Эффективные методы сушки бурого угля: оптимизация удаления влаги

Технологии сушки бурых углей

Угли ранжируются: антрацит, каменный уголь, суббитуминозный, бурый уголь (лигнит) — от старейшего к самому молодому. Со старением влажность снижается, калоризационная способность (КС) растет. Бурый уголь — низший ранг, наименьшее содержание углерода, наивысшая влажность (до 60% и выше).

Бурые угли залегают неглубоко, что облегчает открытую разработку. Помимо высокой влажности, они обладают высокой летучестью, низкой КС и склонностью к самовозгоранию. Высокая влажность — главный ограничитель применения.

Влажность создает трудности при переработке, хранении, транспортировке, помоле и сжигании. Она сильно снижает КС и эффективность сгорания, увеличивает тепловые потери с отходящими газами. При сжигании значительная часть энергии уходит на испарение влаги, что вызывает недостаточное сгорание и дополнительные выбросы.

Классификация влаги в буром угле

• Поверхностная (внешняя) влага — адсорбирована на поверхности частиц или в крупных капиллярах. Удаляется сушкой в воздухе при ~25 °C. Зависит от гидрогеологических условий залежания.
• Внутренняя (гигроскопическая) влага — естественная часть угля, химически связанная вода (конституционная и интермолекулярная). Содержание снижается с ростом ранга угля.
• Кристаллическая (декомпозиционная) влага — химически связанная с минеральными примесями, образуется при термическом разложении угля.

Сушка/обезвоживание устраняет проблемы высокой влажности: снижает нагрузку на транспортную систему, конвейеры, дробилки; сухой уголь легче транспортировать — ниже затраты на обслуживание, выше доступность системы.

Удаление влаги повышает КС, снижает выбросы загрязнителей, уменьшает энергопотребление в мельницах, потери тепла с дымовыми газами, транспортные расходы, повышает эффективность сгорания, безопасность и снижает объем выхлопных газов.

Во многих странах разрабатываются процессы сушки. Многие требуют высокопотенциального тепла или сложного оборудования для восстановления скрытой теплоты парообразования, что значительно повышает стоимость термической сушки.

Сушильная кривая бурых углей приведена на рис. 1.

Рис. 1 Сушильная кривая бурых углей

Сушка — первый и обязательный этап большинства технологий использования бурого угля. Универсального метода не существует; существует множество патентов, но лишь немного из них жизнеспособны, некоторые идеи не практичны.

Методы сушки делятся на две группы: испарительная сушка (тепло удаляет воду из частиц; сушащий агент — воздух, дымовые газы, перегретой пар; контакт прямой или косвенный; слой фиксированный, кипящий или вытесненный) и неиспарительная сушка (термическое обезвоживание, термико-механическое, растворительное экстрактивное). Ниже описаны основные процессы.

Сушка горячими газами

Зрелый процесс с простым оборудованием. Прямой контакт угля с горячими дымовыми газами. Влага поглощает тепло и испаряется. Дымовые газы легко получать на ТЭС (из топки или заднего хода). Низкое содержание O₂ в дымовых газах предотвращает возгорание и взрыв. Сушка в угольной мельнице — один из самых применяемых методов на ТЭС. Недостатки: высокое энергопотребление и риск возгорания/взрыва.

Процесс Фляйсснера (Fleissner)

Старейший процесс (1927 г., Австрия, проф. Ханс Фляйсснер) для сушки низкоранговых углей. Принцип: предотвращение неравномерного усадки и распада угля контролируемым удалением воды. Атмосфера насыщенного пара предотвращает испарение до нагрева куска, затем потеря воды регулируется постепенным снижением давления пара. При повышении температуры и давления часть коллоидной воды выходит в жидкой фазе. Кусок усаживается, клетки коллабируют, при снижении давления вода испаряется за счет чувствительного тепла. При вакууме испаряется дополнительная влага, охлаждая кусок. Многие методы основаны на этом процессе.

Сушка в вращающейся трубе

Процесс в трубчатом теплообменнике с косвенным контактом пара и угля. При отсутствии засасывания воздуха на выходе только водяной пар — возможно восстановление скрытой теплоты парообразования. Недостаток: громоздкое устройство, низкая производительность.

Сушка перегретым паром

Недавний процесс. Прямой контакт угля с перегретым паром. Инертность пара предотвращает возгорание и взрыв. Нет сопротивления переносу массы между влагой в угле и паром — высокая скорость сушки. На ТЭС пар от турбины можно использовать как сушащий агент. При полном восстановлении скрытой теплоты парообразования в отходящих газах энергопотребление составляет лишь ~20% от сушки горячим воздухом. Значительный потенциал экономии энергии.

Сушка в смешанном слое

Испарительная сушка в циркулирующем кипящем слое, где горячий наполнитель поставляет тепло. Отходящий газ — водяной пар, легко восстанавливаемый и используемый. Циклическое использование отходящего газа с теплопередачей в камере сушки.

Процесс Coldry

Разработан в Австралии (начало 1980-х) в Университете Мельбурна совместно с CRA Advanced Technical Development, запатентован Environmental Clean Technologies Limited. Технология улучшения бурого и суббитуминозных углей (бурых углей) путем удаления естественной высокой влажности и некоторых загрязнителей.

Процесс основан на выделении влаги из угля за счет запуска экзотермической реакции при истирании углеродистых частиц друг о друга. Результат — концентрированный продукт в виде уплотненных пеллет: долговечные, удобные для хранения и транспорта, с энергетической ценностью черных углей, но с значительно сниженными выбросами CO₂ по сравнению с исходным бурым углем. Процесс из 6 стадий: (i) грохочение и дозирование загрузки, (ii) атриционирование и экструзия, (iii) кондиционирование, (iv) сушка в стационарном слое, (v) восстановление воды, (vi) производство пеллет Coldry.

На 1-м этапе рудной уголь дробят и просеивают до <8 мм. Частицы (углерод + вода) загружают в «атриционер», где истираются угольные грани, запуская экзотермическую реакцию вытеснения воды. Реакция ускоряется при экструзии под низким давлением и передаче в кондиционер. Экструдированные куски нагревают ~1 час при всего 40 °C. Затвердевший сухой продукт в виде пеллет направляется в сушильник. Конечная влажность 10–14% в зависимости от исходной влажности, свойств сырца и параметров процесса (температура теплообмена, время сушки).

Пеллет Coldry: диаметр 16 мм, длина 45 мм, насыпная плотность 700–750 кг/м³, влажность ~12%, высокая теплота сгорания ~5520 ккал/кг.

Основные преимущества Coldry

• Повышение КС бурого угля в 2–2,5 раза.
• Освобождение больших объемов воды, восстанавливаемой для промышленного использования без дорогой очистки.
• Возможность подачи восстановленной воды в системы охлаждения ТЭС.
• Снижение зольности.
• Снижение выбросов CO₂.
• Низкотемпературный процесс (требует отходное тепло ~40 °C).
• Низкое тепло получают через теплообмен от смежной ТЭС.
• Низкое давление — низкие энергозатраты.
• Возможность использования существующих котельных агрегатов.

Термическое обезвоживание

Имитирует процесс углеобразования при высокой температуре (280–350 °C) и давлении (10–130 атм). Переводит бурый уголь в состояние, близкое к каменному. Неиспарительный метод: влага извлекается в жидкой фазе. Помимо сушки, снижает гигроскопичность и повышает КС. Частично удаляются неорганические и органические примеси. Высокие технологические требования, сложно реализовать в крупномасштабном производстве.

Термико-механическое обезвоживание

Комбинированное действие температуры и механической силы. Влага извлекается в жидкой фазе. Исследования ведутся в Германии, Австралии, Китае.

Хорошая сушка, степень удаления влаги >60%. Снижается склонность к самовозгоранию и гигроскопичность. Технологические параметры: T <200 °C, P <2 атм — легко реализуемы. Вместе с влагой удаляются некоторые неорганические примеси.

Процесс механико-термического выражения (MTE)

Комбинация механического выражения и термического обезвоживания. Использует мягкий нагрев и механическое сжатие. Для существенного эффекта уголь нагревают выше точки кипения воды, но достаточно низко, чтобы избежать значительного перехода органики в продуктовую воду. 10–60% исходной воды удаляется на стадии сжатия. Давление сжатия — главный фактор количества удаленной воды.

Механическое обезвоживание проводится под противодавлением для предотвращения испарения — вода удаляется только механическими силами. Дополнительное снижение влажности — вспышка испарения при контакте обработанного угля с атмосферой.

MTE удаляет до 75% исходной влаги. Недостатки: (i) необходимость предварительного помола, (ii) требование чистой продуктовой воды, (iii) длительность, (iv) высокие капитальные и операционные затраты.

Электромагнитная мельница

Сушка в электромагнитной мельнице относится к термико-механическим методам сушки бурых углей. Уголь нагревают паром при 150–200 °C и 5–16 атм, затем сжимают в гидравлическом прессе для выдавливания воды.

Ферромагнитные помольные тела с очень низким весом обеспечивают низкое энергопотребление. Они следуют изменениям магнитного поля, набирая высокую кинетическую энергию. Для повышения производительности или получения более тонкого продукта можно ввести многосекционную структуру (параллельную или последовательную).

Преимущества: (i) короткое время сушки ~30 с, (ii) низкое энергопотребление, (iii) удаление ~75% исходной воды.

Сушка в кипящем слое

Прямой контакт угля с сушащим агентом, частицы в подвешенном состоянии. Флюидинирующая среда: горячий воздух, дымовые газы, перегретой пар. Возможен встроенный теплообменник для дополнительного тепла.

Характеристики: (i) высокая скорость сушки, (ii) компактная структура, (iii) легкость масштабирования. Встроенный теплообменник поставляет основное тепло, снижает расход флюидинирующей среды, уменьшает размер сушильника, снижает энергопотребление вентилятора. При использовании водяного пара исключается самовозгорание, достигается высокий коэффициент переноса массы. Флюидинирующая среда и теплоноситель встроенного теплообменника можно отобрать из котельного агрегата или турбины — легкая интеграция с энергоблоком.

Технология WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage)

Разработана немецкой компанией RWE Power AG. Сушка в кипящем слое с внутренним использованием теплоты отходов. Схема процесса на рис. 2.

Рис. 2 Схема процесса тонкой сушки бурого угля WTA

Сырой уголь помалывают до <2 мм в двух молотковых дробилках последовательно. После помола уголь поступает в кипящий слой, флюидинирующая среда — пар от сушки. Испарение при 110 °C под небольшим избыточным давлением за счет интегрированных теплообменников, нагреваемых паром. Время пребывания в камере — 60–90 мин.

Сушеный уголь отделяется от пара в циклоне, затем в электрофильтре. Пар из циклона — для флюидинации, из электрофильтра — в атмосферу. Грубая выборка угля у дна смешивается с углем из циклона и электрофильтра после промежуточного охлаждения.

Тепло снабжается внешним паром (обычно отборным от турбины) через пучки труб в слое. Сушка дополнительно уменьшает зернистость: сухой уголь <1 мм (~9% >1 мм), влажность ~12%. Управление температурой слоя позволяет точно поддерживать заданную влажность. WTA — важный элемент снижения выбросов CO₂ при генерации на буром угле.

Технология работает на ТЭЦ Нидерауссем (1000 МВт). Установка: 210 т/ч сырого угля, испарение 100 т/ч воды — крупнейшая в мире сушильная установка для бурого угля, продуцирующая 110 т/ч сухого угля.

Главные преимущества WTA

• Высокая энергоэффективность (низкая температура, использование энергии пара — конденсация или механическая компрессия).
• Высокая безопасность — инертная атмосфера исключает взрывоопасные смеси пыль/воздух.
• Компактная конструкция (интегрированная система тонкого помола сырого и вторичного помола сухого угля).
• Использование энергии пара избегает значительных паровых и пылевых выбросов; конденсат — источник воды.

Комбинированный процесс помола и сушки

Бурый уголь обычно помалывают перед использованием. Тепло при помоле снижает влажность и размер частиц. Коммерческий прибор, объединяющий эти функции — KDS (Kinetic Disintegration System) Micronex grinder/dryer. Высокопроизводительная мельница помола и сушки за один проход без внешнего теплового ввода. Механизм — частично термический, частично механическое обезвоживание. KDS потребляет на 70% меньше общей энергии, чем конвенциональная сушка и помол вместе.

Растворительно-экстрактивное обезвоживание

Принцип: изменение растворимости воды в неполярном растворителе. Растворители: диметиловый эфир (DME), надкритическое CO₂, толуол, анисол и др. Процесс снижает склонность к самовозгоранию. Для некоторых растворителей (DME) технологические требования и энергопотребление низки. Органический растворитель повышает стоимость извлечения влаги. Скорость сушки низкая. Процесс трудно масштабировать.

Процесс Pristine-M

Разрабатывается Clean Coal Technologies, Inc. (CCTI) для превращения сырого угля в более чистое и эффективное топливо. Для угля с влажностью 30–60%. Использует уникальную концепцию «Vapour Phase Deposition» (фазовое осаждение пара).

CCTI решает три задачи: (i) продукт не ресорбирует влагу, (ii) низкая friability (крошкообразование), безопасная транспортировка, минимальный риск самовозгорания, (iii) недорогой и экономически жизнеспособный процесс. Не требует помола сырого угля. Сырой уголь практически не деградирует, брикетирование/пеллетирование не требуется.

Непрерывный процесс из трех компонентов. Деволатилизатор производит газы для процессного тепла и стабилизации сухого угля. Только малая часть сырого угля (<7%) деволатилизируется. Параметры оптимизированы для производства только нужного количества летучих газов. Жидкие побочные продукты нежелательны. Излишки деволатилизированного угля смешиваются обратно с сухим и стабилизированным углем в конце процесса.

Второй компонент — сушилки Carrier. Сушка при ~120 °C, достаточно для удаления внутренней влаги до 15%, 10% или 5% в зависимости от времени пребывания, высоты слоя и температуры. Некоторые типы угля деградируют в мелкую фракцию при сушке — тогда снижают степень удаления влаги или брикетируют. Процесс удаляет мелкую фракцию на разных стадиях для сжигания (процессное тепло). Мелкая фракция, попавшая в третью фазу, агломерирует и затвердевает на поверхности сухого угля.

Третья стадия — стабилизация / фазовое осаждение пара. Летучее вещество заставляют абсорбироваться в поры угля, откуда удалена влага. Параметры стабилизации устанавливаются на основе химического профиля сырого угля.

Pristine-M делает уголь непроницаемым, сохраняет структурную целостность, теплотворную способность может быть повышена выше уровня, достижимого только удалением влаги. Индекс помоля Hardgrove (HGI) продукта равен HGI сырца.

Модульный процесс. Коммерческий модуль на 30 т/ч пропускной способности с углем 50% влажности производит ~160 000 т/год сухого угля. Завод на 1 млн т/год — 6 модулей. Непрерывный процесс, время пребывания ~15 мин (зависит от степени удаления влаги и внутренней влажности). Рабочее давление 1 атм.