多段直立炉的热工评价与低阶碎煤热解的能耗分析

多段直立炉的热工评价与低阶碎煤热解的能耗分析

郑锦涛 高鹏 叶佳澎

（陕西陕北乾元能源化工有限公司，陕西 榆林  719000）

摘  要：通过建立低阶碎煤热解的物料平衡、热平衡对多段直立炉进行热工评价，并进行低阶煤碎煤热解过程的能耗分析，结果表明：多段直立炉热效率和热工效率较高，分别为87.51%、80.37%，其中湿煤气耗热量为1319.01kJ/kg；低阶碎煤热解过程的能耗较低，为112.88kgce/t半焦，其能效为91.90%。

关键词：多段直立炉；低阶碎煤；热解；热工评价；能耗分析

Thermal Evaluation of Vertical Multistage Retort Furnaceand Energy Consumption Analysis in Pyrolysis of Low-Rank Crushed Coal

Abstract: The thermal evaluation of vertical multistage retort furnace was carried out, and the energy consumption in pyrolysis of low-rank crushed coal was analyzed, through the established material balance and thermal balance. The results showed that, the vertical multistage retort furnace, with thermal efficiency of 87.51%, heat efficiency of 80.37%, was better on thermal efficiency and heat efficiency, and the heat Consumption of wet gas was 1319.01kJ/kg. The energy consumption in pyrolysis process of low-rank crushed coal, with the energy consumption of 112.88kgce/t, was lower on energy consumption, and the energy efficiency was 91.90%.

Key words: vertical multistage retort furnace; low-rank crushed coal; pyrolysis; thermal evaluation; energy consumption analysis

0 引  言

低阶煤一般指褐煤和低变质程度的烟煤，约占我国已探明煤炭储量的55%[1,2]，低阶煤一般直接用于燃烧发电，其能量利用率低且会带来严重的环境问题。低阶煤分质利用是将低阶煤转化为气液固三相产物，并将产物有区别的梯级延伸加工利用的技术，是实现煤炭高效转化和清洁利用的有效形式，其中中低温热解技术是低阶煤分质利用的关键环节，影响煤炭清洁高效利用的方向[3-5]。

目前，中低温热解技术主要应用在我国的西北地区生产兰炭，最典型的炉型为SJ型炭化炉。SJ型炭化炉是三江煤化工有限责任公司根据陕北地区煤质特性和半焦的技术要求研发而成的，其在鲁奇三段炉的基础上进行了优化，适用于块状烟煤的低温干馏，且SJ型炭化炉的内燃内热式设计大幅提高其热工效率。随着优质块煤资源的不断减少，低阶碎煤的利用越来越受到重视，但碎煤中小粒级颗粒占比较大，导致气体热载体通过床层的阻力较大，造成出现较多的连续性生产问题[6-9]。多段直立炉可解决碎煤热解中的床层阻力问题，其分段多层技术可增加床层透气性，扩宽低阶煤热解的入炉粒度，其结合干熄焦技术更能增加热量利用率。多段直立炉与煤气加热炉联合使用可以大幅提高煤气品质、增加焦油收率、生产干燥半焦，是碎煤热解的有效途径[10]。

本文主要根据陕西陕北乾元能源化工有限公司长焰煤热解工业示范项目的运行数据，并结合多段直立炉的结构特点，通过低阶碎煤热解过程中的物料平衡、能量平衡，进行多段直立炉的热工评价与低阶碎煤热解的能耗分析[11-13]。

1 原料及产品性质

    原料选用陕北地区的低阶碎煤，其属于低灰、低硫、高挥发分、高固定碳的煤种，原料和半焦的工业分析及低位发热量见表1，因多段直立炉采用干法熄焦工艺，半焦的全水在1.8%，远低于行业的平均值12%。

表1 原料和半焦的性质

    原煤和半焦的粒度分布见表2，原料碎煤的粒度主要分布在0~30mm，13mm以下的粒煤和粉煤占24.32%。

表2 原煤和半焦的粒度分布

    多段直立炉联合煤气加热炉工艺的干馏煤气见表3。

表3 煤气组分表

2 多段直立炉的热工评价

多段直立炉采用外燃内热的加热方式，加热煤气燃烧产生的化学热量加热煤气加热炉的蓄热砖，煤气热载体再与蓄热砖换热产生高温煤气，高温煤气与原煤直接换热产生半焦、煤气、焦油；高温半焦采用烟气干法熄焦，产生的高温烟气送至干燥段干燥原煤。

2.1 物料平衡

    GB 33962-2017《焦炉热平衡测试与计算方法》规定了常规焦炉物料平衡、热平衡计算的基准和方法[14]，本文参考该标准进行多段直立炉的热工评价，物料平衡数据主要依据50万吨/年长焰煤热解工业示范项目的生产报表数据，表4所示为以1000kg湿煤为基准的物料平衡表，收入原料的总质量等于支出产物的总质量。

表4 物料平衡表

    由表4可知，物料平衡的误差为0.44%（小于1%），在误差允许范围之内，吨煤半焦收率为65.69%，吨煤焦油收率为8.09%（同基准格金值的87.2%），煤气产量为167Nm3/t煤。

2.2 热平衡

热平衡是在物料平衡的基础上计算而得，热平衡表见表5，其表示多段直立炉收入的总热量等于支出的总热量。在热平衡计算的过程中，只考虑物料进出带的显热、燃气燃烧的化学热、炉体表面的散热，不考虑原煤在热解过程中碳氢化合物分解和聚合的热效应。

表5 热平衡表

由表5可知，热平衡的计算误差为3.36%（小于5%），在误差允许范围之内；收入热量主要为加热煤气燃烧的化学热量，其占收入总热量的93.79%；半焦的热量仅占总支出热量的6.75%，这是因为干法熄焦回收了半焦余热。

2.3 热效率与耗热量

进行热工评价时，将经多段立式炉传给有效产物的热量记为有效热量，包括、、、、、，热工效率为有效热量占供给热量的百分比。热效率表示理论上可被利用的热量占供给热量的百分比，可被利用的热量包括有效热量和炉体表面总散热量。在实际生产中，一般传统的大型焦炉热效率在79%~85%之间，热工效率在70~75%之间。

立式直立炉的热效率为：

立式直立炉的热工效率为：

耗热量根据式计算，表示湿煤气耗热量（kJ/kg）；表示加热煤气低位发热量（kJ/Nm3）；表示每小时入炉煤消耗的加热煤气的标准流量（Nm3/h）；表示每小时的装煤量（t/h）。当前炼焦耗热量先进值为1740kJ/kg。

经计算多段直立炉的湿煤气耗热量为：

    与行业其他炉型相比，多段直立炉热效率高、耗热量低，这是因为加热煤气燃烧产生的烟气带出的热量少，因此理论上可被利用的热量就相对较多。系统采用煤气加热炉提供热源，加热煤气产生的热烟气在加热炉蓄热砖换热室充分接触换热，换热后的烟气温度在130℃左右，极大提高了热利用效率。相对内燃内热式炉型而言，煤气加热炉的的使用会增加设备与空气的接触面积，增加炉体表面总散热。为提高多段直立炉的热效率，可适当增加助燃空气比例，减小不完全燃烧损失热量，炉体外墙保温层选用保温性能较好的材料，减小炉体表面散热。

3 低阶碎煤热解的能耗分析

GB 21342-2013《焦炭单位产品能耗消耗限额》规定了焦化厂焦炭单位产品能耗的计算方法[15]，本文根据物料平衡和公用工程消耗，并参考该标准进行低阶碎煤热解的能效计算及能耗分析。计算时，电力折算系数取当量值0.1229kgce/(kWh)，工业水折标煤系数取0.0475kgce/t。

低阶碎煤的能耗根据式计算，能效根据式计算。表示半焦单位产品能耗（kgce/t）；表示碎煤消耗量（kgce）；表示水电消耗量（kgce）；表示半焦的回收量（kgce）；表示焦油煤气回收量（kgce）；表示余热回收量，因计算时将干熄焦与整个工艺看作一个整体，所以不再单独考虑余热回收，即；表示干燥的半焦产量；表示热解过程的能效。

表6 能效与能耗表

    由表6可知，采用多段直立炉进行低阶碎煤热解的能效为91.90%，能耗为112.88kgce/t半焦，低于新建或改扩建顶装焦炉的能耗准入值122kgce/t，这是由于低阶碎煤热解采用烟气进行干法熄焦，回收的余热可以预热原煤并脱除煤中的游离水，因此，系统能效被提高，能耗被降低。

4 结论

通过物料平衡、热平衡等对多段直立炉进行热工评价，并分析低阶碎煤热解过程的能效和能耗，得出以下结论：

1）多段直立炉通过减少加热煤气产生的烟气带出的热量，可显著提高热效率和热工效率，分别为87.51%、80.37%，其中湿煤气耗热量为1319.01kJ/kg，通过控制过量空气系数可以进一步提高热效率。

2）多段直立炉利用干法熄焦回收的半焦余热预热原煤，提高了碎煤热解过程的能效，并降低了碎煤热解过程中的能耗，其能效和能耗分别为91.90%、112.88kgce/t半焦。

参 考 文  献

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