CN101936641A - 一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法和装置，其中方法包括如下步骤：第一步，将需要脱水的煤炭放入到压力容器中，将所述的压力容器密封；第二步，对所述的煤炭进行加温加压，当煤炭的温度和压力达到设定值时，减小压力，使煤炭中的水分发生闪蒸；第三步，当罐内压力降至接近压力容器外的环境压力时，开启压力容器，将所述的煤炭移出，完成煤炭去除水分的过程。本方法步骤设计合理，本装置结构简单，使用和维护方便，而且能源利用率高、系统节水效果好。

Description

一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种脱水方法和装置，尤其涉及一种煤炭脱水技术领域的方法和装置。

背景技术：

节能减排、大力开发清洁能源已经列入国家中长期、可持续发展战略，在我国一次能源结构还是以煤炭为主的情况下，褐煤开发、利用的技术受到国务院和国家发改委的高度重视并已经列入国家清洁能源发展目标。同时，出于资源保护的目的，国家能源委已经对山西等地的优质煤炭资源采取限制开采和禁止使用优质煤进行煤化工工程的政策。

我国是以煤炭为主导一次能源资源的国家，煤炭能提供65％以上的一次能源，我国的煤炭资源中可采储量位居世界第三，约占世界总储量的11.5％。但是其中约12.7％的储量是褐煤，已探明褐煤储量约2000亿吨，褐煤资源主要分布在内蒙古东部、云南东部、东北等地区，华南也有少量储量。

据统计，全世界褐煤储量约26229亿吨，约占世界煤炭总储量的24.4％，足够供2100座发电能力为1000MW的电站使用30年。我国已探明褐煤储量约2000亿吨，约占全国煤炭资源总量的12.7％，主要分布在内蒙古东部、云南东部、东北等地区，华南也有少量储量。

褐煤是一种变质程度较低，介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色的低级煤，是挥发分和内在水分又较高的煤种，具有遇空气容易风化、遇水又容易泥化的特性。因此要降低含水率、含氧量，提高热值，实现褐煤大规模、高效、低污染生产、远距离运输，使褐煤商品化。

将低质廉价的褐煤进行充分转化，提质后得到的产物品种丰富，可提高其附加值，提高褐煤的品质和综合利用率及扩大应用领域，改善我国化工生产、电力行业和冶金行业的原料结构，同时也解决了褐煤直接燃烧时环境污染严重、热利用率低的问题。

与烟煤、无烟煤相比，褐煤的优势是价格较低，反应活性高，灰分和含硫量低，但其热值相对较低，含水量较高，一般为25～60％。褐煤中的水分增加运输成本，影响锅炉运行，降低电厂效率，增加温室效应气体排放，因此褐煤干燥和提质技术及装备的开发是清洁和有效利用褐煤的关键。

目前国外普遍采用烟气预干燥或水蒸气干燥工艺对褐煤进行干燥，然后直接送至坑口电厂用于燃烧发电。

和国外不同的是，我国坑口电厂数量少，大部分电厂远离煤矿。如我国东部和东南沿海地区的很多电厂所用的煤炭都运自山西、河南等省的煤矿，即煤炭运输半径较大。这对褐煤资源的开发和利用提出了更高的要求。我国内蒙地区的褐煤水分含量约为35％，云南地区的褐煤水分更高达将近60％。从运输成本和燃烧热值方面考虑，褐煤需要在干燥后才能运输到电厂燃烧。长距离运输高水分、低热值的褐煤在经济上是不合算的。另一方面，从锅炉燃烧角度来说，燃烧高水分褐煤将导致火焰温度降低，热效率下降，当电厂使用脱水和提质后的褐煤，可以显著减少或避免电厂额定出力降低的现象。

锡盟2009年褐煤产量将达到7000万吨，除盟内加工消化2000万吨外，其余煤炭均需要外运。5000万吨褐煤如果进行脱水提质，至少可以减少1000万吨运输量，可节约铁路运费15～20亿元(不包含海运费)。

美国曾对褐煤脱水后减少运输量的效果做过评估，一种水分42.52％、发热量2847kcal/kg的褐煤，经2.02Mpa的蒸汽处理后，水分降至14.43％，发热量增加到4315kcal/kg，相当于提高了热值51.6％。上都电厂240万千瓦机组一年大约要用褐煤1100万吨，如果能将褐煤水分由36％降至16％左右，则一年可减少220万吨煤炭运输，节省运费6600万元。

现有技术中，采用滚筒干燥、管状干燥、气流干燥、流化床干燥、热风炉干燥，普遍存在投资大，运行费用高，存在易燃易爆的危险，因此，急需提供一种安全性能高、脱水效率高、成本低的煤炭脱水装置。

发明内容：

本发明要解决的技术问题之一是克服上述现有技术之不足，提供一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法和装置，具有设计合理、结构简单、使用和维护方便、安全性能高、脱水效率高的特点，而且能源利用率高、系统节水效果好。

闪蒸现象是水及其它流体物质所具有的一种特殊属性，在化工、蒸汽工程等领域经常利用这一特殊属性进行热量交换等过程。虽说其它流体也具备这种属性，但是在绝大多数的时候，所说闪蒸特指水的闪蒸。

闪蒸是指水的一种相变过程，即在一定压力和温度下的水，当压力下降至某温度下的饱和压力时，就会开始进入饱和区而开始汽化，并且随着压力的下降，其汽化程度不断提高。

水在升温至沸点前的过程中吸收的热叫“显热”，或者叫饱和水显热。在同样大气压力下将饱和水转化成蒸汽所需要的热叫“潜热”。在一般场合下，热的单位用千焦表示，它是指将1kg水在1个大气压力下升高0.24℃所需要的热量。

然而，如果在高于标准大气压的压力下加热水，那么水的沸点就要比100℃高，所以就要求有更多的显热。压力越高，水的沸点就高，热含量亦越高。压力降低，部分显热释放出来，这部分超量热就会以潜热的形式被吸收，引起部分水被“闪蒸”成蒸汽。

按照本发明提供的一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，包括如下步骤：

第一步，将需要脱水的煤炭放入到压力容器中，将所述的压力容器密封；

第二步，以饱和蒸汽做为工作介质，对所述的煤炭进行加温加压，当煤炭的温度和压力达到设定值时，减小压力，使煤炭中的水分发生闪蒸；

第三步，温度和压力调整到压力容器外环境压力以便开门，开启压力容器，将所述的煤炭移出，完成煤炭去除水分的过程。

按照本发明提供的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，还具有如下附属技术特征：所述的第二步中的温度和压力的设定值，是以煤炭所需的脱水量做为计算依据，具体计算方法为：

W＝(M×Cp×ΔT)/Qt

式中：

W：闪蒸脱水量(Kg)；

M：处理原煤的重量(Kg)；

Cp：原煤的比热容(KJ/Kg℉)；

ΔT：发生闪蒸时与闪蒸结束时的温度差(℉)；

Qt：发生闪蒸时的汽化热值(KJ/Kg)

在所述的第三步之后，设置有蒸汽回收步骤，在所述的蒸汽回收步骤中，对回收的蒸汽进行加压加温，从而再将引入到所述的压力容器中，进行重复利用。

还设置有冷凝水回收步骤，用于将从煤炭中去除的水分进行回收。

所述的压力容器最少为三个，其中一个是作为冷凝水的回收罐，其余为煤炭脱水用的煤炭处理罐。

在运行过程中任意一个时刻，至少一个煤炭处理罐处于等待加压状态，或加压过程中的状态。

本发明还提供一种用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，包括蒸汽储能器、进气总管、排气总管，以及至少三个压力容器罐，所述三个压力容器罐中包括一个储水罐和至少两个煤炭处理罐，所述的煤炭处理罐分别设置有进气管、排气管和冷凝水排水管，所述的蒸汽储能器与进气总管相连接，所述的进气总管与所述的进气管分别连接，所述的排气总管与所述的排气管分别连接，所述的冷凝水排水管与所述的储水罐相连接。

按照本发明提供用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，还具有如下附属技术特征：在所述的排气总管与所述的进气总管之间，设置有供气体加压的蒸汽输送泵，所述的排气总管与所述的蒸汽输送泵的低压气体入口相连接，所述的蒸汽输送泵的出口与所述的进气总管相连接。

所述的储水罐设置有排气管，与所述的排气总管相连接。

在所述的煤炭处理罐顶部设置有集气管，所述的集气管设置有不凝性气体排气管。

在所述的排气管、进气管、冷凝水排水管上设置有阀门。

所述的煤炭处理罐在运行的任意时刻，都至少一个煤炭处理罐处于等待加压状态，或加压过程中的状态。

当煤炭处理罐为煤炭处理罐4A以及煤炭处理罐4B共两个时，本装置的具体操作如下：

1)、开始，处理罐4A需要排空减压，对处理罐4A内的煤炭进行闪蒸；而处理罐B为刚刚装好煤炭，并已经关闭了罐门，需要进气加压；

2)、关闭处理罐4A与储水罐之间的阀门连接；

3)、关闭处理罐4A上气体排出管路之间的所有阀门；

4)、确认其他阀门处于关闭状态；

5)、开启处理罐4A与排气总管相连的连接管上的阀门；

6)、开启处理罐4B与进气总管相连的连接管上的阀门；

7)、开启与蒸汽输送泵并行的阀门，以两个处理罐内压差为动力，使处理罐A内蒸汽箱处理罐B流动；

8)、两处理罐内压差降低到一定数值时，关闭与蒸汽输送泵并行的阀门并启动蒸汽输送泵，继续将处理罐4A内的工艺蒸汽输送至处理罐B；

9)、两罐内压力相等后继续泵送，直至处理罐4A内的压力值降到设计值；

10)、关闭处理罐4A与排气总管之间的阀门；

11)、开启储水罐与排气总管之间管路上的阀门，对储水罐内的冷凝水进行闪蒸，并将闪蒸蒸汽排至处理罐B内；

12)、储水罐内的压力值降至设计值时，关闭储水罐与排气总管之间管路上的阀门；

13)、关闭输送泵，以蒸汽储能器为处理罐4B保压直至下一个处理过程。

按照本发明提供的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法和装置，安全性能高，胶水效率高，整体结构简单，造价低廉，减轻企业投资风险，同时，故障率低，用户的使用成本降低，另外，由于饱和蒸汽和闪蒸汽蒸汽均回收利用，致使减少了热量排放，使得热能利用率最大化，即减轻了用户的能源费用，又减少了对环境的污染；本系统具有良好的节水效果，表现为：第一部分是由于蒸汽的直接回收利用，其中的冷凝水也是可以回收的；第二部分是不需要单独设置常规设计中的循环冷却系统，节省了冷却水的使用；第三部分是从煤炭中闪蒸出来的水的回收利用，导致系统不但不需要外界供水，而且可以产生多余的水分，将这部分多出来的水进行清洁处理，可以作为水资源出售。

附图说明：

图1为按照本发明提供的用闪蒸法去除煤炭中水分的装置的示意图。

具体实施方式：

如果有一批原煤，含水率为40％，重量为100Kg，需要脱水后的含水率为32.9％，则在2.5Mpa下的饱和蒸汽中加工。

该压力下的饱和蒸汽温度为224℃(435℉)；

闪蒸时煤的温度为150℃(302℉)；

煤的Cp为1.8KJ/Kg℉(经验值，可查相关数据)；

闪蒸发生时为常压101Kpa；汽化热为2256.6KJ/Kg。

则闪蒸脱水量(W)＝(100×1.8×(435-302))/2256.6＝10.61(Kg)

经加工后产品煤的含水率为(0.4×100-10.61)/(100-10.61)＝32.9％

具体脱水办法：

参见图1，把欲脱水的煤炭放入煤炭处理罐4A、4B内，高温饱和蒸汽经进气总管2进入煤炭处理罐4A、4B，进行加温加压，当含水原煤温度和压力达到设定值时，减小压力，使煤炭中的水分发生闪蒸；直至罐内压力接近压力容器外的环境压力以便开门，开启煤炭处理罐，将所述的煤炭移出，完成煤炭去除水分的过程，之后使用后的蒸汽沿排气总管3排出煤炭处理罐，煤炭处理罐4A、4B分别设置有进气管和排气管以及冷凝水排水管，蒸汽储能器1与进气总管2相连接，进气总管2与煤炭处理罐4A、4B的进气管分别连接，排气总管3与煤炭处理罐4A、4B排气管分别连接，煤炭处理罐4A、4B的冷凝水排水管与储水罐5相连接，在进气总管2、煤炭处理罐4A、4B的排气管、进气管、冷凝水排水管上分别设置有阀门，在排气总管3与进气总管2之间，设置有喷射式热泵6，排气总管3与喷射式热泵6的低压气体入口相连接，喷射式热泵6的出口与进气总管2相连接，喷射式热泵的喷嘴与来自锅炉的过热蒸汽管7相连接，用来将排气总管中的乏气加压后再进入进气总管，循环工作，实现蒸汽回收，为了加收闪蒸过程中产生的冷凝水，特意设置有储水罐5。

储水罐5的上部设置有排气管，与排气总管3相连接。由于工艺蒸汽经过使用能量有所降低，除使用锅炉蒸汽进行补充外，还可以对储水罐5中的冷凝水进行闪蒸，这部分闪蒸蒸汽与锅炉蒸汽混合达到工艺蒸汽参数后进入处理罐。在储水罐5与排气总管之间的连接管路上有阀门，当对处理罐中的乏汽进行闪蒸时，这个阀门是关闭的，当处理罐5中的压力已经降低到所需压力值时，关闭排气状态的处理罐排气管路上的阀门，同时开启储水罐5与排气总管之间管路上的阀门，对储水罐中的冷凝水进行闪蒸。通过对储水罐中的冷凝水进行闪蒸不但可以补充系统所需蒸汽，还起到了对冷凝水降温的作用。

在运行过程中任意一个时刻，至少一个煤炭处理罐处于等待加压状态，或加压过程中的状态。

因为在类似闪蒸法一类的、以蒸汽为介质的、在压力容器内进行的处理过程中，会有一部分不凝性气体与蒸汽混合存在，如果用闪蒸法来对煤炭进行脱水，则不凝性气体来源主要包括：水源中溶解的气体成分、煤炭组织中所含气体成分和煤炭加热时羧基分解产生的二氧化碳，主要成分为二氧化碳、氮气及其少量的其它气体，不凝性气体不参与闪蒸工艺过程，也就不存在消耗，在反复利用乏汽的过程中，其中的不凝性气体所占比例会逐渐累积增加，其后果除影响热交换效率外，其中的可燃性气体会对系统设备运行的安全性产生威胁。因此，为了在生产中将不凝性气体分离出来，在煤炭处理罐4A、4B顶部分别设置有集气管8，集气管8设置有不凝性气体排气管9。

本发明中的煤炭处理罐为两个或三个，也可以是多个，在上述实施例中，示出的是两个煤炭处理罐，在实际使用中，可根据不同场合的煤炭加工量需求计算处理罐的直径和长度，以及处理罐的个数。

具体操作如下：

1)、开始，处理罐4A需要排空减压，对处理罐4A内的煤炭进行闪蒸；而处理罐4B为刚刚装好煤炭，并已经关闭了罐门，需要进气加压；

2)、关闭处理罐4A与储水罐之间的阀门连接；

3)、关闭处理罐4A上气体排出管路之间的所有阀门；

4)、确认其他阀门处于关闭状态；

5)、开启处理罐4A与排气总管相连的连接管上的阀门；

6)、开启处理罐4B与进气总管相连的连接管上的阀门；

7)、开启与蒸汽输送泵并行的阀门，以两个处理罐内压差为动力，使处理罐A内蒸汽箱处理罐4B流动；

8)、两处理罐内压差降低到一定数值时，关闭与蒸汽输送泵并行的阀门并启动蒸汽输送泵，继续将处理罐4A内的工艺蒸汽输送至处理罐B；

9)、两罐内压力相等后继续泵送，直至处理罐4A内的压力值降到设计值；

10)、关闭处理罐4A与排气总管之间的阀门；

11)、开启储水罐与排气总管之间管路上的阀门，对储水罐内的冷凝水进行闪蒸，并将闪蒸蒸汽排至处理罐4B内；

12)、储水罐内的压力值降至设计值时，关闭储水罐与排气总管之间管路上的阀门；

13)、关闭输送泵，以蒸汽储能器为处理罐B保压直至下一个处理过程。

在使用本专利时，可根据不同的煤炭加工量的需求计算煤炭处理罐的直径和长度，以及处理罐的个数。

例如：以煤炭处理罐直径4000mm，长度20000mm为例，其2个煤炭处理罐、3煤炭处理罐和4煤炭处理罐的产量计算如下：

容积率＝50％(处理罐内煤炭所占体积与罐内容积之比*100％)；

堆积密度＝0.7吨/立方米；

按保守计划，每三小时处理一次；按乐观计划，每二小时处理一次；

产能计划及计算：

假设一：每年加工时数按8000小时；

假设二：每天工作24小时，连续生产；

单个罐容积：3.14*4*20＝251立方米；

双罐容积：502立方米；

三罐容积：753立方米；

四罐容积：1004立方米；

则：

1、双罐的单次处理量：502*0.5*0.7＝175.7吨/次；

按三小时一次方案，双罐每小时处理量：175.7/3＝58.6吨/小时；

按三小时一次方案，双罐年处理能力：58.6*8000＝468,800吨/年；

按二小时一次方案，双罐每小时处理量：175.7/2＝87.85吨/小时；

按二小时一次方案，双罐年处理能力：87.85*8000＝702,800吨/年。

2、三罐的单次处理量：753*0.5*0.7＝263.55吨/次；

按三小时一次方案，三罐每小时处理量：263.55/3＝87.85吨/小时；

按三小时一次方案，三罐年处理能力：87.85*8000＝702,800吨/年；

按二小时一次方案，三罐每小时处理量：263.55/2＝131.775吨/小时；

按二小时一次方案，三罐年处理能力：131.775*8000＝1,054,200吨/年。

3、四罐单次处理量：1004*0.5*0.7＝351.4吨/次；

按三小时一次方案，四罐每小时处理量：351.4/3＝117.1吨/小时；

按三小时一次方案，四罐年处理能力：117.1*8000＝937,066.6吨/年；

按二小时一次方案，四罐每小时处理量：351.4/2＝175.7吨/小时；

按二小时一次方案，四罐年处理能力：175.7*8000＝1,405,600吨/年。

上述实施例只为说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关领域的普通技术人员，在此基础上，还可以做出多种变更和改进方案，而不脱离本发明的精神和保护范围。本权利要求书中，希望已经包含了符合本发明实质和范围的所有这些变更和改进方案。

Claims (13)

1.一种用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将需要脱水的煤炭放入到压力容器中，将所述的压力容器密封；

第二步，以饱和蒸汽做为工作介质，对所述的煤炭进行加温加压，当煤炭的温度和压力达到设定值时，减小压力，使煤炭中的水分发生闪蒸；

第三步，当压力容器内压力降至接近压力容器外的环境压力以便开门时，开启压力容器，将所述的煤炭移出，完成煤炭去除水分的过程。

2.根据权利要求1所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：所述的第二步中的温度和压力的设定值，是以煤炭所需的脱水量做为计算依据，具体计算方法为：

W＝(M×Cp×ΔT)/Qt

式中：

W：闪蒸脱水量(Kg)；

M：处理原煤的重量(Kg)；

Cp：原煤的比热容(KJ/Kg℉)；

ΔT：发生闪蒸时与闪蒸结束时的温度差(℉)；

Qt：发生闪蒸时的汽化热值(KJ/Kg)

3.根据权利要求2所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：在所述的第三步之后，设置有蒸汽回收步骤，在所述的蒸汽回收步骤中，对回收的蒸汽进行加压加温，从而再将引入到所述的压力容器中，进行重复利用。

4.根据权利要求2所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：还设置有冷凝水回收步骤，用于将由工艺蒸汽生成的冷凝水和从煤炭中去除的水分进行回收。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：所述的压力容器最少为三个，其中一个是作为冷凝水的回收罐，其余为煤炭脱水用的煤炭处理罐。

6.根据权利要求5所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：在运行过程中任意一个时刻，至少一个煤炭处理罐处于等待加压状态，或加压过程中的状态。

7.一种用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：包括蒸汽储能器、进气总管、排气总管，以及至少三个压力容器罐，所述三个压力容器罐中包括一个储水罐和至少两个煤炭处理罐，所述的煤炭处理罐分别设置有进气管、排气管和冷凝水排水管，所述的蒸汽储能器与进气总管相连接，所述的进气总管与所述的进气管分别连接，所述的排气总管与所述的排气管分别连接，所述的冷凝水排水管与所述的储水罐相连接。

8.根据权利要求7所述的种用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：在所述的排气总管与所述的进气总管之间，设置有供气体加压的蒸汽输送泵，所述的排气总管与所述的蒸汽输送泵的低压气体入口相连接，所述的蒸汽输送泵的出口与所述的进气总管相连接。

9.根据权利要求8所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的方法，其特征在于：所述的储水罐设置有排气管，与所述的排气总管相连接。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：在所述的煤炭处理罐顶部设置有集气管，所述的集气管设置有不凝性气体排气管。

11.根据权利要求10所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：在所述的排气管、进气管、冷凝水排水管上设置有阀门。

12.根据权利要求11所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：所述的煤炭处理罐在运行的任意时刻，都至少一个煤炭处理罐处于等待加压状态，或加压过程中的状态。

13.根据权利要求12所述的用闪蒸法去除煤炭中水分的装置，其特征在于：当煤炭处理罐为煤炭处理罐A以及煤炭处理罐B共两个时，本装置的具体操作如下：

1)、开始，处理罐A需要排空减压，对处理罐4A内的煤炭进行闪蒸；而处理罐4B为刚刚装好煤炭，并已经关闭了罐门，需要进气加压；

2)、关闭处理罐4A与储水罐之间的阀门连接；

3)、关闭处理罐4A上气体排出管路之间的所有阀门；

4)、确认其他阀门处于关闭状态；

5)、开启处理罐4A与排气总管相连的连接管上的阀门；

6)、开启处理罐4B与进气总管相连的连接管上的阀门；

7)、开启与蒸汽输送泵并行的阀门，以两个处理罐内压差为动力，使处理罐A内蒸汽箱处理罐B流动；

8)、两处理罐内压差降低到一定数值时，关闭与蒸汽输送泵并行的阀门并启动蒸汽输送泵，继续将处理罐4A内的工艺蒸汽输送至处理罐B；

9)、两罐内压力相等后继续泵送，直至处理罐4A内的压力值降到设计值；

10)、关闭处理罐4A与排气总管之间的阀门；

11)、开启储水罐与排气总管之间管路上的阀门，对储水罐内的冷凝水进行闪蒸，并将闪蒸蒸汽排至处理罐4B内；

12)、储水罐内的压力值降至设计值时，关闭储水罐与排气总管之间管路上的阀门；

13)、关闭输送泵，以蒸汽储能器为处理罐4B保压直至下一个处理过程。

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