多段直立爐的熱工評價與低階碎煤熱解的能耗分析

吳 鵬，沈丹丹，戴 航

（1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），江蘇 南京211000；2.北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司，北京100070）

低階煤一般指褐煤和低變質(zhì)程度的煙煤，約占我國已探明煤炭儲量的55%[1-2]。低階煤一般直接用于燃燒發(fā)電，其能量利用率低，且會帶來嚴重的環(huán)境問題。低階煤分質(zhì)利用是將低階煤轉(zhuǎn)化為氣、液、固三相產(chǎn)物，并將產(chǎn)物有區(qū)別的梯級延伸加工利用的技術，是實現(xiàn)煤炭高效轉(zhuǎn)化和清潔利用的有效形式，其中中低溫熱解是低階煤分質(zhì)利用的關鍵環(huán)節(jié)，影響煤炭清潔高效利用的方向[3-5]。

目前，中低溫熱解技術主要應用在我國西北地區(qū)的蘭炭生產(chǎn)中，最典型的爐型為SJ型炭化爐。該爐型在魯奇三段爐的基礎上進行了優(yōu)化，適用于塊狀煙煤的低溫干餾。隨著優(yōu)質(zhì)塊煤資源的不斷減少，低階碎煤的利用越來越受到重視，但碎煤中小粒級顆粒占比較大，導致氣體熱載體通過床層的阻力較大，影響設備的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)[6-9]。多段直立爐可解決碎煤熱解中的床層阻力問題，其分段多層技術可增加床層透氣性，擴寬低階煤熱解的入爐粒度，再結(jié)合干熄焦技術能增加熱量利用率。多段直立爐與煤氣加熱爐聯(lián)合使用，可以大幅提高煤氣品質(zhì)、增加焦油收率、生產(chǎn)干燥半焦，是碎煤熱解的有效途徑[10]。

本文以多段直立爐工業(yè)運行數(shù)據(jù)[10]為基礎，結(jié)合該爐型結(jié)構(gòu)特點，通過低階碎煤熱解過程中的物料平衡、能量平衡計算，進行了多段直立爐的熱工評價與低階碎煤熱解的能耗分析[11-13]。

1 原料及產(chǎn)品性質(zhì)

原料選用陜北地區(qū)的低階碎煤，其屬于低灰、低硫、高揮發(fā)分、高固定碳的煤種，原料碎煤和半焦的工業(yè)分析及低位發(fā)熱量見表1。因多段直立爐采用干法熄焦工藝，半焦全水1.8%，遠低于行業(yè)平均值12%。

表1 原料碎煤和半焦的性質(zhì)

原料碎煤和半焦的粒度分布見表2。原料碎煤的粒度主要分布在0～30 mm，13 mm以下的粒煤和粉煤占原煤質(zhì)量的24.32%。

表2 原料碎煤和半焦的粒度分布（質(zhì)量分數(shù)）%

多段直立爐聯(lián)合煤氣加熱爐工藝的干餾煤氣組成及熱值見表3。

表3 煤氣組成及熱值

2 多段直立爐的熱工評價

多段直立爐為外燃內(nèi)熱式的直立方爐，主要分為3段：干燥段、干餾段和冷卻段，熱解過程采用高溫煙氣（或高溫煤氣）為熱載體。為保證產(chǎn)品在爐內(nèi)反應均勻，干燥段和干餾段分別采用外置燃燒器和蓄熱式煤氣加熱爐產(chǎn)生高溫煙氣和高溫煤氣，再分別與煙氣和循環(huán)煤氣混合至合適溫度后，進入熱解爐內(nèi)作為熱載體。干燥段析出的氣體經(jīng)過除塵凈化后，一部分進入冷卻段，作為熱半焦的冷卻介質(zhì)，剩余部分處理達標后排放。

2.1 熱解工藝流程

以多段直立爐為熱解裝置的熱解工藝流程示意圖見圖1。

圖1 多段直立爐熱解工藝流程示意圖

原煤由皮帶機輸送至爐頂煤倉，通過煤斗底部的布料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)均勻布料。原煤在重力作用下進入爐體上部的干燥段，與來自冷卻段的高溫熱煙氣換熱脫除其中的水分，并被加熱到150℃左右，換熱后的低溫煙氣一部分進入冷卻段，一部分去脫硫排放。干燥煤繼續(xù)下行至干餾段，與來自煤氣加熱爐的850℃高溫煤氣熱載體換熱，被加熱到650℃，發(fā)生熱解反應，生成半焦和干餾煤氣、焦油氣、熱解水組成的油、水、氣混合物（荒煤氣），350℃左右的荒煤氣進入凈化冷卻工段進行分離，得到成品焦油和煤氣。煤氣一路作為循環(huán)煤氣熱載體，與煤氣加熱爐的蓄熱磚換熱成為850℃的高溫煤氣，去干餾段循環(huán)使用；另一路作為蓄熱式煤氣加熱爐和多段直立爐干燥段的熱源；剩余部分作為產(chǎn)品煤氣外送。高溫半焦繼續(xù)下行至冷卻段，與來自干燥段的低溫煙氣換熱降溫至100℃左右，換熱后的高溫煙氣去干燥段。高溫半焦繼續(xù)下行，經(jīng)噴霧抑塵的同時降溫至80℃以下，得到半焦產(chǎn)品。

2.2 物料平衡

參考GB 33962—2017《焦爐熱平衡測試與計算方法》[14]規(guī)定的常規(guī)焦爐物料平衡、熱平衡計算的基準和方法進行多段直立爐的熱工評價，其中物料平衡數(shù)據(jù)主要依據(jù)為50萬t/a長焰煤熱解工業(yè)示范項目2018年6月標定考核期間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)[10]。以1 000 kg濕煤為基準的物料平衡見表4。

由表4可知，物料平衡的誤差為0.44%（小于1%），在誤差允許范圍內(nèi)，噸煤半焦收率為65.69%，噸煤焦油收率為8.09%，焦油收率達到格金值的87.2%（原煤格金焦油產(chǎn)率為9.28%），凈煤氣產(chǎn)量為113.82 kg/t，煤氣密度為0.68 kg/m3。

2.3 熱平衡

熱平衡是在物料平衡的基礎上計算而得，結(jié)果見表5。在表5中，主要計算項包括表4所列物料進出攜帶的顯熱、燃氣燃燒的化學熱、爐體表面的散熱等。

由表5可知，熱平衡的計算誤差為3.36%（小于5%），在誤差允許范圍之內(nèi)；收入熱量主要為加熱煤氣燃燒的化學熱量，占收入總熱量的93.79%；半焦帶出的熱量僅占總支出熱量的6.75%，這是因為干法熄焦回收了半焦余熱。

表4 物料平衡結(jié)果

表5 熱平衡結(jié)果

2.4 熱效率與耗熱量

進行熱工評價時，將經(jīng)多段直立爐傳給有效產(chǎn)物的熱量記為有效熱量∑Q效，為Q1′、Q2′、Q3′、Q4′、Q5′、Q6′之和減去Q4、Q5，熱工效率η″為有效熱量占供給熱量∑Q-Q4-Q5的百分比。熱效率η′表示理論上可被利用的熱量占供給熱量∑Q-Q4-Q5的百分比，可被利用的熱量包括有效熱量∑Q效和爐體表面總散熱量Q8′。在實際生產(chǎn)中，一般傳統(tǒng)的大型焦爐熱效率在79%～85%，熱工效率在70%～75%。

多段直立爐的熱效率計算過程見式（1）。

多段直立爐的熱工效率計算過程見式（2）。

濕煤耗熱量根據(jù)式（3）計算。

式中，qar為濕煤耗熱量，kJ/kg；QDW為加熱煤氣低位發(fā)熱量，取17.13 MJ/m3；V0,MQ為每小時入爐煤消耗的加熱煤氣的流量，取5 390 m3/h；G為每小時的裝煤量，取70 t/h。當前煉焦耗熱量先進值為1 740 kJ/kg。

經(jīng)計算，多段直立爐的濕煤耗熱量為：

與行業(yè)其他爐型相比，多段直立爐熱效率高、耗熱量低，這是因為加熱煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣帶出的熱量少，因此理論上可被利用的熱量就相對較多。系統(tǒng)采用蓄熱式煤氣加熱爐提供熱源，煤氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣在煤氣加熱爐蓄熱磚換熱室充分接觸換熱后，煙氣溫度在130℃左右，有效提高了熱利用效率。相對內(nèi)燃內(nèi)熱式爐型而言，煤氣加熱爐的使用會增加設備與空氣的接觸面積，增加爐體表面總散熱。為提高多段直立爐的熱效率，可適當增加助燃空氣比例，減小不完全燃燒損失熱量；在爐體外墻保溫層選用保溫性能較好的材料，減小爐體表面散熱。

3 低階碎煤熱解的能耗分析

GB 21342—2013《焦炭單位產(chǎn)品能耗消耗限額》[15]規(guī)定了焦化廠焦炭單位產(chǎn)品能耗的計算方法，以下根據(jù)物料平衡和公用工程消耗，并參考該標準進行低階碎煤熱解的能效計算及能耗分析。計算時，電力折算系數(shù)取當量值0.122 9 kgce/(kWh)，工業(yè)水折標煤系數(shù)取0.047 5 kgce/t。

低階碎煤熱解過程的能耗根據(jù)式（4）計算，能效根據(jù)式（5）計算。

式中，EJT為噸半焦能耗，kgce/t；eyi為碎煤消耗量，kgce；ejg為水、電消耗量，kgce；ejt為半焦的回收量，kgce；ejf為焦油、煤氣回收量，kgce；eyr為余熱回收量，因計算時將干熄焦與整個工藝看作一個整體，所以不再單獨考慮余熱回收，即eyr=0；PJT為干燥半焦的產(chǎn)量，t；η為熱解過程的能效，%。低階碎煤熱解的能效與能耗計算結(jié)果見表6。

表6 能效與能耗計算結(jié)果

由表6計算可知，采用多段直立爐進行低階碎煤熱解的能效為91.90%，生產(chǎn)噸半焦能耗為112.88 kgce，低于新建或改擴建頂裝焦爐的能耗準入值122 kgce/t，這是由于低階碎煤熱解采用煙氣進行干法熄焦，回收的余熱可以預熱原煤并脫除煤中的游離水，因此，系統(tǒng)能效提高，能耗降低。

4 結(jié) 論

通過物料平衡、熱平衡等對多段直立爐進行熱工評價，并分析低階碎煤熱解過程的能效和能耗，得出以下結(jié)論：

4.1 多段直立爐通過減少加熱煤氣產(chǎn)生的煙氣帶出的熱量，提高了熱效率和熱工效率，兩者分別為87.51%、80.37%，并計算出濕煤耗熱量為1 319.01 kJ/kg。通過控制過量空氣系數(shù)可以進一步提高熱效率。

4.2 多段直立爐利用干法熄焦回收的半焦余熱預熱原煤，提高了碎煤熱解過程的能效，并降低了碎煤熱解過程中的能耗，其能效和噸半焦產(chǎn)品能耗分別為91.90%、112.88 kgce。