粉煤熱解干法熄焦余熱回收工藝流程分析及模試

樊英杰，黨敏輝，張杰，吳志強，楊伯倫

（1 西安交通大學化學工程與技術學院，陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西 西安 710049；2 陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065）

煤炭作為我國的主要能源，傳統(tǒng)的燃燒等利用方式面臨能源利用效率低以及環(huán)境污染嚴重等挑戰(zhàn)。以熱解、燃燒和氣化等一系列反應耦合形成的煤分級轉(zhuǎn)化技術因其具有能效高、經(jīng)濟性好以及環(huán)境友好等特點受到廣泛關注?，F(xiàn)行的煤炭分級轉(zhuǎn)化技術大致可以分為三類，分別是以熱解、完全氣化和部分氣化為基礎的分級轉(zhuǎn)化技術。其中，熱解過程包括煤的干燥、熱分解、熱解油氣凈化、熱解半焦冷卻（熄焦）以及焦油回收等工藝環(huán)節(jié)。

濕法熄焦技術因工藝簡單、投資少得到廣泛應用，但該工藝所得半焦中水分含量達25%～38%（質(zhì)量分數(shù)，下同）。而工業(yè)半焦的水分含量一般要求在8%以下，隨之而來的烘干操作使得每噸半焦消耗60～70m煤氣，且烘干操作后仍有較大的含水量。因此，現(xiàn)行濕法熄焦工藝面臨著水資源消耗、熄焦放出的熱量無法回收利用、高水分半焦的運輸成本高等挑戰(zhàn)。減少半焦生產(chǎn)中的耗水量并回收半焦所攜顯熱，開發(fā)節(jié)水節(jié)能環(huán)境友好型熄焦工藝，對提升整個熱解過程的能效意義重大。

基于以上分析，本研究提出了熱解半焦干法熄焦余熱回收技術，即采用惰性氣體（如低溫干餾氣、氮氣、干燥煙氣等）作為循環(huán)熄焦介質(zhì)進行干法熄焦，同時將半焦顯熱用于煤的干燥預熱過程。由于煤的干燥分解過程需要吸熱，而熾熱半焦的冷卻過程將會放熱，從能量優(yōu)化利用角度來看，二者有機結合將使得節(jié)能效果顯著。同時，以干法熄焦替代濕法熄焦亦可起到節(jié)水作用。

本文通過Aspen Plus流程模擬軟件對熱解半焦干法熄焦余熱回收過程進行了計算分析，研究了不同惰性介質(zhì)的初始溫度、氣體流量和熱解半焦出口溫度、煤干燥后的出口溫度之間的關系和節(jié)能節(jié)水效果，并進行了萬噸級裝置的模試驗證研究，以期為該工藝的更大規(guī)模利用提供基礎。

1 工藝流程

以惰性氣體為介質(zhì)的干法熄焦余熱回收工藝流程見圖1。主要包括熱解半焦干法熄焦和煤粉干燥預熱兩個單元，該工藝以惰性氣體為循環(huán)介質(zhì)，將熾熱半焦攜帶的顯熱通過直接接觸換熱置換到循環(huán)氣體中，攜帶顯熱的循環(huán)氣體再與煤粉直接接觸換熱，將顯熱用于煤粉干燥預熱，實現(xiàn)余熱回收。

圖1 干法熄焦余熱回收工藝流程

本研究采用的煤種的工業(yè)分析和元素分析見表1，熱解半焦工業(yè)分析和元素分析見表2，煤粉及半焦比熱容見表3。

表1 某煤種的工業(yè)分析和元素分析

表2 熱解半焦的工業(yè)分析和元素分析

表3 煤粉及半焦比熱容

可用于半焦冷卻的介質(zhì)包括空氣或煙氣，亦有采用氮氣、CO或者冷煤氣作為介質(zhì)的研究報道。本研究分別對氮氣、二氧化碳、模擬煙氣（N、CO、HO 體積分數(shù)分別為80.5%、14.1%、5.4%的混合氣體）及模擬煤氣（CO、HO、N、H、CO、CH體 積 分 數(shù) 分 別 為22.5%、5.0%、46.9%、6.9%、11.4%、7.3%的混合氣體）等冷卻介質(zhì)的冷卻效果進行了計算分析，考察了循環(huán)氣體的初始溫度、水汽含量、氣體流量對熄焦出口溫度、干燥出口溫度以及熄焦過程的影響情況?；A工況為：半焦862kg/h，初始溫度570℃；原煤1500kg/h，初始溫度25℃。

2 結果與討論

2.1 操作條件對煤粉干燥效果的影響

2.1.1 循環(huán)氣體流量的影響

熱解過程中為防止煤炭在干燥階段析出煤氣，煤炭干燥預熱后的出口溫度一般要求不超過150℃。采用Aspen Plus 模擬的基礎數(shù)據(jù)為：常壓，循環(huán)氣體流量介于500～10000kg/h 之間，濕煤經(jīng)過干燥含水量從10.5%降至1%以下。探究了循環(huán)氣體在各種溫度（105℃、130℃、160℃、190℃、220℃、250℃）及流量下與干煤出口溫度的關系，結果見圖2。由圖可知，干煤出口溫度在循環(huán)氣體流量較小時保持不變；而后干煤出口溫度將隨著流量增加到一定值后迅速增加。究其原因，是在循環(huán)氣體流量較小時，煤炭中尚且還有部分水分（在圖2 拐點前），循環(huán)氣體攜帶的熱量被用于進行濕煤干燥；在循環(huán)氣流量較大時煤炭完成干燥（在圖2 拐點后），循環(huán)氣體攜帶的熱量用于提升干煤溫度。在不同操作溫度下，流量與出口溫度的變化關系中有明顯拐點，該點為完成干燥所需的最小循環(huán)氣體流量。進一步以拐點參數(shù)作圖3可知：干燥介質(zhì)的溫度與流量成反比關系，溫度較高時所需流量較小，反之亦然。

圖2 循環(huán)氣體溫度及流量對干煤出口溫度的影響

圖3 循環(huán)氣體溫度和最小流量與干煤出口溫度的關系

2.1.2 循環(huán)氣體中水汽含量的影響

惰性氣體作為干燥介質(zhì)時，既是載熱體還是載濕體，因此探究惰性氣體中水汽含量與干燥效果的關系意義重大。模擬計算條件為：常壓，惰性氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體中含水量分別為體積分數(shù)2%、3%、4%、5%、6%。由圖4可見，對于同一相對濕度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，干煤出口溫度首先基本保持不變，到達某一流量后，溫度開始上升。在循環(huán)氣體流量較小時其熱量主要用于煤中水分脫除，當水分脫除到一定程度后，熱量主要用于煤粉升溫。隨著相對濕度的增加，出口循環(huán)氣體中水蒸氣更易達到飽和，更多熱量用于煤粉升溫，因此煤粉出口溫度較高。隨著循環(huán)氣體流量進一步增加，干煤出口溫度降低，主要歸因于半焦量及溫度一定，循環(huán)氣體溫度隨著循環(huán)氣量的增加會降低，導致超過某一確定流量后干煤出口溫度降低。

圖4 循環(huán)氣體水含量對干煤出口溫度的影響

2.1.3 循環(huán)氣體初始溫度的影響

模擬計算的條件為：常壓，惰性氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體初始溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃。循環(huán)氣體初始溫度對干煤出口溫度的影響結果見圖5。對于同一初始溫度條件，隨著循環(huán)氣體流量增加，干煤出口溫度先基本不變，此階段循環(huán)氣體主要用于煤中水分干燥。隨著循環(huán)氣體流量進一步增加，干煤出口溫度快速上升后緩慢下降。循環(huán)氣體初溫與其水含量對干煤出口溫度影響規(guī)律相似，為此需要結合熄焦效果確定適宜的循環(huán)氣體流量。

圖5 循環(huán)氣體初始溫度對干煤出口溫度的影響

2.2 操作參數(shù)對熄焦效果的影響

2.2.1 循環(huán)氣體流量的影響

模擬計算的基礎條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體初始溫度40℃。結果如圖6所示，熄焦后半焦溫度隨著循環(huán)氣體流量的增加逐漸下降，氣體流量增加到3500kg/h 后，半焦溫度下降趨勢變緩。循環(huán)氣體流量為3900kg/h時，采用N、CO、煙氣熄焦后半焦的溫度分別為49.99℃、54.61℃、50.84℃。同等操作條件下采用煤氣作循環(huán)氣時，熄焦后半焦的溫度為48.40℃。相比于其他三種氣體，煤氣作為循環(huán)氣有更好的熄焦效果。

圖6 不同冷卻介質(zhì)流量與半焦溫度的關系

2.2.2 循環(huán)氣體中水汽含量的影響

模擬計算的基礎條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h之間。由如圖7可知，在同一相對濕度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，熄焦后半焦溫度逐漸下降。當循環(huán)氣體流量增加到3500kg/h后，半焦溫度逐漸保持不變。在循環(huán)氣體水含量為6%且流量增加到3900kg/h時，采用N、CO、煙氣和煤氣熄焦后半焦的溫度分別為53.57℃、54.61℃、49.91℃以及47.78℃。隨著樣品中的水含量增加即相對濕度發(fā)生改變，半焦的溫度幾乎不產(chǎn)生變化，即循環(huán)氣體的水汽含量對半焦出口溫度影響較小。

圖7 循環(huán)氣體水汽含量對半焦溫度的影響

2.2.3 循環(huán)氣體初始溫度的影響

模擬計算的基礎條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h之間。由圖8可知，對于同一初始溫度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，熄焦后的半焦溫度逐漸下降，氣體流量增加到3500kg/h 時，半焦溫度逐漸保持不變。隨著循環(huán)氣體初始溫度的下降，熄焦后的半焦溫度也逐漸下降。

圖8 循環(huán)氣體初始溫度對半焦出口溫度的影響

2.2.4 循環(huán)氣體介質(zhì)類型及流量對半焦出口溫度和干燥預熱溫度的影響比較

循環(huán)氣體介質(zhì)類型及流量對半焦出口溫度和干燥預熱出口溫度的影響見圖9，流量在900kg/h 左右時可將煤中水脫除，但此時半焦出口溫度在250℃以上，尚不能滿足熄焦要求；當循環(huán)氣體流量在1900kg/h 時，此時熄焦出口溫度降為100℃以下，能滿足熄焦要求。表4 為幾種干燥介質(zhì)溫度、最小流量以及干煤出口溫度的相關數(shù)據(jù)。由表4可以看出，介質(zhì)最小流量以及干煤出口溫度均與干燥介質(zhì)比熱容相關，干煤出口溫度相同的情況下，比熱容越大，干燥介質(zhì)最小流量越低。

表4 不同干燥介質(zhì)溫度、最小流量及干煤出口溫度的數(shù)據(jù)

圖9 不同介質(zhì)循環(huán)氣體對半焦溫度和煤干燥溫度的影響比較

2.3 干法熄焦余熱回收節(jié)水節(jié)能效果

2.3.1 節(jié)水分析

傳統(tǒng)濕法熄焦工藝中，主要在水封熄焦過程消耗大量的水，所得半焦含水量在25%～38%之間，而通過煤氣加熱干燥降至8%以下；干燥產(chǎn)生的水蒸氣則與干餾爐中的水煤氣進行反應，部分燃燒水以及化合水參與到水煤氣反應中?？傮w而言，濕法熄焦過程中水耗量約為127kg/t 煤，折合203kg/t 半焦。而由表5所示干法熄焦物料平衡數(shù)據(jù)可知，干法熄焦不僅耗費水資源少且生產(chǎn)的半焦含水量低。

表5 干法熄焦條件下熱解裝置物料平衡表

我國以中低溫熱解為核心的低階煤分質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)共形成蘭炭產(chǎn)能約為7800 萬噸，產(chǎn)量約為5270萬噸。其中陜西榆林蘭炭產(chǎn)能、產(chǎn)量分別約為5000萬噸、2888.7萬噸，其產(chǎn)能、產(chǎn)量分別占全國的64.1%和54.8%，折合轉(zhuǎn)化原煤約8800萬噸。如果采用干法熄焦，按照1t半焦節(jié)水203kg計，榆林地區(qū)每年節(jié)水將達到1070萬噸，按照工業(yè)用水4.0元/m的價格，直接經(jīng)濟效益將達4280 萬元/年，如果考慮節(jié)約的運輸費用和水循環(huán)耗電費用，效益將更為顯著。

2.3.2 節(jié)能分析

將高溫半焦冷卻熄焦過程中與循環(huán)氣體換熱，換熱后進入循環(huán)氣體的熱量定義為。將循環(huán)氣體攜帶顯熱在干燥段進行煤粉預熱，預熱煤粉利用的顯熱定義為，據(jù)此顯熱回用率定義為/。循環(huán)氣體初始溫度和流量對顯熱回用率影響見圖10 和圖11，由圖可知不同介質(zhì)顯熱回用效率變化規(guī)律一致，循環(huán)氣體流量在900kg/h 以內(nèi)時，顯熱回用效率較高，為94%以上；隨著循環(huán)氣體流量增加至900kg/h 以上，顯熱回用效率逐漸降低。在實際應用時，需要兼顧顯熱回用效率以及熄焦和煤干燥預熱溫度。根據(jù)前文所述流量在1900kg/h可同時滿足熄焦冷卻和干燥預熱要求，此時顯熱回用效率約為75%。

圖10 循環(huán)氣體初始溫度對顯熱回收效率的影響

圖11 循環(huán)氣體流量對顯熱回收效率的影響

2.4 基于萬噸級模試平臺的驗證

基于陜煤萬噸級粉煤快速熱解模試平臺，采用本文提出的干法熄焦工藝進行了模試驗證。具體工藝流程如圖12所示，低溫氮氣（≤45℃）在離心風機的作用下進入半焦旋風冷卻系統(tǒng)的冷卻器，氮氣與半焦逆向流動，自下而上對高溫半焦進行冷卻；出冷卻器的氮氣溫度在280～300℃之間，作為煤粉的預熱介質(zhì)，經(jīng)由風管進入煤粉預熱器完成煤粉預熱；氮氣經(jīng)除塵器除塵、換熱器降溫，在離心風機的作用下進入下一個循環(huán)過程。

圖12 干法熄焦工藝流程

Aspen Plus 模擬結果與萬噸級裝置模式結果相差在±5%以內(nèi)，模擬結果較好，見表6。結果表明，以惰性氣體為介質(zhì)的干法熄焦技術應用于氣流床粉煤快速熱解工藝可以有效回收半焦顯熱，理論分析和試驗驗證均證實該技術應用前景廣泛。圖13所示為關鍵溫度監(jiān)測點數(shù)據(jù)，試驗裝置累計運行2100h，以循環(huán)氮氣回收高溫粉焦顯熱，將熱半焦降至60℃以下，具備直接外送的條件，同時將回收的顯熱用于原料粉煤的預熱與干燥，避免了濕法熄焦造成的污染，有效提升了產(chǎn)品的品質(zhì)與系統(tǒng)的能效，干法熄焦工藝和設備有效性都得到了驗證。

表6 萬噸級模試與Aspen Plus模擬結果對比

圖13 萬噸級粉煤熱解裝置熄焦系統(tǒng)運行情況

3 結論

（1）模擬計算和模試驗證均表明干法熄焦余熱回收工藝可行，具有環(huán)保節(jié)能節(jié)水效果。通過計算發(fā)現(xiàn)氮氣、CO、煙氣、煤氣等介質(zhì)分別作為循環(huán)氣體對熄焦冷卻和煤干燥預熱效果基本一致，要根據(jù)工藝情況選擇適宜的干燥介質(zhì)。

（2）在任意溫度下，循環(huán)氣體流量以及煤干燥出口溫度關系圖中都有明顯拐點，該點為此循環(huán)氣體溫度下能完成煤干燥的最小循環(huán)氣體流量。干燥介質(zhì)的溫度與流量成反比關系，溫度較高時所需流量較小，反之亦然。干燥介質(zhì)最小流量以及干煤出口溫度與干燥介質(zhì)比熱容相關，干煤出口溫度相同的情況下，干燥介質(zhì)比熱容越大所需最小流量越低。

（3）循環(huán)氣體流量存在一個臨界點，在臨界點之下可滿足煤干燥預熱的要求，當流量在臨界點之上時，既能滿足半焦出口溫度要求又能滿足煤干燥預熱要求。對于本文工況，循環(huán)氣體流量在1900kg/h 可同時滿足熄焦冷卻和煤干燥預熱要求，對應顯熱回用效率約為75%。