橫管式褐煤低溫干餾爐的小規(guī)模試驗研究

馬曉飛

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

橫管式褐煤低溫干餾爐的小規(guī)模試驗研究

馬曉飛

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

通過橫管式褐煤干餾爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計、阻力計算搭建小規(guī)模試驗臺，經(jīng)三個回程的干餾，得到重量產(chǎn)率28.84%的半焦產(chǎn)品。該半焦產(chǎn)品在干餾過程中揮發(fā)分下降明顯，但與標(biāo)準(zhǔn)煤相比較，其收到基低位發(fā)熱量有一定提高，且干餾過程中產(chǎn)生了可作為單獨燃料使用的高純煤氣。半焦產(chǎn)品近80.23%的粒度大于8mm，很大程度上避免了細微粒度的懸浮半焦粉末給后續(xù)煤氣提純和焦油捕集造成的困難，同時由燃燒特性指數(shù)看出半焦燃燒特性較提質(zhì)前得到了明顯的改善。

褐煤；低溫干餾；試驗

褐煤是低階煤中煤化程度最低、也是可開采潛力較大的煤種，對其進行提質(zhì)方面的研究意義重大。低溫干餾也稱為低溫?zé)峤?，是將褐煤在與空氣隔絕的條件下，受熱分解生成煤氣、焦油、焦炭的過程。傳統(tǒng)靠外部傳熱式的干餾工藝存在熱量利用率低、原料內(nèi)熱量分布不均、焦油產(chǎn)率低的缺點。

經(jīng)過對多種傳統(tǒng)低溫干餾設(shè)備、原理的比較和論證，最終提出橫管式干餾爐。該提質(zhì)系統(tǒng)依托全新的橫管式干燥塔、橫管式干餾塔來完成褐煤低溫干餾的小規(guī)模試驗，目的是得到半焦、焦油和高純煤氣。

褐煤自中儲式煤倉，由螺旋料斗送入干餾爐內(nèi)。經(jīng)爐頂?shù)木及澹鶆蜃栽O(shè)備頂部灑落。首先，原料與防磨瓦接觸，以降低下落速度。原料在爐內(nèi)下落過程中，不間斷的與高溫加熱管接觸換熱，同時接受到輻射換熱。爐內(nèi)溫度為450～750℃。在換熱過程中隨著揮發(fā)分的析出，高純煤氣的含量逐漸增加。通過設(shè)備尾部引風(fēng)機的出力調(diào)節(jié)，即可調(diào)整爐內(nèi)的煤氣流動速度。該爐為避免爐墻與最外側(cè)加熱橫管間的“氣體走廊”現(xiàn)象，安裝了多排梳形管。該梳形管可有效將偏離加熱橫管的原料重新引導(dǎo)回爐內(nèi)，保證提質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量。

1 爐型參數(shù)與設(shè)計

1.1 干餾爐主要參數(shù)

（1）爐腔有效尺寸為0.5×3m，橫截面積為1.5m2；干餾段煙氣水平引入，經(jīng)過3回程干餾空間由引風(fēng)機排出；橫管尺寸為φ42×3×3000mm，上下節(jié)距為25mm，左右節(jié)距為30mm。單管有效傳熱面積為0.395m2；單管通徑為0.00101736m2，每層橫管排列7根, 爐膛干餾段有效高度6.03m, 排列管90層。出料斗高0.895m、出料口離地高度0.9m，進料倉高1.5m、給料機長度為1m、爐本體總高度為12m。

（2）第一回程高度2.68m，設(shè)計橫管280根，每根有效長度為3m。該回程有效換熱總長度為840m，有效傳熱面積為110.78m2；單管通徑為0.00101736m2，煙氣流速設(shè)計為20m/s，煙氣流量5.70m3/s。

第二、第三回程設(shè)計參數(shù)與第一回程相同。經(jīng)計算，試驗臺有效受熱面積249.25m2，三個回程流量和流速基本平衡。

（3）干餾爐煤氣從第二、第三兩個回程出口引出，引出窗口高度0.5m，寬度2.8m，公稱通流面積4.2m2。按最大煤氣產(chǎn)出量2000m3/h計算，引出口煤氣流速為0.13m/s。

經(jīng)計算，需不銹鋼管2500m，即7.26t。

1.2 干餾管道阻力計算

干餾爐第一回程煙管阻力計算結(jié)果如表1所示。

表1 橫管式干餾爐第一回程煙管阻力計算

2 試驗過程

試驗選取新疆哈密東部褐煤，煤質(zhì)分析結(jié)果見表2。為了提高提質(zhì)產(chǎn)品中煤氣的純度，避免原料水分造成干擾，用于該試驗的原煤在105℃下采用橫管式干燥爐干燥2h以除去水分。

試驗用原煤呈黑褐色，塊度為120mm左右，采用破碎機將原煤破碎至粒度30mm左右。經(jīng)105℃橫管式干燥爐干燥2h，減重46.7%。原煤成網(wǎng)狀龜裂蹦碎至10mm左右。

褐煤的低溫干餾適宜溫度區(qū)間為450～750℃，將橫管式低溫干餾爐煙氣側(cè)溫度控制在700℃，試驗用原煤在爐內(nèi)完成干餾過程，最終獲得干餾產(chǎn)物。

表2 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

3 干餾結(jié)果與分析

3.1 半焦成分分析

表3 橫管式干餾爐半焦產(chǎn)品性能表

表4 橫管式干餾爐半焦產(chǎn)品粒度分布表

由表3可見，橫管式干餾爐半焦產(chǎn)品在干餾過程中揮發(fā)分下降58.4%，但與此同時收到基低位發(fā)熱量與標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量29307kJ/kg相比較，提高了2.66%，且由揮發(fā)分聚集產(chǎn)生的煤氣在其他提純設(shè)備凈化提純后可以作為單獨的燃料繼續(xù)使用。

由表4可見，80.23%的半焦產(chǎn)品粒度在8～1.5mm，細微顆粒的半焦產(chǎn)品僅占到半焦產(chǎn)品重量比的10.01%，很大程度上避免了懸浮半焦給后續(xù)煤氣提純和焦油捕集造成的困難，原料品質(zhì)得到了明顯提升。

3.2 綜合燃燒特性指數(shù)

為了評價半焦燃燒特性的優(yōu)劣，孫學(xué)信提出用燃燒特性指數(shù)S來反映半焦的燃燒性能，即：

(dw/dt)T=Ti為著火溫度下的燃燒速度，%·min-1；

Ti和Tb分別為著火溫度和燃盡溫度，℃。

在這一指數(shù)中，各項的乘積涵蓋了燃燒反應(yīng)從開始至結(jié)束的主要特征量，綜合反映出半焦的燃燒特性，指數(shù)值越大，表明半焦的燃燒特性越佳。

與試驗用原煤同一產(chǎn)地的標(biāo)準(zhǔn)褐煤在空氣氧濃度環(huán)境中得到的燃燒特性指數(shù)S為5.1×10-8，試驗得到的半焦在相同氧濃度環(huán)境中得到的燃燒特性指數(shù)S為7.3×10-8，優(yōu)于原料褐煤，結(jié)果印證了采用該干餾爐得到的半焦燃燒特性較提質(zhì)前得到了明顯的改善。

4 結(jié)語

通過橫管式褐煤干餾爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計、阻力計算搭建小規(guī)模試驗臺，將橫管式低溫干餾爐煙氣側(cè)溫度控制在700℃，經(jīng)三級干餾，得到重量產(chǎn)率28.84%的半焦產(chǎn)品。該半焦產(chǎn)品在干餾過程中揮發(fā)分下降58.4%，但與此同時收到基低位發(fā)熱量與標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量29307kJ/kg相比較，提高了2.66%，且產(chǎn)生了可作為單獨燃料使用的高純煤氣。半焦產(chǎn)品近80.23%的粒度大于8mm，很大程度上避免了細微粒度的懸浮半焦粉末給后續(xù)煤氣提純和焦油捕集造成的困難，同時計算得到半焦燃燒特性指數(shù)較提質(zhì)前得到了明顯的改善。

[1]Zhou Wenji, Zhu Bing, Fuss Sabine, et al. Uncertainty modeling of CCS investment strategy in China’s power sector[J]. Applied Energy, 2010, 87(7):2392-2400.

[2]Fan Yuesheng, Zou Zheng, Cao Zidong, et al. Ignition characteristics of pulverized coal under high oxygen concentrations[J]. Energy & Fuels, 2008, 22(2):892-897.

TK16

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