煤炭低溫?zé)峤膺^程中的能耗及標(biāo)準(zhǔn)淺析

謝小兵，邢永平，賈建軍，張?jiān)鰫?/p>

(1.西安天聚力隆能源科技有限公司，陜西 西安 710065；2.神木市蘭炭產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心，陜西 神木 719313)

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上表示，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。而能耗與碳排放直接相關(guān)，要達(dá)到減碳的目的就必須降低能耗，故國家從2020年后半年起，嚴(yán)控高能耗、高排放(“兩高”)項(xiàng)目。

為堅(jiān)決遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展，推動綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展，國家生態(tài)環(huán)保部出臺指導(dǎo)意見，嚴(yán)控“兩高”項(xiàng)目環(huán)評審批。在此背景下，國家發(fā)改委將煤炭低溫?zé)峤饬袨椤皟筛摺表?xiàng)目，予以限制。本文重點(diǎn)就煤炭低溫?zé)峤膺^程中的能耗問題予以研究、討論，供商榷。

煤炭熱解(蘭炭生產(chǎn)，下同)是煤在隔絕空氣條件下受熱分解生成煤焦油、蘭炭、干餾氣和水等過程[1]。根據(jù)加熱終溫不同，煤干餾大致分為：低溫?zé)峤?500～600 ℃)、中溫?zé)峤?600～900 ℃)、高溫?zé)峤?900～1 100 ℃)[2]。按照加熱形式的不同可以分為內(nèi)熱式和外熱式兩大類[3]。煤炭低溫?zé)峤夂蛡鹘y(tǒng)煤化工的煤制油、煤制氣相比，采用低溫、常壓、連續(xù)生產(chǎn)的工藝，物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑簡單，熱解過程為熱分解反應(yīng)，產(chǎn)品為煤氣、煤焦油、蘭炭，從原理上來說，生產(chǎn)過程能源轉(zhuǎn)換差小，能耗低；煤炭低溫?zé)峤獍衙禾孔優(yōu)槿N工業(yè)原料，氣態(tài)產(chǎn)品—煤氣用途廣泛，液態(tài)產(chǎn)品—煤焦油是我國能源安全的有力保障，固態(tài)產(chǎn)品—蘭炭在很多工業(yè)應(yīng)用場景下可以替代成本昂貴的焦炭。所以煤炭低溫?zé)峤馐敲禾糠仲|(zhì)利用的最佳方式。故在“十三五”被國家發(fā)改委、科技部列為有待突破的重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。

關(guān)于蘭炭生產(chǎn)的能耗標(biāo)準(zhǔn)，2008年陜西省出臺地方標(biāo)準(zhǔn)DB61/T423—2008《蘭炭行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定蘭炭生產(chǎn)能耗分三級，一級為190 kgce/t蘭炭、二級為210 kgce/t蘭炭、三級為230 kgce/t蘭炭[4]。2013年出臺國家標(biāo)準(zhǔn)GB29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》規(guī)定蘭炭生產(chǎn)先進(jìn)值為190 kgce/t蘭炭、新建或改建企業(yè)準(zhǔn)入值為210 kgce/t蘭炭、現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)限定值為240 kgce/t蘭炭[5]，基本沿用了DB61/T423—2008的能耗數(shù)據(jù)。

由于DB61/T423—2008《蘭炭行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》出臺較早，當(dāng)時蘭炭生產(chǎn)屬于起步階段，技術(shù)不甚完善，屬于粗放式生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)核定能耗較高，以至于國家將蘭炭行業(yè)列入了“兩高”，對蘭炭行業(yè)的發(fā)展造成了很大的影響。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，蘭炭生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，能耗已經(jīng)大幅下降。本文針對現(xiàn)有具代表性的蘭炭生產(chǎn)技術(shù)，詳細(xì)計(jì)算蘭炭生產(chǎn)能耗，為蘭炭清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步修訂提供參考。

1 現(xiàn)有蘭炭生產(chǎn)技術(shù)介紹

現(xiàn)有蘭炭生產(chǎn)技術(shù)主要有內(nèi)熱式直立爐+水封出焦工藝及內(nèi)熱式直立爐+微水熄焦工藝。

內(nèi)熱式直立爐+水封出焦工藝屬于傳統(tǒng)的蘭炭生產(chǎn)工藝，由于高溫蘭炭直接落入水池中進(jìn)行熄焦，現(xiàn)場環(huán)境差、環(huán)境污染嚴(yán)重，且蘭炭含水高達(dá)20%左右，需要使用煤氣進(jìn)行初步烘干，不但環(huán)境污染嚴(yán)重，且能耗大。2008年DB61/T423—2008出臺時，行業(yè)內(nèi)的主流生產(chǎn)工藝就是內(nèi)熱式直立爐+水封出焦工藝，故標(biāo)準(zhǔn)核定能耗較高。

內(nèi)熱式直立爐+微水熄焦工藝較內(nèi)熱式直立爐+水封出焦工藝在環(huán)保及能耗方面有了較大的改善，主要工藝流程如下。

由備煤工段運(yùn)來的合格入爐煤，經(jīng)儲煤倉卸入爐頂最上部煤倉，再經(jīng)電液動插板閥和輔助煤箱裝入炭化爐內(nèi)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，每半小時打開電液動插板閥向炭化爐加煤一次。加入蘭炭爐的塊煤自上而下移落，與燃燒室送入的高溫氣體逆流接觸。炭化室的上部為預(yù)熱段，塊煤在此段被加熱到400 ℃左右；接著進(jìn)入炭化室中部的干餾段，塊煤在此段被加熱到700 ℃左右，并被炭化為蘭炭。

蘭炭通過炭化室下部的冷卻段進(jìn)入水冷壁換熱，換熱產(chǎn)生的蒸汽送入裝置區(qū)使用，換熱后約400 ℃焦炭下行到下部的導(dǎo)料槽進(jìn)入集焦倉中，由推焦機(jī)控制焦炭的排出。集焦倉中設(shè)置的噴水熄焦冷卻系統(tǒng)向焦炭噴水；當(dāng)熄焦水接觸到推焦機(jī)推出的熱焦時，水變?yōu)檎羝麕ё咛m炭的顯熱，使蘭炭溫度降至80 ℃左右。熄完后的焦炭，由兩層閥門交替開關(guān)控制焦炭的排出并落至運(yùn)焦膠帶上。

煤料炭化過程中產(chǎn)生的荒煤氣與進(jìn)入炭化室的高溫廢氣混合后，經(jīng)上升管、橋管進(jìn)入集氣槽，80 ℃左右的混合氣在橋管和集氣槽內(nèi)經(jīng)循環(huán)氨水噴灑被冷卻至60 ℃左右?；旌蠚怏w和冷凝液送至煤氣凈化工段，通過煤氣凈化與焦油氨水分離，得到焦油與煤氣。

直立爐加熱用的煤氣，是經(jīng)煤氣凈化工段凈化和冷卻后的回爐煤氣?？諝庥呻x心風(fēng)機(jī)鼓入直立爐內(nèi)，煤氣和空氣混合后進(jìn)入燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，通過煤氣道兩側(cè)的進(jìn)氣孔進(jìn)入炭化室，利用高溫廢氣的熱量將煤料進(jìn)行炭化。

蘭炭生產(chǎn)技術(shù)工藝流程如圖1所示。

2 蘭炭生產(chǎn)物料衡算

2.1 入爐煤分析指標(biāo)

以陜西榆林神府煤為原料生產(chǎn)蘭炭，原料煤及相關(guān)分析指標(biāo)見表1。

2.2 物料衡算

2.2.1 投入項(xiàng)計(jì)算

內(nèi)熱式直立爐的物料平衡投入項(xiàng)包括入爐的干煤、煤中水以及作為熱解供熱使用的燃燒煤氣、助燃空氣。以1 000 kg入爐煤量作為計(jì)算的基準(zhǔn)，計(jì)算如下：

(1)入爐的干煤量

式中：Gm——入爐的干煤量，kg/t；

W——入爐煤的水分，%。

(2)入爐煤的水量

(3)燃燒煤氣量。直立爐煤氣成分見表2。

表2 直立爐煤氣成分

根據(jù)表2煤氣密度為ρmq為0.98 kg/m3，噸煤熱解所需燃燒煤氣量：Gmq=Vmq×ρmq=215.89×0.98=211.57 kg。

(4)助燃空氣。因直立爐加熱需要大量的煤氣做為載氣(約與燃燒煤氣量相同)，故煤氣燃燒屬于不完全燃燒，煤氣過量。根據(jù)煤氣的燃燒計(jì)算215.89 m3煤氣燃燒時所需氧氣量82.327 m3、助燃空氣量392 m3、所生成的煙氣量570 m3。助燃空氣密度ρk=1.295 kg/m3，助燃空氣量738 kg。

2.2.2 產(chǎn)出項(xiàng)計(jì)算

(1)蘭炭。蘭炭產(chǎn)率取格金干餾產(chǎn)率CRad=72%，入爐煤空干基水分Mad=2.52%。由于煤在干餾過程中會發(fā)生少量的碳和水的反應(yīng)，蘭炭消耗量為40 kg/t(見后續(xù)計(jì)算)，則蘭炭產(chǎn)量(干基)

Gj=Gm÷(1-Mad)×CRad-40

=890÷(1-2.52%)×72%-40

=617.37(kg)

(2)焦油。焦油產(chǎn)率取格金干餾產(chǎn)率的58%，格金干餾焦油產(chǎn)率Tar，ad=11.4%，入爐煤空干基水分Mad=2.52%。則焦油產(chǎn)量

Gy=Gm÷(1-Mad)×Tar，ad×58%

=890÷(1-2.52%)×11.4%×58%

=60.37(kg)

(3)煤氣。內(nèi)熱式直立爐采用煤氣燃燒后的熱煙氣與煤直接接觸對煤進(jìn)行加熱，完成熱解過程。煤熱解生成的熱解煤氣、水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生的水煤氣與加熱煙氣混合后生成最終的混合煤氣。本文首先假定直立爐煤氣成分，通過燃燒計(jì)算得到煙氣成分及產(chǎn)量，再通過煙氣、熱解煤氣、水煤氣三者相加得到混合煤氣成分，調(diào)整假定直立爐煤氣成分直至與混合煤氣成分相等，得到最終混合煤氣成分。計(jì)算方法見圖2，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 煤氣成分計(jì)算方法

表3 最終混合煤氣成分

最終混合煤氣體積流量Vhq=899.94 m3；最終混合煤氣密度ρH2=0.98 kg/m3；最終混合煤氣質(zhì)量流量Ghq=899.94×0.98=882(kg)。

(4)產(chǎn)出水。煤熱解總水Gzs為三部分，一部分為煤本身所含的收到基水Gs；第二部分為煤熱解反應(yīng)生成的化合水Ghs；第三部分為煤氣燃燒生成的水Grs。

格金干餾總水分：Water，ad=5.9%，空干基水分Mad=2.52%；則化合水產(chǎn)率：Waterh，ad=5.9%-2.52%=3.38%；化合水產(chǎn)量：

Ghs=Gm÷(1-Mad)×Waterh，ad

=890÷(1-2.52%)×3.38%=30.86(kg)

燃燒煤氣燃燒生成的水：Vrs=95.429m3；水蒸氣密度：ρH2O=0.8kg/m3；燃燒煤氣燃燒生成的水量：Grs=Vrs×ρH2O=95.429×0.8=76.34(kg)；水煤氣反應(yīng)消耗掉的水量為61.15kg；煤熱解總水Gzs=Gs+Ghs+Grs-61.15=110+30.86+76.34-61.15=156.05(kg)。

2.2.3 物料平衡表

綜合上述計(jì)算，煤熱解的物料平衡見表4。

表4 煤熱解物料平衡表

3 蘭炭生產(chǎn)能量衡算

3.1 投入項(xiàng)

投入項(xiàng)包括干基煤帶來的顯熱Qm；煤中水帶來的顯熱Qs；助燃空氣帶來的顯熱Qk；回爐煤氣帶來的顯熱Qhl；煤氣燃燒熱Qr。

直立爐采用熱煙氣與循環(huán)煤氣作為熱載體，循環(huán)煤氣量一般與燃燒煤氣量Gmq相同，故回爐煤氣量為燃燒煤氣量的2倍(Qhl=2Gmq)，Ghl=2Gmq。燃燒煤氣燃燒熱Qr通過支出項(xiàng)減去投入項(xiàng)計(jì)算得出。

3.2 產(chǎn)出項(xiàng)

產(chǎn)出項(xiàng)包括最終混合煤氣帶走的顯熱Qhq；焦油霧帶走的顯熱Qy；水汽氣化潛熱Qsq；蘭炭帶走的顯熱Qj；熱解化學(xué)反應(yīng)吸熱Qx；熱損失Qrs。

因?yàn)橹绷t荒煤氣出氣溫度為80 ℃左右，這個溫度下的焦油為液態(tài)，以焦油霧的形態(tài)導(dǎo)出。內(nèi)熱式直立爐的熱效率一般在85%～90%，故熱損失Qrs按平均值12%取值。

解強(qiáng)等[6]采用TG-DSC同步聯(lián)用測定煤熱解反應(yīng)熱得到神木煤在200～600 ℃熱解反應(yīng)熱為675 kJ/kg。

煤熱解的主要化學(xué)反應(yīng)發(fā)生此階段，熱解化學(xué)反應(yīng)吸熱Qx=Gm×675=600 750 kJ。

3.3 能量平衡計(jì)算

依據(jù)能量平衡原理，投入項(xiàng)與產(chǎn)出項(xiàng)相等，將以上投入分項(xiàng)合計(jì)與產(chǎn)出分項(xiàng)合計(jì)列入表5，同時計(jì)算出煤氣燃燒熱Qr。

表5 能量平衡表

4 蘭炭生產(chǎn)能耗計(jì)算

4.1 輸入的能源

蘭炭生產(chǎn)過程中的各類輸入能源匯總列入表6中，其中電、飽和蒸汽折標(biāo)系數(shù)參照GB 29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》附錄A；新水、軟化水、氮?dú)庹蹣?biāo)系數(shù)參照GB/T 2589—2020 《綜合能耗計(jì)算通則》[7]附錄B；原料煤折標(biāo)系數(shù)按照低位發(fā)熱量折算26160/29307.6=0.8926(kgce/kg)；燃燒煤氣折標(biāo)系數(shù)用煤氣熱值折算：7786/29307.6=0.26566(kgce/m3)。

表6 輸入能源

4.2 輸出的能源

蘭炭生產(chǎn)過程中的各類輸出能源匯總列入表7中，其中焦油、飽和蒸汽折標(biāo)系數(shù)參照GB 29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》附錄A；蘭炭折標(biāo)系數(shù)按照蘭炭低位發(fā)熱量折算27482/29307.6=0.9377(kgce/kg)；外供煤氣折標(biāo)系數(shù)用煤氣熱值折算：7786/29307.6=0.26566(kgce/m3)。

表7 輸出能源

4.3 蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗計(jì)算

根據(jù)GB 29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》中5.2計(jì)算方法

(1)蘭炭生產(chǎn)綜合能耗的計(jì)算：

式中：E——蘭炭生產(chǎn)綜合能耗，kgce；

Ei——蘭炭生產(chǎn)過程中輸入的第i種能源實(shí)物量，包括原料煤、電、各種油類能源；

Ki——輸入第i種能源的折標(biāo)系數(shù)；

n——輸入的能源種類數(shù)量；

m——輸出的能源種類數(shù)量；

Ej——蘭炭生產(chǎn)過程中輸出的第j種能源實(shí)物量；

Kj——輸出的第j種能源折標(biāo)系數(shù)。

E=970.80-907.556=63.224kgce

(2)蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗的計(jì)算

e=E/P

式中：e——蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗，kgce/t；

P——合格蘭炭產(chǎn)品的產(chǎn)量，t；

e=63.224/617.37×1000=102.4(kgce/t)

蘭炭(約3001MJ/t蘭炭)

5 討論及建議

通過上述計(jì)算，目前蘭炭生產(chǎn)(內(nèi)熱式直立爐+余熱鍋爐+微水熄焦)的能耗為102.4 kgce/t(約3001 MJ/t)蘭炭，與GB 29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》的先進(jìn)值190 kgce/t(約5 568 MJ/t)蘭炭、準(zhǔn)入值210 kgce/t(約6 155 MJ/t)蘭炭、限定值240 kgce/t(約7 034 MJ/t)蘭炭存在很大的差異。這種差異可能存在于蘭炭生產(chǎn)的生產(chǎn)損失或者企業(yè)統(tǒng)計(jì)時的漏項(xiàng)，比如原料煤在煤場的損失、焦油渣作為載能產(chǎn)物未計(jì)入產(chǎn)出能源之中、原料煤篩分之后的粉煤未計(jì)入產(chǎn)出的載能產(chǎn)品之中等。再者，蘭炭生產(chǎn)屬于連續(xù)的進(jìn)出料過程，實(shí)際生產(chǎn)對能耗的計(jì)量具有一定的難度，亦會造成蘭炭生產(chǎn)的能耗統(tǒng)計(jì)誤差。鑒于蘭炭生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及企業(yè)生產(chǎn)管理能力的進(jìn)一步提高，尤其是現(xiàn)有部分蘭炭企業(yè)增加了蘭炭的余熱回收裝置，蘭炭生產(chǎn)能耗已經(jīng)大幅度下降，建議相關(guān)部門對GB 29995—2013《蘭炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》進(jìn)一步修訂，以免國家將蘭炭生產(chǎn)納入“兩高”，對蘭炭行業(yè)造成政策性風(fēng)險(xiǎn)，影響行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。