煤成型時所選取的粘結劑,應從粘結劑原料來源、經濟成本、粘結劑製備工藝以及型煤產品所達到的質量要求,包括型煤的用途,環保要求等方面進行綜合考慮。

近年來,我國在型煤粘結劑的研究方面取得了不少進展和成果,總體看來,由於煤本身的複雜性以及經濟效益和型煤的用途要求的不同,不可能有一種通用的粘結劑。從眾多的研究結果看,可以用作製取型煤粘結劑的原料是很豐富的,從目前已套用的或正在進行研究的粘結劑的品種來看,可以用作型煤粘結劑的物料很多。目前國外對粘結劑的研究重點是直接從煤中提取粘結劑和複合粘結劑,而國內開發的重點是利用價廉易得的工農業廢棄物製備複合粘結劑。可以說製取型煤的關鍵是由選取的粘結劑的種類、性質所決定。

選取粉煤成型粘結劑,應綜合利用各種物料的特性,發揮各自的長處,使其物盡其用。開發多種物料配製的複合粘結劑,應使其製取工藝簡便、成本低廉、無污染,以保證不同型煤用戶得到質量合格的型煤。

無煙粉煤的成型

相對於其它煤種而言,我國無煙煤儲量較少,約占我國煤炭資源儲量的17.0%,而且分布僅限於少數省份,主要集中分布在山西(約46%)和貴州(約30%),各地所產無煙煤煤質差異較大,唯有山西省晉城地區和陽泉地區所產無煙煤煤質最好,是我國兩大無煙煤供應基地,所產無煙煤幾乎銷往全國各地,倍受用戶歡迎。

無煙塊煤不足,無煙粉煤積壓

山西晉城地區和陽泉地區所產無煙煤屬高熱值優質無煙煤,它具有熱穩定性好、抗碎強度大和低灰分、低硫分、低揮發分以及固定碳含量高、灰熔點高等優點,廣泛用於化肥工業,以及冶金、建材、機械、玻璃、陶瓷、紡織等行業中的合成氣和工業燃料的生產中。晉城、陽泉兩地區年產無煙煤約計5000萬t以上,由於機械化開採,塊煤率最高不足40%.兩地區每年大約產3000萬t粉煤,這些無煙粉煤除鐵路、公路外運銷售外,兩地每年約積壓400萬t～500萬t,積壓的粉煤,長年堆積於坑口,侵占農田,日曬雨淋,煤質變壞,加之水沖,造成環境污染,積壓了資金,又浪費了能源。

無煙粉煤的加工利用方向

優質無煙粉煤的積壓是最大的煤炭資源浪費,把它們加工成氣化型煤,供合成氣和燃料氣生產使用,以解決無煙塊煤供應的不足是最好的途徑。

開發以無煙粉煤為主要成分的民用型煤和手燒爐型煤,供沿海省市使用;開發出口型煤供北歐、西歐各國燒壁爐使用,其效益十分可觀;大力發展無煙粉煤為主要成份加煉焦煤的型焦生產,既無環境污染,投資小,成本又低。
中國現有1000家以上中、小化肥廠,多採用固定床間歇式氣化法制半水煤氣加工合成氨,無煙塊煤是小化肥廠生產的優質原料。我國無煙塊煤年需求量約4000萬t,而產量卻不足2000萬t,一方面是嚴重的短缺,但是另一方面,每年有上億噸的

無煙粉煤產生,市場需求不旺,大量積壓,既浪費資源,沉澱了資金,又嚴重污染了環境,為彌補市場短缺,只能依靠無煙粉煤成型來滿足市場的需求。山西晉城無煙煤是優質化肥用煤,晉城無煙塊煤和無煙粉煤產地價差約60元/t,但在河北、山東、安徽、湖北等地差價高達200元/t,這為型煤廠的建設提供了絕好的市場和獲得收益的可能。氣化型煤無論其發展規模、經濟效益和社會效益在國內工業型煤領域中均居領先地位,加之中小化肥廠的利潤較高,為氣化型煤技術更新提供了良好的條件,我們應抓住機遇,通過氣化型煤的開發推廣,從而帶動其它型煤技術的發展。

粉煤氣化機理

粉煤加壓氣化爐是氣流床反應器，也稱之為自熱式反應器，在加壓無催化劑條件下，煤和氧氣發生部分氧化反應，生成以CO和H2為有效組分的粗合成氣，部分氧化反應一詞是相對完全氧化而言的。整個部分氧化反應是一個複雜的多種化學反應過程。此反應的機理目前尚不能完全作以分析。我們只可以大致把它分為三步進行。

第一步：裂解及揮發分燃燒。當粉煤和氧氣噴入氣化爐內後，迅速被加熱到高溫，粉煤發生乾餾及熱裂解，釋放出焦油、酚、甲醇、樹脂、甲烷等揮發分，水分變成水蒸氣，粉煤變成煤焦。由於這一區域氧氣濃度高，在高溫下揮發分完全燃燒，同時放出大量熱量。因此，煤氣中不含有焦油、酚、高級烴等可凝聚物。

第二步：燃燒及氣化。在這一步，煤焦一方面與剩餘的氧氣發生燃燒反應，生成CO2和CO等氣體，放出熱量。另一方面，煤焦和水蒸氣和CO2發生氣化反應，生成H2和CO。在氣相中，H2和CO又與殘餘的氧氣發生燃燒反應，放出更多的熱量。

第三步：氣化。此時，反應物中幾乎不含有O2。主要是煤焦、甲烷等和水蒸氣、CO2發生氣化反應，生成H2和CO。

其總反應可寫為：

CnHm+(n/2)O2→nCO+(m/2)H2+Q氣化爐中發生的主要反應可分為：
①非均相水煤氣反應C+2H2O→2H2+CO2-Q

②變換反應CO+H2O→CO2+H2+Q

③甲烷化反應CO+3H2→H2O+CO2+Q

④加氫反應C+2H2→CH4+Q

⑤部分氧化反應C+1/2O2→CO+Q

⑥氧化反應C+O2→CO2+Q

⑦CO2還原反應C+CO2→2CO–Q

⑧熱裂解反應CnHm→(n/4)CH4+[(4m-n)/4]C-Q

氣化爐內的反應相當複雜，既有氣相反應，又有氣-固雙相反應，對於複雜物系的平衡，我們引入獨立反應數的概念，只要討論獨立反應即可。因為其他反應可通過獨立反應的組合而替代。

所謂獨立反應數，就是構成物系的物質數與構成物質的元素種數之差。假定煤氣化反應在氣化爐出口組成達到平衡，氣體中含有CO2、CO、H2、O2、H2S、CH4、COS和C等八中物質，而這些物質是由C、H、O和S等四種元素構成，因此，氣化反應只有四個獨立反應，也就是說，在上述的反應中，我們只要討論其中任意四個反應就夠了。

另外，對於煤氣化來說，S含量很低，基本上是一確定值（對於生成H2S、COS的比值），這樣獨立反應數就只有三個了。由於碳轉化率在98%以上，於是獨立反應數就只有兩個了。所以，對於煤氣化反應，只著重討論變換反應和甲烷化反應兩個反應。

煤氣化反應的化學平衡：

①變換反應的化學平衡
CO+H2O→CO2+H2+9838Kcal/Kmol平衡常數計算式如下：

KP=PCO2*PH2/PCO*PH2O式中：KP為該反應平衡常數。PCO2、PH2、PCO、PH2O分別表示CO2、H2、CO、H2O的平衡分壓。LgKP=2182/T–0.0936LgT+0.000632T–1.0806×10-7T2-2.2967
式中：T為平衡溫度。從平衡上講，變換反應為放熱反應，降低溫度對平衡有利。但在高溫條件下，CO變換反應接近平衡。

②甲烷化反應的化學平衡
CO+3H2→CH4+H2O+49.271Kcal/Kmol平衡常數計算式如下：
KP=PCH4*PH2O/PCO*P3H2式中：KP為該反應平衡常數。PCH4、PH2O、PCO、PH2分別表示CH4、H2O、CO、H2的平衡濃度。LgKp=9859.6/T-8.3636LgT+2.08×10-3T-1.8716×10-7T2+11.888式中：T為平衡溫度。

該反應為放熱反應。提高溫度，甲烷濃度降低，反應有利於向生成CO和H2的方向進行。但增加壓力，甲烷濃度也相應增加。因為，甲烷化反應是體積縮小的反應。

煤氣化總的反應是體積增大的反應，從化學平衡來講，提高壓力對平衡不利，但壓力的提高增加了反應物的濃度，對提高反應速度是有利的。

展望

目前我國不論是製取合成氣和燃料氣的無煙塊煤和動力燃燒使用的煙煤塊煤,均是供不應求,價格不斷上漲,而粉煤和煤泥及焦粉等大量積壓浪費,利用這些原料製取型煤是合理、充分利用煤炭資源的最有效途徑。我們相信,隨著環保法規的完善和全社會環境意識的提高,隨著型煤技術的發展,各種型煤將會得到更快、更好的發展。