內(nèi)熱式直立炭化爐在干餾新疆煤的過程強化策略研究

朱佛代，趙 杰，陳曉菲，曾明明，梁博博，孫丁武，王睿哲，王 樂

(1 陜西冶金設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710032；2 華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710076)

新疆煤炭資源豐富，煤炭預測資源總量居全國前列，是累計探明儲量最大的省份之一。對新疆地區(qū)豐富的煤炭資源進行分級分質(zhì)綜合利用是提升其煤炭資源經(jīng)濟效益的有效途徑之一，是實現(xiàn)煤炭資源清潔利用的必然趨勢[1]，不僅可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)煤化工的行業(yè)升級，又可以實現(xiàn)清潔化工生產(chǎn)，同時可以延長煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，符合環(huán)境友好、資源節(jié)約、循環(huán)經(jīng)濟的煤化工新型工業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略。

國內(nèi)主要產(chǎn)煤省區(qū)如陜西、內(nèi)蒙古、新疆等省區(qū)大多采用內(nèi)熱式直立炭化爐進行中低溫干餾[2-3]，生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。然而，新疆地區(qū)煤質(zhì)灰分較高，蘭炭產(chǎn)品的質(zhì)量差，其固定碳含量僅為70%左右。因此，探究將新疆地區(qū)煤炭資源轉(zhuǎn)化為高值產(chǎn)品的工藝技術(shù)已成為煤炭資源清潔利用的關(guān)鍵問題之一。

外熱式干餾爐荒煤氣熱值高、焦油組分占比大，且對煤料粒徑無特殊要求，但該爐形生產(chǎn)能力低、蘭炭產(chǎn)品成熟度不一。目前國內(nèi)煤低溫干餾項目主要采用的是內(nèi)熱式直立炭化爐工藝，該爐型爐內(nèi)采用大空腔設(shè)計，卸入爐頂最上部煤倉的原料煤自上而下移落至炭化爐內(nèi)，氣體熱載體由下向上穿過料層，因此要求料層有足夠的透氣性，入料粒度必須為20～150 mm 的塊煤。同時，內(nèi)熱式直立炭化爐受加熱方式影響，煤氣中氮氣含量高，導致產(chǎn)出的煤氣熱值較低，限制了煤氣綜合利用途徑[5]。截止目前，對內(nèi)熱式直立炭化爐進行優(yōu)化設(shè)計以提高荒煤氣中有效組分的研究鮮有報道。

本研究以新疆哈密三塘湖地區(qū)為例，探究采用內(nèi)熱式直立炭化爐生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣的可行性，并提出了內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計策略和提高荒煤氣中有效組分的有效措施，為新疆地區(qū)煤炭資源的清潔高效利用提供理論指導。

1 研究對象和方法

1.1 新疆地區(qū)煤炭資源煤質(zhì)分析

新疆地區(qū)煤質(zhì)灰分較高(11.83%～16.71%)，所產(chǎn)蘭炭為低品質(zhì)蘭炭(固定碳含量為70%左右)，同時焦油產(chǎn)率較低。詳細煤樣分析如表1所示。

表1 煤樣分析數(shù)據(jù)表

利用內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝熱解新疆地區(qū)煤炭資源，產(chǎn)品為低品質(zhì)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。所產(chǎn)低品質(zhì)蘭炭應(yīng)用范圍窄，價值較低。所產(chǎn)煤焦油為低溫和中溫焦油的混合物，是加工燃料油的優(yōu)質(zhì)原料，其輕質(zhì)組分含量高?？赏ㄟ^加氫等手段增值利用，但其較低的產(chǎn)率限制了新疆地區(qū)煤炭資源的高效利用。

由于該內(nèi)熱式直立炭化爐為內(nèi)熱式加熱，在荒煤氣中混入了大量的廢氣，使荒煤氣的發(fā)生量比外熱式加熱方式明顯增加，但荒煤氣熱值降低。所產(chǎn)荒煤氣成分如表2所示。

表2 煤氣成分

由于荒煤氣中混入了大量熱廢氣，致使CO2含量較高；同時鼓入內(nèi)熱式直立炭化爐的助燃劑為空氣，導致煤氣中氮氣含量增高。這種低熱值荒煤氣利用價值不高，通常作為發(fā)電、金屬鎂冶煉等行業(yè)的燃料使用。因此，開發(fā)提高荒煤氣中有效組分的工藝技術(shù)是提升新疆地區(qū)煤炭資源綜合利用效益的關(guān)鍵。

1.2 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝概述

煤炭化工藝按照加熱終溫、加熱方式、熱載體類型等工藝條件分為不同類型。按加熱終溫可分為：低溫(500～700 ℃)、中溫(650～800 ℃)、高溫(900～1000 ℃)和超高溫(>1200 ℃)煤炭化工藝。按加熱方式可分為：外熱式、內(nèi)熱式、內(nèi)外并熱式煤炭化工藝。按熱載體類型可分：為固體熱載體、氣體熱載體、固-氣配合熱載體煤炭化工藝。

煤炭化工藝類型選擇取決于獲取的目標產(chǎn)品的要求，并綜合考慮原料煤質(zhì)特點、設(shè)備制造、工藝控制水平及最終的經(jīng)濟效益。低溫干餾的固體產(chǎn)品為蘭炭，煤氣產(chǎn)率低而焦油產(chǎn)率較高；而高溫干餾的固體產(chǎn)品為冶金焦炭，煤氣產(chǎn)率高而焦油產(chǎn)率較低。隨著干餾溫度的增加，煤氣產(chǎn)率增大但發(fā)熱量降低，焦油中瀝青增加而脂肪烴含量降低。

醫(yī)院報銷業(yè)務(wù)需要實現(xiàn)電子化，通過報銷業(yè)務(wù)電子化實現(xiàn)支出業(yè)務(wù)全員全過程預算控制。預算批復后下發(fā)到報銷系統(tǒng)中，經(jīng)辦人員填寫報銷申請時，需選擇資金預算項目，沒有預算項目或預算項目超支將無法提交支付申請，有效避免預算外支出。報銷系統(tǒng)記錄下業(yè)務(wù)申請、審批、付款的狀態(tài)和時間，系統(tǒng)可以實時統(tǒng)計預算執(zhí)行情況，為預算分析評價提供數(shù)據(jù)，快速找到執(zhí)行差異原因，進而做出相應(yīng)調(diào)整、提醒或督促，實現(xiàn)事前、事中、事后全過程的預算控制目標。

內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝屬于氣體熱載體低溫熱解工藝，該爐自上而下分為預熱段、干餾段、冷卻段，包括備煤工段、炭化工段、出焦工段、煤氣凈化工段、焦油氨水分離工段、焦油罐區(qū)等主要生產(chǎn)設(shè)施。備煤工段為炭化爐提供合格的原料煤；原料煤在內(nèi)熱式直立炭化爐裝置干餾后生產(chǎn)低品質(zhì)蘭炭和荒煤氣；荒煤氣與循環(huán)氨水逆向接觸降溫除塵后，再通過間冷器，經(jīng)冷卻水連續(xù)對煤氣降溫，使煤氣中所含焦油等冷凝。凈煤氣經(jīng)風機加壓，一部分通過回爐煤氣管道送至直立爐加熱煤料，剩余煤氣送往后續(xù)裝置。

焦油氨水分離工段負責將炭化工段和煤氣凈化工段的焦油、氨水混合物進行分離，去除焦油渣，回收焦油。工藝方案流程如圖1所示。

圖1 工藝方案流程框圖

1.3 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝技術(shù)存在的問題

該爐型對原料煤粒徑有限制，塊煤粒度必須為20～150 mm。然而，新疆地區(qū)小粒煤產(chǎn)量大，相對價格較低，如能開發(fā)小粒煤干餾工藝以顯著提升小粒煤的經(jīng)濟價值，可有效拓寬煤炭資源利用范圍。可考慮內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計，解決小粒煤低溫干餾的瓶頸問題。

由于該內(nèi)熱式直立炭化爐為內(nèi)熱式加熱，在荒煤氣中混入了大量的廢氣，盡管荒煤氣的發(fā)生量比外熱式加熱方式明顯增加，但荒煤氣有效組分含量和熱值降低。可考慮采用富氧熱解技術(shù)干餾新疆煤生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。

2 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝的改進

2.1 內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計

內(nèi)熱式直立炭化爐爐內(nèi)采用大空腔設(shè)計，卸入爐頂最上部煤倉的原料煤通過兩道加煤閥交替開關(guān)控制，自上而下移落至炭化爐內(nèi)，氣體熱載體由下向上穿過料層，要求料層有足夠的透氣性。一旦煤料布料不均勻?qū)е旅毫鲜軣岵痪鶆?，導致生成的蘭炭成熟度不一，質(zhì)量下降的嚴重后果。當入爐煤粒徑過小時，爐內(nèi)溫度降低，壓力增大，料層透氣性降低。然而，新疆地區(qū)小粒煤產(chǎn)量大，相對價格較低，大量小粒煤如果得到充分利用，可拓寬煤炭資源利用范圍。內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計可以實現(xiàn)小粒煤的熱解。如優(yōu)化設(shè)計內(nèi)熱式直立炭化爐外形尺寸、在內(nèi)熱式直立炭化爐大空腔內(nèi)設(shè)置布料構(gòu)件等措施，可改善了料層的透氣性。

計算流體力學(Computational fluid dynamics，CFD)是進行流場分析的重要工具，能有效解決因控制方程復雜而無法得到清晰解的流動問題[7]。利用ANSYS前處理軟件對內(nèi)熱式直立炭化爐進行三維建模并完成網(wǎng)格劃分，選用相應(yīng)的模型研究爐內(nèi)的傳熱過程。通過模擬研究不同火道布氣孔位置、集氣傘布置高度對爐內(nèi)溫度場和壓力場的影響，優(yōu)化設(shè)計助燃氣體含氧量和回爐煤氣的曝氣方式，可以為內(nèi)熱式直立炭化爐的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導。

2.2 富氧干餾工藝及其過程強化

富氧燃燒技術(shù)是最具潛力的提高荒煤氣中有效組分的工藝技術(shù)之一。該工藝技術(shù)加熱用煤氣仍是經(jīng)煤氣凈化工段凈化和冷卻后的回爐煤氣，其原理是：以富氧空氣或純氧氣作為助燃氣體，富氧助燃氣體由制氧裝置提供并由風機鼓入內(nèi)熱式直立炭化爐內(nèi)，煤氣和富氧助燃氣體混合后進入燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，利用高溫煙氣的熱量將煤料進行熱解。內(nèi)熱式直立炭化爐富氧干餾工藝具有以下優(yōu)點：(1)生成的煤氣組分中，氫氣含量較高，不需要增加變換裝置便可滿足煤焦油加氫用氫需求；(2)有效氣體組分(H2、CH4、CO)較高，可以增產(chǎn)LNG 的產(chǎn)量，提高項目的經(jīng)濟效益。

助燃氣體含氧量、回爐煤氣量和回爐煤氣與助燃氣體比率是影響煤炭資源通過富氧干餾工藝技術(shù)生產(chǎn)的荒煤氣品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。樊越勝等人[6]通過研究煤樣在不同體積氧濃度下(20%、30%、40%、60%、100%)的燃燒行為，發(fā)現(xiàn)隨著氧濃度的增大，煤樣的綜合燃燒特性的明顯改善。富氧條件下煤氣的著火溫度降低，燃燒強度提高，熱傳導效率好，為防止爐內(nèi)局部過熱，需要調(diào)節(jié)回爐煤氣量平衡爐內(nèi)溫度。趙杰等[2](在SH2007 型內(nèi)熱式直立炭化爐中的干餾)通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)煤氣與空氣的流量比控制在1.7～1.9之間時，炭化爐生產(chǎn)的荒煤氣氫氣含量、蘭炭質(zhì)量和焦油的回收率較高。

然而，采用傳統(tǒng)單因素法探究助燃氣體含氧量和回爐煤氣與助燃氣體比率對煤熱解生產(chǎn)荒煤氣品質(zhì)的影響，未考慮參數(shù)間交互作用，可能會導致優(yōu)化不準確。為了解決這一問題，在分析優(yōu)化中使用最多的多元統(tǒng)計是曲面響應(yīng)法(RSM)。RSM可以通過分析回歸方程得到最優(yōu)的參數(shù)組合，彌補單因素實驗不能闡明環(huán)境因子間對響應(yīng)值的交互影響以及作用機理的不足。本研究以助燃氣體含氧量和回爐煤氣與助燃氣體比率作為兩個獨立工藝參數(shù)，使用Minitab 17.0進行 BBD設(shè)計(表3)，分析兩個獨立的工藝參數(shù)對煤熱解產(chǎn)荒煤氣氫含量的影響。

表3 RSM設(shè)計中使用的參數(shù)及水平

方差分析(ANOVA)用來檢驗回歸方程中每一項(線性項、平方項和交互項)對響應(yīng)值的影響和和顯著性。最后借助等值線圖和三維曲面圖闡明各因子間對油脂積累的交互影響以及作用機理，并得到最佳的熱解條件。

3 結(jié) 論

(1)采用內(nèi)熱式直立炭化爐干餾新疆地區(qū)煤炭資源生產(chǎn)荒煤氣、煤焦油和蘭炭的工藝，是目前綜合利用該地區(qū)煤炭資源的較好途徑；

(2)采用經(jīng)典CFD模擬仿真軟件ANSYS FLUENT重點考察不同火道布氣孔位置、集氣傘高度對小粒煤干餾產(chǎn)品品質(zhì)的影響，可以為內(nèi)熱式直立炭化爐的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導；

(3)富氧干餾工藝技術(shù)是解決目前煤干餾產(chǎn)荒煤氣品質(zhì)較低的有效措施，應(yīng)用RSM對其進行過程強化，是提升荒煤氣中氫含量的有效方式。