內(nèi)熱式直立方爐煤熱解工藝技術(shù)新進展及應(yīng)用

趙 強

（上海電氣集團國控環(huán)球工程有限公司（原山西省化工設(shè)計院），山西 太原030006）

引 言

傳統(tǒng)的煤熱解主要是針對陜北、內(nèi)蒙和新疆地區(qū)的長焰煤、弱黏結(jié)性煤的特點，采用內(nèi)熱立式方爐低溫干餾工藝對原煤進行干餾熱解，產(chǎn)品以蘭炭、干餾煤氣和焦油為主。該技術(shù)具有投資少、操作簡單、焦油回收率高等特點，因此短期內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，該技術(shù)在實踐過程中存在單爐產(chǎn)量低、操作環(huán)境差、煤氣組分復雜、自動化程度低、污水處理不達標等問題，而且也無專門的、嚴格的行業(yè)標準約束，只能參照焦化行業(yè)的部分標準。針對上述問題，在該裝置產(chǎn)能最為集中的榆林地區(qū)最近兩年連續(xù)頒布了《推動蘭炭行業(yè)升級改造綠色安全發(fā)展三年行動方案（2019—2021年）》《關(guān)于做好蘭炭行業(yè)升級改造綠色安全發(fā)展有關(guān)工作的通知》（榆政蘭炭升級辦函〔2019〕2號）、《榆林市推進蘭炭行業(yè)升級改造高質(zhì)量發(fā)展實施方案》等一系列文件，旨在提高該項技術(shù)的節(jié)能、環(huán)保和安全操作性能；同時新的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2019年本）》鼓勵發(fā)展“煤炭清潔高效利用技術(shù)”“低階煤干餾一體化等先進技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用”，為這一技術(shù)推廣應(yīng)用提供了良好的政策環(huán)境，但是現(xiàn)有該項技術(shù)的一些弊端卻嚴重阻礙了其發(fā)展[1]。上海電氣集團國控環(huán)球工程有限公司（原山西省化工設(shè)計院）（以下簡稱上海電氣國控環(huán)球公司）針對該項技術(shù)進行了相關(guān)研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化革新，現(xiàn)介紹如下。

1 技術(shù)新進展

1.1 單爐產(chǎn)能增大

新頒布的《焦化行業(yè)規(guī)范條件》（工信部2020第28號）規(guī)定：《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2019年本）》發(fā)布前建設(shè)的半焦爐單爐產(chǎn)能須≥7.5萬t/a，發(fā)布后建設(shè)的半焦爐單爐產(chǎn)能須≥10萬t/a。而傳統(tǒng)的立式方型半焦爐多以單爐5萬t/a或7.5萬t/a規(guī)模為主，單爐炭化室截面積約3 000 mm×5 900 mm，爐子有效容積僅為91 m3。結(jié)合榆林煤化工產(chǎn)業(yè)促進中心和鄂爾多斯鑫浩淵設(shè)備安裝有限公司的研發(fā)和安裝經(jīng)驗，上海電氣國控環(huán)球公司從爐子結(jié)構(gòu)入手進行升級改造，擴大炭化室截面積和有效容積，將單爐蘭炭生產(chǎn)能力擴展到至少15萬t/a以上，甚至最大擴到單爐30萬t/a的蘭炭生產(chǎn)能力，并通過優(yōu)化爐內(nèi)原煤布料形式，適當提高小粒煤的入爐比例。以15萬t/a蘭炭爐為例，單爐炭化室截面積3 500 mm×6 430 mm，爐子有效容積可達143 m3。從陜西精益化工有限公司、陜西雙翼煤化科技實業(yè)有限公司等現(xiàn)場生產(chǎn)實際來看，擴大并優(yōu)化后的立式炭化爐完全可達到各項設(shè)計指標要求。

通過對炭化室容積的擴大和其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為該爐型的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。實際操作中可配入一定比例的末煤，擴大了入爐煤粒徑的使用范圍，為企業(yè)節(jié)約成本、增加效益提供了新途徑。

1.2 干法熄焦余熱回收技術(shù)

傳統(tǒng)立式方爐的熄焦采用浸沒式水熄焦方式，大量的紅焦熱量被浪費，而且熄焦過程中產(chǎn)生大量無組織廢氣，操作環(huán)境惡劣。受鍋爐灰渣余熱回收技術(shù)啟發(fā)，太原嘉能動力科技有限公司開發(fā)出了水冷壁半焦余熱回收技術(shù)和成套裝備，由上海電氣國控環(huán)球公司配合技術(shù)轉(zhuǎn)化，成功將該技術(shù)應(yīng)用于陜西精益化工有限公司原煤熱解項目上，并不斷優(yōu)化推廣。該技術(shù)在立式方爐的燃燒段下面設(shè)置出焦冷卻段，采用水冷壁技術(shù)，上段利用軟化水吸收蘭炭的顯熱，可將蘭炭溫度冷卻至約200℃，同時副產(chǎn)1.0 MPa左右的飽和蒸汽；下段利用循環(huán)冷卻水（32℃～42℃）將蘭炭繼續(xù)冷卻至約120℃；同時在排焦箱上側(cè)預留直接冷卻水冷卻噴頭，以便控制蘭炭溫度和含水率，并作為備用冷卻手段。

采用上述干法熄焦技術(shù)后，生產(chǎn)1 t蘭炭可回收約0.15 t的1.0 MPa飽和蒸汽，可用于全廠的焦油伴熱和管道吹掃等，同時可消除水熄焦過程產(chǎn)生的環(huán)境污染，起到節(jié)能和減排的雙重效果。

1.3 富氧燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)立式方爐采用內(nèi)燃式干餾技術(shù)，將副產(chǎn)的煤氣與空氣混合后，噴入爐內(nèi)的燃燒段進行燃燒，提供干餾熱量。根據(jù)侯吉禮等[2]的研究結(jié)論，與外熱式焦爐相比，立式方爐副產(chǎn)煤氣組分復雜，氮氣含量高，一般除作為回爐煤氣燃燒外，多余的煤氣多作為發(fā)電熱源或作為煅燒礦石熱源使用，很難作為合成或提質(zhì)等煤氣深加工原料氣使用。目前國家鼓勵煤炭分質(zhì)利用和煤炭產(chǎn)業(yè)鏈延伸，煤氣應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種應(yīng)用，依此思路，上海電氣國控環(huán)球公司配合鄂爾多斯鑫浩淵設(shè)備安裝有限公司，對陜西龍華實業(yè)集團有限公司現(xiàn)有立式蘭炭爐燃燒技術(shù)進行了改造，不同于王永剛[3]提出的用管式爐加熱干餾產(chǎn)生的煤氣，該改造用高溫煤氣作為熱介質(zhì)加熱干餾原料煤，以提高煤氣品質(zhì)。技術(shù)改造中采用富氧甚至是純氧作為助燃劑，與回爐煤氣進行混合燃燒，通過控制兩種氣體的壓力和流量比例，達到控制爐內(nèi)燃燒溫度，實現(xiàn)干餾煤氣有效組分比例的提高，進而實現(xiàn)其分質(zhì)利用或作為原料合成氣使用的可能性。該技術(shù)改造僅對空氣管線及燒嘴作簡單改進，對原有立式方爐的結(jié)構(gòu)及工藝未作改動，更適應(yīng)于現(xiàn)有半焦生產(chǎn)裝置的改造，且改造費用低。技改前空氣作助燃劑和技改后富氧助燃狀態(tài)下煤氣組分及熱值的變化情況見表1。

表1 空氣和富氧助燃狀態(tài)下煤氣組分及熱值的變化情況

從表1可以看出，提高富氧程度，煤氣中的氮氣組分含量逐漸降低，有效成分氫氣、甲烷等組分含量逐漸提高，其熱值和分質(zhì)及合成利用價值越來越高。

1.4 焦油氨水分離技術(shù)

焦油氨水是從炭化爐出來的干餾煤氣在冷卻凈化過程中冷凝下來的焦油和氨水的混合介質(zhì)，傳統(tǒng)的焦油氨水分離采用充分靜置的工藝，保證從炭化裝置和冷卻凈化裝置匯合而來的全部焦油氨水在地上式聯(lián)合焦油氨水分離槽中充分靜置分層，中間層的氨水作為冷卻介質(zhì)循環(huán)回煤氣冷卻裝置中，浮于上層的輕焦油和沉于底部的重焦油全部回收，作為產(chǎn)品或精制原料使用。

新的焦油氨水分離工藝采用特殊板組+纖維床液液相分離技術(shù)，由上海安賜環(huán)?？萍脊煞萦邢薰鹃_發(fā)并最初應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域大量的油水分離過程中，后在山東某些焦化企業(yè)焦油氨水分離過程中推廣，效果很好，目前已將該技術(shù)推廣至榆林地區(qū)蘭炭企業(yè)的焦油氨水分離過程的實際應(yīng)用中。

液相分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該技術(shù)基于“液滴倍增”和“淺池沉降”原理，含水的油相通過特殊設(shè)計的進口件和整流器的雙重作用，以穩(wěn)定的流速均勻地流向填料段，在纖維層捕捉較小的液滴、并聚凝成較大液滴后，離開纖維層，在特殊板組段聚結(jié)成更大的液滴，進而進行快速分離。例如污水除油，可將水中的游離態(tài)、懸浮態(tài)及乳化態(tài)油滴通過上述分級分步的方法進行快速高效分離，將水中的油進一步回收，出口污水中油質(zhì)量分數(shù)可降至150×10-6以下。

該技術(shù)操作簡單、無需加藥、節(jié)能環(huán)保且效果穩(wěn)定，根據(jù)物料操作參數(shù)進行設(shè)計，可滿足目前大多數(shù)污水深度除油或者油品脫水的要求，在焦化企業(yè)焦油氨水分離過程中有很好的應(yīng)用前景。

從其目前在榆林地區(qū)部分新建蘭炭企業(yè)的應(yīng)用情況來看，該項技術(shù)用強化分離手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜置技術(shù)，不僅節(jié)約占地，減少投資，而且分離效果更好，焦油產(chǎn)品回收率也更高。

圖1 液相分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 剩余氨水蒸氨脫酚工藝

《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》（GB 16171－2012）頒布后，焦化污水亟需處理，尤其是最難處理、量最大的剩余氨水。以前蘭炭企業(yè)該部分廢水可作為熄焦水復用，環(huán)保政策趨嚴后，該部分廢水必須進行蒸氨脫酚預處理，降低COD濃度后才能進后續(xù)的生化處理工序。

COD含量高是剩余氨水的主要特點，一般蘭炭企業(yè)的剩余氨水COD質(zhì)量濃度在20 000 mg/L～30 000 mg/L，個別企業(yè)甚至達到50 000 mg/L～60 000 mg/L。其COD高的主要原因就是廢水中酚類和總氨含量高，因此上海電氣國控環(huán)球公司在現(xiàn)有常規(guī)機焦剩余氨水的處理工藝和粗酚精制工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合B.K.CHEN等[4]的研究結(jié)果，開發(fā)出適用于蘭炭剩余氨水處理的蒸氨脫酚處理技術(shù)，其工藝流程示意圖如圖2所示。該技術(shù)最初應(yīng)用于陜北乾元能源化工有限公司的低階煤熱解工業(yè)試驗項目中，主要工藝分為脫酸脫氨、萃取、溶劑回收、溶劑汽提、氨氣吸收幾個部分。

圖2 蒸氨脫酚工藝流程示意圖

采用該處理工藝后，蘭炭企業(yè)可將剩余氨水COD質(zhì)量濃度降至3 000 mg/L以內(nèi)，達到后續(xù)進生化處理裝置的入水要求，并且還能回收質(zhì)量分數(shù)10%～20%的稀氨水和酚質(zhì)量分數(shù)≥90%的粗酚產(chǎn)品。

1.6 其他工藝技術(shù)

根據(jù)各地的政策要求和地方標準要求，結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)需求，上海電氣國控環(huán)球公司還將其他領(lǐng)域成熟的技術(shù)進行轉(zhuǎn)化或者將一些創(chuàng)新的工藝應(yīng)用到項目中，包括入爐煤雙室雙閘控制、爐頂全封閉設(shè)計、焦油儲罐氮封、儲罐尾氣集中處理等無組織排放的VOCs治理、生產(chǎn)工藝的HAZOP分析[5]以及全套蘭炭生產(chǎn)DCS自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用等，提高了原煤熱解特別是內(nèi)燃式立式方爐蘭炭生產(chǎn)裝置的整體工藝技術(shù)水平。

2 結(jié) 語

內(nèi)熱式直立方爐煤熱解技術(shù)的上述新進展，打破了原有的人們對煤熱解工藝特別是蘭炭生產(chǎn)污染大、能耗高、安全隱患多的傳統(tǒng)觀念，提高了原煤熱解技術(shù)的整體工藝技術(shù)水平，讓它能適應(yīng)越來越嚴格的行業(yè)準入規(guī)范和安全、環(huán)保、節(jié)能要求。同時，該技術(shù)的進一步完善需要更多的業(yè)內(nèi)專家和技術(shù)人員進行深入研究和探討，創(chuàng)造出更多、更加適合該爐型及工藝的技術(shù)成果，以工藝升級、產(chǎn)品升級、技術(shù)升級為具體路徑，提升發(fā)展水平，為蘭炭產(chǎn)業(yè)向高端化和多元化發(fā)展提供更多的途徑和方式。