干燥煤煉焦對循環(huán)氨水用量和剩余氨水產(chǎn)生量的影響計算

張雪紅，石隆基，薛改鳳，魏 編

（1.中央研究院武鋼有限技術(shù)中心，湖北 武漢430080；2.煉焦煤利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢430080；3.武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責任公司，湖北 武漢430082）

目前國內(nèi)外焦化行業(yè)大多采用水分8%～12%的濕煤煉焦，產(chǎn)生的焦化廢水污染重，處理成本高、難度大，是世界性難題。日本20 世紀80 年代采用煤調(diào)濕技術(shù)將入爐煤水分穩(wěn)定在6%左右，1992 年進一步將入爐煤水分干燥到2%以下；國內(nèi)1994 年開始引進應(yīng)用煤調(diào)濕技術(shù)，并有企業(yè)和研究機構(gòu)開展了相關(guān)研究。

入爐煤水分干燥技術(shù)減少了煉焦煤中的水分，有利于焦炭質(zhì)量的改善與穩(wěn)定，降低能耗，減少剩余氨水的產(chǎn)生量，緩解焦化回收工序、企業(yè)廢水處理的負擔；同時由于煤氣中水蒸氣量的下降，所需的循環(huán)氨水量也相應(yīng)下降[1]。

國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)研究了入爐煤水分減少對焦炭質(zhì)量、弱黏煤配比、煉焦產(chǎn)品產(chǎn)率等方面的影響[2-5]。但在生產(chǎn)過程中，尤其是環(huán)保方面，更需要關(guān)注循環(huán)氨水用量和剩余氨水產(chǎn)生量，目前有關(guān)干燥煤煉焦預(yù)處理技術(shù)對循環(huán)氨水用量和剩余氨水產(chǎn)生量方面的研究未見報道。筆者以1 t 干煤為基準，通過理論計算，對比研究了水分為11%和2%入爐煤循環(huán)氨水量和剩余氨水量的差別，可為水分大幅減少的干燥煤煉焦工藝中的循環(huán)氨水調(diào)節(jié)優(yōu)化，提供理論依據(jù)。

1 循環(huán)氨水用量的計算

入爐煤在焦爐炭化室干餾后，生成焦炭和荒煤氣。從炭化室導(dǎo)出的荒煤氣溫度在650 ℃～700 ℃，其中除凈煤氣外，還含有氣態(tài)的焦油、粗苯、水蒸氣、硫化氫等。由于荒煤氣溫度較高，需采用循環(huán)氨水冷卻處理。循環(huán)氨水從橋管噴出，將荒煤氣冷卻至80 ℃～85 ℃，在冷卻過程中，循環(huán)氨水吸收熱量升溫，荒煤氣放出熱量降溫，使大部分焦油氣和水被冷凝下來，其他物質(zhì)的溫度也大幅下降。冷卻過程中，入爐煤中的水分和煉焦過程中產(chǎn)生的化合水也同樣被冷卻下來，因此，入爐煤水分不同，將會影響循環(huán)氨水的需求量。

循環(huán)氨水用量的相關(guān)計算過程遵循質(zhì)量守恒和能量守恒定律。經(jīng)查詢，煉焦過程相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)率見表1[6]。入爐煤水分按照GB/T 211—2007《煤中全水分的測定方法》計量為11%，因計算結(jié)果以干煤為基準，轉(zhuǎn)化后為12.4%，需再加上化合水2.2%，總計為14.6%。

表1 煉焦過程主要煉焦產(chǎn)品產(chǎn)率（相對于干基煤） %

從表1 可以看出，以水分11%的煤入爐煉焦，主要產(chǎn)品除焦炭外，水蒸氣的產(chǎn)率和焦爐煤氣較為接近，其次為焦油和粗苯，產(chǎn)率分別為4.0%和1.1%，氨和硫化氫的產(chǎn)率基本相同，均為0.3%。

冷卻后的荒煤氣溫度為80 ℃～85 ℃，焦油氣50%～60%冷凝下來，循環(huán)氨水從70 ℃～75 ℃升高至75 ℃～78 ℃，文中分別取范圍內(nèi)數(shù)值進行計算，具體操作指標見表2。

循環(huán)氨水在冷卻煤氣過程中吸收的熱量可分為蒸發(fā)吸熱和升溫吸熱，循環(huán)氨水吸收熱量分配情況見表3。

表2 操作指標

表3 循環(huán)氨水吸收熱量分配情況%

煤氣中各種組分在82 ℃～650 ℃的平均比熱見表4。

根據(jù)表1 至表4 中的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算入爐煤水分11%條件下的循環(huán)氨水用量，具體過程如下。

表4 煤氣中各種組分在82 ℃～650 ℃的平均比熱

（1）煤氣放出的顯熱

1 000×15.8%÷0.455×1.591×（650-82）=313 808.1 kJ

（2）焦油蒸汽放出的顯熱

1 000×4%×2.093×（650-82）=47 553.0 kJ

（3）焦油蒸汽放出的冷凝熱

1 000×4%×60%×331=7 944.0 kJ

（4）水蒸氣放出的顯熱

1 000×14.6%×2.010×（650-82）=166 685.3 kJ

（5）苯族烴放出的顯熱

1 000×1.1%×1.842×(650-82）=11 508.8 kJ

（6）氨放出的顯熱

1 000×0.3%×2.613×(650-82）=4 452.6 kJ

（7）硫化氫放出的顯熱1 000×0.3%×1.147×(650-82）=1 954.5 kJ（8）放出的總熱量

313 808.1+47 553.0+7 944.0+166 685.3+11 508.8+4 452.6 +1 954.5=553 906.3 kJ

（9）根據(jù)氨水蒸發(fā)吸收的熱量，計算所需循環(huán)氨水用量

553 906.3×75%÷2 308=180.0 kg

（10）根據(jù)氨水升溫吸收的熱量，計算所需循環(huán)氨水用量

553 906.3×15%÷4.186 8÷(78-75)=6 614.9 kg

（11）計算集氣管的散熱損失

553 906.3×10%=55 390.6 kJ

入爐煤水分11%條件下的循環(huán)氨水用量計算結(jié)果匯總見表5。

表5 入爐煤水分11%條件下的循環(huán)氨水用量計算結(jié)果

從表5 可以看出，當入爐煤水分為11%時，除煤氣放出的顯熱外，水蒸氣放出的顯熱是最高的，占到總放熱量的30%?？梢?，入爐煤水分減少對循環(huán)氨水用量的減少影響明顯。

按照同樣的方法可以計算出入爐煤水分2%條件下的循環(huán)氨水用量，為5 338.4 kg。對比結(jié)果可知，當入爐煤水分從11%降至2%時，噸干煤用循環(huán)氨水量下降1 456.5 kg，下降約21.4%。

2 剩余氨水產(chǎn)生量的計算

剩余氨水來自入爐煤中的水分，包括游離水和化合水[7]。游離水是指與煤呈物理狀態(tài)結(jié)合的水，吸附在煤的外表面和內(nèi)部孔隙中；化合水包括結(jié)晶水和熱解水。不同入爐煤的游離水和化合水存在差異，文中取表6 所示數(shù)值計算結(jié)焦過程中產(chǎn)生的總水量，計算范圍至初冷器后，但由于初冷器后煤氣中仍存在少量水，剩余氨水量的計算需減去初冷器后煤氣帶走的水量。相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表6[6]。

表6 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)煉焦過程中的水平衡，剩余氨水量= 入爐煤帶入的水量（即荒煤氣中帶入集氣管的水量）- 初冷器后煤氣帶走的水量，計算如下。

荒煤氣含水量＝裝煤量（濕煤）×入爐煤水分+裝煤量（干煤）×2.2%

初冷器后煤氣帶走的水量＝裝煤量×煤氣產(chǎn)量×干煤氣中的水蒸氣量

入爐煤水分11%條件下剩余氨水量的計算過程：

（1）煤氣中帶入集氣管的水量

1.12×1 000×11%+1×1 000×2.2%=145.2 kg/h

（2）初冷器后煤氣帶走的水量

1×340×35.2×10-3=12.0 kg/h

（3）產(chǎn)生的剩余氨水量

145.2-12.0=133.2 kg/h

按照同樣的方法可計算出入爐煤水分2%條件下產(chǎn)生的剩余氨水量為32.4 kg/h。

上述計算結(jié)果表明，當入爐煤水分從11%下降至2%時，1 t 干煤產(chǎn)生的剩余氨水從133.2 kg 降至32.4 kg，下降75.7%?？梢?，煉焦煤干燥技術(shù)減少了入爐煤水分，大幅減少了剩余氨水的產(chǎn)生量，有利于降低焦化廢水處理壓力，符合當前環(huán)保要求。

3 結(jié) 論

采用干燥煤煉焦技術(shù)可降低剩余氨水的產(chǎn)生量，減少荒煤氣冷卻過程中循環(huán)氨水的用量。以1 t 干煤為基礎(chǔ)，煉焦煤水分從11%降至2%時，冷卻荒煤氣用循環(huán)氨水量從6 794.9 kg 下降至5 338.4 kg，下降約21.4%；產(chǎn)生的剩余氨水從133.2 kg 降至32.4 kg，下降75.7%。降低煉焦煤水分，剩余氨水產(chǎn)生量下降，可大幅緩解焦化廢水處理壓力。