褐煤提质技术研究及其生命周期评价

摘要

我国资源禀赋的特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭占我国一次能源消费结构的64％，其中褐煤约占煤炭探明储量的13％。我国经济快速发展，对能源需求日益增加，然而国内优质煤炭资源供应紧张，褐煤高效利用逐渐受到重视。对于褐煤提质技术，国内外解决褐煤的含水率高、易风化自燃、单位能量的运输成本高等问题，致力于开发低能耗（技术关键）、低环境负荷（环境影响评价方法关键）的褐煤提质技术。目前，热解和干燥是当前褐煤提质技术研究和开发的主要方向。
　　针对宝日希勒露天煤矿的褐煤，本文实验研究了热解温度、热解停留时间等操作参数对褐煤热解产物及半焦化学结构的影响规律，热解温度与停留时间的增大都会促进挥发分的析出及热值的提高，提高热解终温有助于加深含氧官能团分解程度（半焦中O/C原子比越低），O/C原子比的降低表明热解后样品的煤化程度增加，半焦的煤化程度随热解终温的升高而升高;获得了该煤种的热解动力学特性，提出了400-640℃热解温度下以Dolye积分法为基础的褐煤热解动力学模型，其中指前因子A取值0.14～0.21min-1、活化能E取值8.78～10.01KJ/mol。提出了100万吨/年褐煤热解提质技术的中试系统方案，并针对该方案利用Aspen软件获得了物质平衡特性。
　　搭建了15万吨/年大功率微波褐煤干燥提质的中试试验装置，本文基于该平台重点试验研究了微波干燥褐煤动力学特性及操作运行参数对干燥产物的影响规律。基于Midilli-Kucuk模型，建立了宝日希勒褐煤的微波干燥动力学模型MR=1.0254exp(-2.0553×t1.5687)+3.5356t;此外，本文研究了微波功率配比、输送速度、煤层厚度对褐煤干燥效果（干燥产物水分、热值、回吸、落下强度）的影响规律。中试试验研究结果表明，微波在有效促进内部水分向外析出的同时，不会过度加热物料表面，避免出现表面硬化（结壳），实现颗粒的整体均匀受热，干燥速率和干燥品质大大提高;微波干燥技术能够将含水率为28-35％的褐煤干燥至含水率为3-20％，干燥能力范围较宽;中试整体温度处于低温水平，挥发分基本不析出，能够较好地保持煤质和结构，系统安全性高;针对特定褐煤煤种，微波干燥后仍然存在自燃的现象;存在最佳干燥含水率，粒径6cm的干燥褐煤水分回吸后维持在11.3％左右、粒径1-3cm的干燥褐煤含水率维持在10.5％左右、粒径小于1 cm的干燥褐煤含水率维持在9％左右，因此工业生产可根据含水率的需求设置合理的褐煤粒径。
　　为定量评价褐煤热解和褐煤干燥提质技术的环境影响及经济成本，本文引入生命周期环境影响评价(LCIA)研究了褐煤热解发电技术的环境影响，掌握了影响褐煤热解发电技术的关键因素。首先针对褐煤热解发电系统确定了系统边界，并建立了完备的周期清单数据库。LCIA定量化研究结果表明电力消耗、热解气发电、道路运输、煤炭开采和直接污染物排放是影响环境的关键因素，减少电力消耗、道路运输、煤炭开采和直接排放，以及提高热解气发电能力是减少环境负荷的关键环节。褐煤干燥能够有效提高褐煤发热量，虽然需要消耗一定的电力，但是整体上对减少环境负荷是有利的。
　　本文针对7种煤电方案开展了LCIA分析及生命周期成本(LCC)评价，建立了相对完整的周期清单，揭示了褐煤利用过程中节能减排的关键环节，定量获得了7种发电方案对生命周期环境与经济成本的影响规律。优化能源消耗、原料煤/褐煤的消耗是达到环境、经济双赢的关键环节。
　　本研究确定的我国褐煤提质全生命周期过程中主要微观变量与宏观环境与经济影响间的量化关系，不仅可为我国各界决策者制定关于褐煤利用的政策提供有用的数据与理论支持，还为提高能源利用效率和减少褐煤热解与发电厂环境污染提供科学的证据。

目录

声明

摘要

第—章绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 褐煤提质技术研究现状

1．2．1 褐煤热解技术研究现状

1．2．2 褐煤干燥技术研究现状

1．3 褐煤生命周期环境影响评价研究现状

1．3．1 生命周期评价研究现状

1．3．2 褐煤提质技术LCIA研宄现状

1．4 课题主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 煤的热解干燥动力学模型及生命周期评价理论

2．1 煤的热解动力学模型

2．2 煤的干燥动力学模型

2．3 生命周期影响评价理论

2．3．1 LCIA理论

2．3．2 中点影响类型

2．4 本章小结

第三章 褐煤热解提质特性及中试方案研究

3．1 原料煤的基本性质

3．2 褐煤热解动力学特性分析

3．3 热解条件对褐煤半焦性能的影响分析

3．3．1 热解温度及热解停留时间对半焦挥发分的影响

3．3．2 热解温度及热解停留时间对半焦发热量的影响

3．3．3 热解对低阶煤化学结构的影响

3．3．4 热解半焦红外光谱分析

3．4 100万吨／年褐煤热解提质工艺研究

3．4．1 褐煤热解提质工艺方案

3．4．2 褐煤热解工艺物料平衡计算

3．5 本章小结

第四章 褐煤微波干燥特性中试试验研究

4．1 试验系统

4．1．1 输煤系统

4．1．2 微波干燥系统

4．1．3 电控系统

4．2 试验原料、试验方法与试验内容

4．2．1 试验原料

4．2．2 试验方法

4．2．3 试验内容

4．3 褐煤微波干燥特性

4．3．1 微波功率对褐煤干燥效果的影响

4．3．2 不同功率分布对干燥效果的影响

4．3．3 输送速度对褐煤干燥效果的影响

4．3．4 煤层厚度的影响

4．4 褐煤微波干燥动力学特性

4．5 褐煤微波干燥产物特性分析

4．5．1 褐煤微波干燥产物的内在水分变化规律分析

4．5．2 褐煤微波干燥产物的热值分析

4．5．3 含水率对褐煤的工业分析和元素分析的影响

4．5．4 褐煤微波干燥产物回吸特性分析

4．5．5 褐煤微波干燥产物的落下强度特性分析

4．5．6 微波干燥对褐煤粒径变化影响分析

4．5．7 微波干燥褐煤产物的自燃特性

4．6 系统排放特性

4．6．1 系统的扬尘特性

4．6．2 系统水汽排放特性

4．7 本章小结

第五章 褐煤热解提质的生命周期影响评价

5．1 生命周期清单

5．1．1 功能单位和系统边界

5．1．2 数据来源

5．2 褐煤热解提质及热解气发电的LCIA评价

5．2．1 LCIA中点影响因素

5．2．2 关键环境影响因素的识别

5．2．3 清单数据可靠性分析

5．2．4 褐煤品质与其含水率的关系

5．2．5 敏感性分析

5．3 本章小结

第六章 褐煤干燥提质的生命周期影响评价

6．1 生命周期清单

6．1．1 功能单位和系统边界

6．1．2 数据来源

6．2 褐煤干燥技术的LCIA评价及LCC评价

6．2．1 ReCiPe模型的可靠性研究

6．2．2 褐煤干燥技术的LCIA影响评价

6．3 褐煤干燥技术的LCC评价

6．3．1 褐煤干燥技术主要贡献者与经济成本的关系

6．3．2 最佳道路运输距离

6．3．3 褐煤干燥过程关键因素的敏感性分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要成果及创新

7．2 进一步研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH PAPERS