低階粉煤多管回轉(zhuǎn)熱解新技術(shù)

胡 洪，趙玉良

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

低階粉煤多管回轉(zhuǎn)熱解新技術(shù)

胡 洪，趙玉良

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

基于低階粉煤的熱解工藝特性，中國(guó)重型機(jī)械研究院提出了一種新的多管回轉(zhuǎn)熱解技術(shù)(ZDHR)。介紹了該技術(shù)的工作原理及流程，分析比較了該熱解技術(shù)與已有技術(shù)的特點(diǎn)，并驗(yàn)證了ZDHR工藝系統(tǒng)的可行性。對(duì)ZDHR熱解技術(shù)進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行了分析展望。

ZDHR技術(shù)；粉煤；熱解工藝

0 前言

煤炭熱解技術(shù)的發(fā)展最早是由處理塊煤開始的，普遍的熱解設(shè)備是人們所熟知的各種立式爐型。但這種爐型和熱解工藝并不適合處理粉狀小顆粒煤，且單臺(tái)處理能力也較小。因此，如何進(jìn)行粉煤的熱解處理，尤其是更為經(jīng)濟(jì)的規(guī)模化處理，人們進(jìn)行了多種類型熱解技術(shù)的開發(fā)和試驗(yàn)。熱解后產(chǎn)生的熱解氣還要進(jìn)行相應(yīng)的粉塵脫除、冷卻、脫氨、脫硫等處理，并最終得到半焦、煤焦油及煤氣。由于各種工藝采用的核心設(shè)備也各不相同，如氣體熱載體直接換熱的流化床或移動(dòng)床，固體熱載體直接換熱的氣流床或旋轉(zhuǎn)床，氣體熱載體間接換熱的旋轉(zhuǎn)床，無(wú)熱載體的環(huán)形床等等。雖然粉煤粒徑小而易于熱解，但是粉煤的熱解工藝中尚存在揚(yáng)塵及爆炸、堵塞、焦油品質(zhì)、傳熱等問題。

中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司通過對(duì)現(xiàn)有熱解工藝技術(shù)及裝備的綜合分析和比較，提出了一種新的多管間壁換熱回轉(zhuǎn)式低溫?zé)峤夤に嚰夹g(shù)，即低階粉煤低溫ZDHR技術(shù)。

1 ZDHR技術(shù)的工藝原理及流程

ZDHR工藝系統(tǒng)主要由上料系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、半焦及熱解氣冷卻和余熱回收系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)等組成,其中預(yù)熱、熱解、高溫過濾和半焦與熱解氣冷卻裝置是中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司專門開發(fā)的核心工藝設(shè)備，已申報(bào)并獲有多項(xiàng)專利。該熱解技術(shù)的主體設(shè)備由預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)式熱解窯兩部分組成。不僅有利于熱解介質(zhì)即熱風(fēng)的分級(jí)利用，也可使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜和造價(jià)較高的熱解筒體長(zhǎng)度更短，整體造價(jià)更低。

熱解工藝依次分為干燥預(yù)熱段、干餾段、熱解氣凈化和半焦余熱回收冷卻段及油氣冷卻凈化收集段等。經(jīng)篩分除雜的粉煤先進(jìn)入干燥段進(jìn)行干燥，之后通過喂料機(jī)進(jìn)入預(yù)熱裝置。熱風(fēng)經(jīng)由布置在回轉(zhuǎn)筒體內(nèi)的多組加熱管束，加熱分布在管外翻動(dòng)的粉煤，并使其升溫?zé)峤?。預(yù)熱熱風(fēng)由熱解窯的進(jìn)料端排出，再進(jìn)入間壁式預(yù)熱器對(duì)粉煤進(jìn)行預(yù)熱至200 ℃左右。在螺旋輸送裝置的推動(dòng)下，經(jīng)干燥預(yù)熱后的煤料進(jìn)入熱解窯，被通過窯內(nèi)的加熱風(fēng)管加熱至約450～600 ℃左右，煤料受熱分解析出揮發(fā)分后成為半焦。排至窯外的熱半焦經(jīng)半焦冷卻余熱回收裝置回收余熱后，冷卻至100 ℃以下出爐，即成為低溫半焦產(chǎn)品。直接使用或銷售時(shí)可輸送至堆場(chǎng)，需長(zhǎng)途運(yùn)輸或它用時(shí)，應(yīng)再進(jìn)行粉碎、混合、擠出成型及烘干處理。熱解所產(chǎn)生的氣體先經(jīng)高溫過濾裝置濾除粉塵后，再進(jìn)行冷卻和電捕焦油回收，回收出高品質(zhì)的純凈煤焦油，便于進(jìn)行后續(xù)處理。經(jīng)冷卻后的煤氣可進(jìn)一步深加工或供加熱爐作為燃料使用。

圖1為新型ZDHR系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工藝流程。該新型煤熱解工藝系統(tǒng)在同等處理能力條件下整體重量及尺寸均較小，空間利用率高，熱效率高。雙層筒體內(nèi)置隔熱保溫材料，使熱能損失達(dá)到最小，確保了熱解系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

圖1 ZDHR工藝流程圖Fig.1 ZDHR technological process

2 ZDHR技術(shù)的特點(diǎn)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

ZDHR工藝技術(shù)和已有技術(shù)比較，有如下特點(diǎn)：

(1)熱解裝置由預(yù)熱器和熱解窯組合而成，工藝結(jié)構(gòu)合理，流程短。熱解方法采用了多加熱管熱風(fēng)循環(huán)式熱解原理，為間接回轉(zhuǎn)加熱式熱解，傳熱效率高，產(chǎn)生的氣體熱值高，純凈度高，便于進(jìn)一步應(yīng)用及深加工。熱風(fēng)循環(huán)利用效率高，廢氣排放少，有效減少了熱解過程中的碳排放。此外，新的熱解工藝還具有廢水生成量小，治污壓力小，有助于降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。

(2)采用專門開發(fā)的高溫氣體過濾系統(tǒng)預(yù)先對(duì)熱解氣進(jìn)行凈化，大大減少了氣體中固體顆粒物的含量，有效提高了氣體的純凈度，便于進(jìn)一步的焦油分離，解決了長(zhǎng)期以來(lái)存在的焦油顆粒物難分離及焦油品質(zhì)低的難題，也降低了熱解系統(tǒng)產(chǎn)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)熱解氣及高溫半焦采用干法冷卻，不僅有效回收了余熱，也大大減少了對(duì)水資源的消耗和環(huán)境污染。立式-水平式組合干法熄焦裝置還降低了整條線的設(shè)備安裝高度，有效減少了基礎(chǔ)的投資費(fèi)用。

(4)系統(tǒng)還采用了新型結(jié)構(gòu)的柔性窯體密封、加熱管束自平衡支撐機(jī)構(gòu)、變剛度內(nèi)外窯體連接、行星差動(dòng)式熱解窯調(diào)速系統(tǒng)和熱風(fēng)高效梯級(jí)利用等專有技術(shù)，確保了整條線的優(yōu)異技術(shù)性能。

(5)新工藝可適用于規(guī)模化生產(chǎn)，單臺(tái)年處理能力可達(dá)150萬(wàn)噸，適宜于進(jìn)行規(guī)?；臒峤饧吧罴庸どa(chǎn)線建設(shè)，經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性均較好。

為驗(yàn)證多加熱管回轉(zhuǎn)式熱解(ZDHR)工藝系統(tǒng)的可行性，我院目前已建有小型中試裝置，如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)包括了備煤、預(yù)熱、熱解、熱解氣高溫過濾與冷卻凈化、半焦冷卻等部分，涵蓋了熱解工藝的各主要環(huán)節(jié)。利用此中試裝置，已進(jìn)行了近二年的多因素及多狀態(tài)下的工藝試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)運(yùn)行和多次整改完善，工藝流程目前已全部打通，系統(tǒng)運(yùn)行順暢。結(jié)果表明，所開發(fā)的熱解窯、高溫過濾器等工作狀態(tài)穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)很好適應(yīng)了粉煤熱解工藝的需要。新的熱解工藝系統(tǒng)構(gòu)型合理，切實(shí)可行，工作過程中煤熱解充分，所產(chǎn)焦油純凈，熱解氣熱值高，是進(jìn)行規(guī)?；勖簾峤馓幚淼睦硐脒x擇。

圖2 粉煤熱解熱解中試線Fig.2 Production experiment line of pulverized coal pyrolysis

3 ZDHR技術(shù)的擴(kuò)展

對(duì)粉煤熱解技術(shù)的開發(fā)，尤其是規(guī)模化熱解技術(shù)應(yīng)用才剛剛起步，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性還需要進(jìn)一步改進(jìn)完善?？紤]到用戶多樣化的需求，熱解技術(shù)的發(fā)展趨向是將逐步走向各種形態(tài)的煤、電、油、氣、化多聯(lián)產(chǎn)一體化[4]。市場(chǎng)更需要成熟完善的全流程的工藝技術(shù)和更為完整的整體系統(tǒng)解決方案。因此，ZDHR技術(shù)尚需要進(jìn)行進(jìn)一步的深化研究和擴(kuò)展。

3.1 熱解-氣化一體化技術(shù)

現(xiàn)有的煤炭低溫?zé)峤庀到y(tǒng)產(chǎn)生的高溫半焦需要冷卻，這樣便于堆放貯存，之后可再用于制取高爐噴吹煤粉或用于發(fā)電。半焦余熱雖然采取了熱回收措施，但回收率低，影響了熱解工藝系統(tǒng)的能效。因此，擬開發(fā)一種低階粉煤熱解與半焦氣化復(fù)合工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)粉煤熱解與半焦直接氣化一體化處理，不僅可提供熱解氣及提取焦油，同時(shí)有效利用熱態(tài)半焦直接制取燃料氣或原料氣，更加高效地利用了半焦的余熱，省去了繁雜低效的半焦余熱回收過程。

圖3是基于ZDHR技術(shù)提出的熱解-氣化一體化工藝技術(shù)方案。系統(tǒng)工作時(shí)，粉煤先后經(jīng)由預(yù)熱器、熱解窯后形成的熱態(tài)半焦直接進(jìn)入流化床半焦氣化爐進(jìn)行氣化。進(jìn)入氣化爐的半焦在由氣化爐底部進(jìn)入的空氣和蒸汽的作用下形成流化態(tài)，并在高溫下實(shí)現(xiàn)氣化，產(chǎn)生的氣體由氣化爐上部進(jìn)入氣固分離器，分離出的半焦顆粒再回到氣化爐中繼續(xù)氣化。分離氣體之后進(jìn)入余熱鍋爐經(jīng)余熱回收降溫后由下部排出，在此過程中產(chǎn)生的蒸汽匯聚于汽包中，可作為氣化爐的氣化劑，也可供工藝系統(tǒng)使用。

實(shí)現(xiàn)上述熱解-氣化一體化的關(guān)鍵在于開發(fā)適用的能處理粉狀半焦的氣化裝置及相應(yīng)的工藝技術(shù)。

圖3 熱解-氣化一體化工藝流程圖Fig.3 Technological process of pyrolysis-gasification unity

3.2 熱解-發(fā)電一體化技術(shù)

由于煤炭綜合利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)存在發(fā)電及氣化或熱解兩個(gè)單元無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行而相互干擾，設(shè)備規(guī)格難以放大等難題，一直無(wú)法進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。為保證發(fā)電設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)階段還無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行的熱解及氣化單元，可設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，這樣在任一單元發(fā)生故障或檢修時(shí)，可切斷耦合環(huán)節(jié)，使另一單元仍能獨(dú)立進(jìn)行。中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司擬開發(fā)的熱解-發(fā)電耦合系統(tǒng)，其流程圖如圖4所示。該系統(tǒng)共包括了兩個(gè)單元，即采用多加熱管回轉(zhuǎn)式熱解窯的煤熱解單元和循環(huán)流化床鍋爐的燃燒發(fā)電單元。系統(tǒng)由干燥器、預(yù)熱器、熱解窯、高溫氣體過濾器、熱解氣冷卻和余熱回收裝置，第二冷卻器、焦油電捕器、冷焦機(jī)、循環(huán)流化床鍋爐、余熱回收鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷渣機(jī)、沸騰爐等裝置構(gòu)成。

當(dāng)熱解單元檢修或發(fā)生故障無(wú)法運(yùn)行時(shí)，此時(shí)關(guān)閉來(lái)自熱解窯的半焦通道，開啟預(yù)先設(shè)置的供煤(或半焦)通道，用預(yù)先準(zhǔn)備的煤或半焦，供給循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電。此時(shí)由余熱回收鍋爐產(chǎn)生的熱煙氣，可繼續(xù)供給干燥機(jī)干燥或直接外排。

當(dāng)發(fā)電單元檢修或發(fā)生故障無(wú)法運(yùn)行時(shí)，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐的半焦通道，改為經(jīng)由冷焦機(jī)冷卻后運(yùn)至堆場(chǎng)備用。此時(shí)，干燥熱源不足時(shí)，可降低干燥機(jī)的處理量。當(dāng)有其它干燥熱源補(bǔ)充時(shí)，仍可按正常處理量干燥。

圖4 熱解-發(fā)電一體化簡(jiǎn)要工藝流程Fig.4 Technological process of pyrolysis-generation unity

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保和煤炭清潔高效綜合利用要求的不斷提高，根據(jù)國(guó)內(nèi)外近些年來(lái)煤炭熱解技術(shù)的發(fā)展趨向，預(yù)計(jì)粉煤熱解技術(shù)研究將在一定時(shí)期內(nèi)仍保持相對(duì)活躍的狀態(tài)并逐步臻于成熟，其推廣應(yīng)用將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)形成一個(gè)高峰。為此，盡快推進(jìn)粉煤熱解成套技術(shù)的成熟完善，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)粉煤熱解系統(tǒng)的油、氣、熱、電、化多聯(lián)產(chǎn)。這不僅可使我國(guó)的粉煤熱解技術(shù)走在世界的前列，實(shí)現(xiàn)粉煤清潔高效利用和節(jié)能減排。同時(shí)對(duì)滿足市場(chǎng)需求，推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，無(wú)疑都具有決定性的影響。

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A new multi-tube rotary pyrolytic technique for low rank pulverized coal

HU Hong，ZHAO Yu-liang

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032, China)

Based on the pyrolytic characteristics of low rank pulverized coal, a new multi-tube rotary pyrolytic technique is proposed by China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd., the working principle and flow of the technique are introduced in this paper. Some characteristics of the pyrolytic technique and that of existing are analyzed and compared. And experiments verify feasibility of ZDHR process system. The further research direction of ZDHR technology is also analyzed and discussed.

ZDHR technology; pulverized coal; pyrolytic technology

2016-01-18；

2016-03-10

胡洪(1962-)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，高級(jí)工程師。

TQ523

A

1001-196X(2016)03-0016-04