褐煤干燥 WTA 技术

褐煤干燥WTA技术

德国公司 RWE Power AG 开发了用于干燥褐煤的 WTA（Wirbelschicht Trocknung Anlage）技术。 WTA是德语缩写，代表内废热利用流化床干燥。 RWE Power AG 在这项技术上拥有大量专利。

第一台蒸汽流化床干燥机由 RWE 开发，作为位于德国科隆附近 Frechen 的 WTA-1 示范工厂，其处理能力为每小时 53 吨粒度为 0 毫米至 6 毫米的原褐煤和每小时蒸发量25吨。在 1993 年至 1999 年的 20,000 小时试运行期间，WTA-1 示范装置以及用于干燥器加热的蒸汽压缩系统（在全球范围内首次用于褐煤应用）已被证明工作得非常好和可靠。

进一步的理论工作和对 WTA-1 工厂试运行的评估揭示了技术和经济过程优化的进一步潜力。考虑了几种开发替代方案，结果表明减小晶粒尺寸具有进一步改进的最大潜力。

1999 年，RWE 在 Frechen 的 WTA-1 工厂旁边建造了一个名为 WTA-2 的测试工厂，用于细粒度 WTA 工艺。新工厂的设计产能经过多个优化步骤，从最初的每小时 16.4 吨原煤吞吐量和每小时 8 吨蒸发能力提高到每小时 28.7 吨原煤吞吐量和 13.1 吨水蒸发能力到 2011 年，该工厂的总运行时间为 8,200 小时。

基于 WTA-2 工厂运营使用莱茵河褐煤区的一系列褐煤的丰富经验，RWE 于 2005 年决定在 Niederaussem 的煤炭创新中心建造商业规模的 WTA 原型工厂。设计能力为每小时处理原褐煤210吨，每小时干褐煤110吨，蒸发能力为每小时100吨。这代表了超过 8 倍的放大步骤。该工厂被设计为具有工业型过程控制系统和安全功能的生产工厂。它建于 2006 年至 2008 年之间，并于 2008 年 12 月干燥了第一批褐煤。作为 Niederaussem 设计的替代方案，主煤流的所有组件也可以在钢结构中相互叠加安装。

目前，这项技术正在 1000 兆瓦容量的 Niederaussem 发电站工作。该系统每小时可处理210吨原煤，每小时蒸发100吨水，是世界上最大的褐煤干燥厂。每小时可生产110吨干褐煤。

褐煤通常在加工成气态和液态产品时被转化为高质量的固体燃料。对于这种加工，需要将水分含量降低到 10% 到 20%。褐煤干燥作为一项基本的工艺技术操作，也提高了褐煤的质量。一种节能干燥方法改善了整个过程的能量平衡。作为褐煤加工和干燥的现代方法，WTA 技术适用于上述所有工艺。为优化褐煤能源利用全过程，降低排放做出了重要贡献。由于干燥的能量输入随着水分含量的增加而增加，WTA 技术所实现的效率提升并不是一个恒定值。去除的水分含量越高，提高效率的潜力就越大。

与发电相关的烟气排放与燃料输入量和发电厂的效率成正比。 WTA 技术效率的提高直接有助于降低这种排放。

在褐煤的常规干燥中，煤使用热烟气进行干燥，该烟气从温度范围为 900 摄氏度至 1,000 摄氏度的蒸汽发生锅炉炉中抽出，并被引导至磨机进行研磨。在那里，热烟道气在褐煤被粉碎时从褐煤中提取了大部分水分。如果将该组合过程解耦并分离为干燥和研磨，则可以在低温下以更高的能量效率干燥褐煤。褐煤的预干燥可以提高热值（CV），使其可以在没有任何备用燃料的情况下用于常规蒸汽锅炉的燃烧。

蒸汽干燥法

煤炭的蒸汽干燥是一种干燥方法，直到几年前，它一直被认为是煤炭干燥中的利基存在。 1979 年，波特等人。采用蒸汽干燥原理，实验室试验表明，褐煤也可以在静止流化床中使用微过热蒸汽进行干燥。

两个方面使褐煤的蒸汽干燥非常有趣。第一个是必须从原褐煤中除去大量的水，每吨原褐煤大约需要半吨水。第二个方面是褐煤具有吸湿性，这意味着褐煤中的水分含量与周围大气平衡，对于给定的褐煤，它只是水蒸气压力和温度的函数。

在恒定压力（例如大气压）下在纯蒸汽中干燥褐煤的过程中，平衡水分只是温度的函数。描述这种关系的曲线称为解吸等压线。从过程控制的角度来看，这是特别令人感兴趣的，因为干燥的褐煤的水分不取决于干燥时间，只要褐煤干燥足够长的时间以与蒸汽气氛平衡。此外，褐煤不能“过度干燥”，因为水分含量不再变化，一旦达到平衡，无论它在染色机中保存多长时间。解吸等压线取决于褐煤的质量。图 1 显示了系统压力约为 1.1 个大气压下两种褐煤的这种依赖性。图 1 显示，在约 110 度的温度下，类型 1 的褐煤达到约 12% 的平衡水分含量C，而在 2 型煤中达到 107 摄氏度。

图 1 褐煤的典型等压线

利用蒸汽干燥褐煤具有以下优点。

• 干燥在惰性气氛中进行，确保干燥褐煤的潜在爆炸特性具有高度的自然安全性。
• 干褐煤的水分含量只是恒定压力下温度的函数。
• 干燥温度比较低。
• 几乎 100 % 的干燥蒸汽由蒸汽组成，因此它会等温冷凝。因此，它是一种有吸引力的废热来源，可以以合理的方式积极利用。
• 蒸汽的冷凝可避免大量蒸汽排放和粉尘排放。
• 回收的冷凝水是一种可利用的水源，有助于满足工厂的用水需求。

WTA 工艺和流化床干燥器

原褐煤在两个直接串联的磨机中被磨碎至小于 2 毫米的尺寸。磨碎后的煤被送入流化床干燥器，其中流化介质是干燥过程中产生的蒸汽。通过集成在流化干燥器中并用蒸汽加热的热交换器，水的蒸发发生在 110 摄氏度和轻微超压下。褐煤在干燥室的停留时间为60-90分钟。

离开固定床的干燥煤首先在旋风分离器中与伴随的蒸汽分离，然后在静电除尘器中分离。旋风分离器出口的蒸汽是用于床层流化的蒸汽，电除尘器出口的蒸汽排入大气。此外，床底煤进行粗提，通过中间冷却器后与旋风分离器和电除尘器分离的煤混合。

煤干燥所需的热量由外部蒸汽提供，该蒸汽通常来自涡轮机，热传递发生在位于床内的管束中。流化床中的干燥进一步减小了粒度，使得离开干燥器的干煤通常具有小于1mm的粒度，其中约9％大于1mm。干煤的水分含量约为 12%。通过控制流化床温度，可以调节水分含量并保持恒定在所需的值。 WTA工艺是降低褐煤发电CO2排放的重要技术。

褐煤通过星形进料器送入干燥机，干燥机处于轻微超压状态。专门为 WTA 技术开发的系统安装在干燥机的上部。它将预先研磨的原褐煤分布在流化床的表面。流化床由低压蒸汽加热，或者根据工艺选择，由再压缩蒸汽加热。这是褐煤干燥时出现的蒸汽。加热蒸汽的压力约为 3 至 4 个大气压。对于涡流（流化），所使用的系统适用于褐煤干燥的特定条件。在流化底部下方，干燥的褐煤通过星形给料器从固定床排出。干燥机具有高比容量和紧凑的设计。流化床干燥机如图2所示。

图2流化床干燥器示意图  

WTA流程的原则

WTA 工艺技术基于利用在轻微超压下具有低膨胀的固定流化床原理。这是一种固体颗粒床，通过向上流动（通常是空气）转化为“漂浮到流动”状态。干燥所需的能量通过安装在流化床干燥器中的热交换器提供，这些热交换器用蒸汽加热。通过流化介质仅提供少量能量。因此，流态化流量和干燥机的能量需求可以相互独立控制。

换热器与流化床之间的传热非常好，即使温差很小也能实现高热流。因此，干燥机尽管设计紧凑，但蒸发能力却很高。另外，由于褐煤经过研磨后的内聚性，实际上不可能进行散装流化，因此流化床一般设计为干褐煤作为载体介质，加入新鲜磨碎的褐煤的混合床。

干燥是在几乎 100% 纯的、略微过热的水蒸气气氛中进行的。在此过程中，相关蒸汽温度与褐煤中残留水分在恒定压力下达到平衡。

在蒸汽气氛中干燥褐煤的优点是煤的蒸发水等温冷凝，即在恒定温度下，因此它可以以高效的方式使用。已经在工业规模上开发了两种蒸汽使用概念，它们是（i）机械蒸汽再压缩作为开放式热泵过程来加热干燥器的热交换器，有和没有集成褐煤预热（图 3b），以及（ii ) 蒸汽冷凝用于预热，例如发电厂过程中的锅炉给水，如在 Niederaussem 实施的（图 3a）。

图 3a 带有蒸汽冷凝的 WTA 技术

这两种变体可以集成到 WTA 流程中。它们提高了干燥过程的能源效率并减少了排放。产生的蒸气冷凝物可用作工业用水。用于利用蒸汽的系统的选择取决于干燥要求和与整个过程的集成。

原褐煤粒度

WTA 干燥工艺已针对两种输入粒度开发，即 (i) 粗粒度（0 毫米至 6 毫米）和 (ii) 细粒度（0 毫米至 2 毫米）。如果下游过程需要最小粒度的干燥褐煤，例如高温温克勒过程中的气化或褐煤的焦化，则使用粗粒度替代方案。对于所有其他工艺，通常使用细粒度替代品，因为它在技术和经济上都更具吸引力。特别是作为常规电站的预干燥阶段，细粒度WTA工艺是有利的，因为最大粒度为1毫米的干燥褐煤非常细，可以直接在锅炉中用作燃料。

为了对原煤褐煤进行必要的直接细磨，RWE 开发了一种特殊工艺，该工艺具有两个串联的磨碎阶段，用于将原褐煤的粒度从小于 80 毫米降低到所需的值小于 2 毫米。图 3b 显示了细粒 WTA 工艺替代方案的整体过程，其中上游细磨和集成机械蒸汽压缩以在干燥过程中利用蒸汽能。

蒸发的煤水（蒸汽）在静电除尘器中净化，并在压缩机中重新压缩至约 4 个大气压，因此水蒸汽可用于加热安装在干燥器中的热交换器（图 3b）。蒸汽冷凝物的显热用于将原褐煤预热到 65 至 70 摄氏度左右。因此，蒸汽的能量用于满足干燥机的能源需求。

图 3b 带有预热器和蒸汽压缩的 WTA 技术

一些清洁过的水蒸气再循环到干燥器中，用于原褐煤的流态化。必要时将干燥的褐煤冷却，并使用集成在 WTA 设备中的研磨机再次研磨，使其粒度小于 1 毫米，以便直接用于发电厂锅炉中的燃烧。

来自干燥机的蒸汽还可用于预热发电厂水蒸汽循环中的锅炉给水。同样可行的是不使用水蒸气的低成本替代方案（图 3c）。安装该替代方案可提高高水分和高灰分褐煤的CV。

图 3c WTA 技术的低成本替代方案

WTA工艺的特点是高比容量和低加热蒸汽压力。因此，每个干燥器单元都可以实现非常高的干燥输出。此外，节省空间的设计和集成的原煤和干煤细磨系统，使整个工厂也保持相对紧凑。

WTA技术干燥褐煤的优势

以下是利用WTA技术干燥褐煤的优点。

• 由于在低温下干燥，并且通过蒸汽冷凝或机械蒸汽压缩对蒸发的煤水进行大力利用，因此能源效率高。
• 一种高度安全的操作技术，因为它在惰性气氛中进行干燥。这避免了煤尘和空气的爆炸性混合物。
• 烘干机的烘干能力很高。
• 设计紧凑，因为集成了原褐煤细磨系统，并且在需要的地方还进行了二次干燥褐煤粉磨。
• 利用高能蒸汽可避免大量蒸汽和粉尘排放。蒸汽冷凝水是可用于计划的水源。
• 设备工程可以灵活地满足干燥要求。
• 该技术可将发电厂效率提高 4% 至 6%，具体取决于干燥方式和原褐煤的水分含量。






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