蓄熱體在煤干餾過程中的應(yīng)用

金 晶

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

對(duì)于蓄熱體，國(guó)外研究者大體有兩類觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為蓄熱體是一種物質(zhì)，國(guó)外通常譯為“Thermal Mass”，即具有蓄熱能力的材料；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為它是材料的熱物性，表示材料的儲(chǔ)熱能力，類似于熱容量及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)[1]。而國(guó)內(nèi)一般取第一種觀點(diǎn)，即認(rèn)為蓄熱體是具有蓄熱能力的材料的統(tǒng)稱。目前，蓄熱體應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但在煤干餾應(yīng)用中尚無前例。

我國(guó)煤炭資源極其豐富，發(fā)展煤的干燥、干餾和提質(zhì)加工綜合利用，能有效緩解優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤供應(yīng)緊張的局面。因此，低階煤熱解提質(zhì)迎來了一次良好的發(fā)展機(jī)遇[2]。隨著煤和油頁巖干餾煉油技術(shù)的迅速發(fā)展，到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)出多種各具特色的煤干餾技術(shù)，有的處于試驗(yàn)室研究階段，有的進(jìn)入中試階段，有的已達(dá)到工業(yè)化階段[3]。然而，現(xiàn)有煤干餾技術(shù)多為塊煤處理技術(shù)，需將粉煤加壓成型后才能進(jìn)行干餾，為克服現(xiàn)有煤干餾技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本項(xiàng)目采用以低階煤為原料開發(fā)處理10mm以下粉煤的內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)中低溫成套技術(shù)和氣體熱載體煤熱解工藝，但在項(xiàng)目具體實(shí)施試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)原工藝中以高溫?zé)煔庾鳛楦绅s熱載體，影響副產(chǎn)物干餾煤氣的品質(zhì)導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)利用價(jià)值，直接排放又會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。針對(duì)此問題，筆者參考高爐用蓄熱式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，在煤干餾工藝流程中加入蓄熱體熱風(fēng)爐，通過改變熱載體形式以提高干餾煤氣的品質(zhì)，減少環(huán)境污染。

1 原煤干餾工藝及其存在的問題

對(duì)低階煤進(jìn)行提質(zhì)加工，最科學(xué)和常用的方法之一就是熱解，即干餾。煤干餾是指煤在隔絕空氣的條件下加熱、分解，生成焦炭(或潔凈煤)、煤焦油及煤氣等產(chǎn)物的過程。按加熱終溫的不同，可分為高溫干餾(900～1 100℃)、中溫干餾(700～900℃)和低溫干餾(500～600℃)[4]。高溫干餾的固體產(chǎn)物為結(jié)構(gòu)致密的銀灰色焦炭，煤氣產(chǎn)率高而焦油產(chǎn)率低，主要用于生產(chǎn)冶金焦炭；低溫干餾的固體產(chǎn)物為結(jié)構(gòu)疏松的黑色潔凈煤，煤氣產(chǎn)率低，焦油產(chǎn)率高，煤焦油比高溫焦油含有較多烷烴，是人造石油的重要來源之一[5]。本項(xiàng)目采用中低溫干餾工藝，用低階煤干餾以獲得主產(chǎn)物煤焦油和副產(chǎn)物干餾煤氣。

本項(xiàng)目采用的是內(nèi)熱回轉(zhuǎn)式中低溫干餾熱解爐。煤干餾過程(圖1)：煤氣和純氧在熱風(fēng)爐里燃燒得到1 100℃的高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔庾鳛闊彷d體進(jìn)入干餾熱解爐，把煤粉加熱到干餾溫度(500～700℃)后得到干餾混合氣，然后經(jīng)過洗滌塔的除塵收油，最終得到干餾產(chǎn)品。

圖1 煤干餾過程示意圖

通過開工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干餾過程最終只能得到主產(chǎn)物煤焦油，而副產(chǎn)物干餾煤氣品質(zhì)低，無法作為煤氣燃料或產(chǎn)品利用，只能進(jìn)行排放，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。其次，煤氣和純氧燃燒工藝不合理，實(shí)際過程控制比較困難，存在一定的安全隱患，容易引發(fā)爆炸。

2 解決方案

通過分析得出，副產(chǎn)物干餾煤氣品質(zhì)過低(熱值低)的主要原因是其CO2含量較高，而大量的CO2是由高溫?zé)煔庾鳛闊彷d體帶入干餾系統(tǒng)的，CO2的帶入改變了干餾煤氣成分。因此，高溫?zé)煔獠皇且环N理想的熱載體。

針對(duì)該問題，筆者提出將煤氣與純氧燃燒改為煤氣與空氣燃燒，方案改變后基本能達(dá)到同樣的燃燒效果，且空氣燃燒技術(shù)更加成熟、控制容易、過程安全。對(duì)于熱載體的改變，受到高爐煉鐵工藝的啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出在煤干餾過程中加入蓄熱體，將原高溫?zé)煔鉄彷d體更換為循環(huán)煤氣熱載體。如此，干餾過程中高溫?zé)煔庵惶峁崃拷o蓄熱體，不再進(jìn)入干餾爐，避免了CO2進(jìn)入煤干餾系統(tǒng)。高溫蓄熱體一方面將熱量傳遞給循環(huán)煤氣，另一方面使循環(huán)煤氣無氧燃燒(高溫氧化)，氧化過程只產(chǎn)生CO。高溫循環(huán)煤氣作為干餾熱載體，解決了干餾煤氣中CO2含量過高的問題，提高了干餾煤氣的品質(zhì)。

加入蓄熱式換熱爐后的煤干餾過程如圖2所示。煤氣與空氣在熱風(fēng)爐中燃燒產(chǎn)生1 100℃的高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔鈱⑿顭狍w加熱到800～900℃，降溫后的煙氣進(jìn)入換熱器進(jìn)一步放熱，使循環(huán)煤氣預(yù)熱。高溫蓄熱體將另一端進(jìn)入的循環(huán)煤氣加熱，并發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，循環(huán)煤氣出蓄熱體時(shí)溫度達(dá)到800℃左右，然后作為干餾熱源進(jìn)入干餾熱解爐。干餾得到的混合干餾氣經(jīng)過洗滌塔的除塵洗滌，最終得到主副產(chǎn)品。此時(shí)，大部分干餾煤氣作為產(chǎn)品產(chǎn)出，少部分繼續(xù)返回蓄熱體循環(huán)。

圖2 加入蓄熱式換熱爐后的煤干餾過程示意圖

2.1蓄熱體選材

蓄熱式換熱爐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是蓄熱體，目前我國(guó)在熱風(fēng)爐中常用的蓄熱體主要包括球式蓄熱體和格子磚式蓄熱體。球式蓄熱體主要指耐火小球，爐內(nèi)傳熱現(xiàn)象屬于變溫介質(zhì)不穩(wěn)定態(tài)綜合傳熱，不適用于本項(xiàng)目。格子磚式蓄熱體是目前被廣泛認(rèn)同和接受的一種具有熱交換能力強(qiáng)、蓄熱面積大、通氣順暢及阻力小等諸多優(yōu)越熱工特性的載熱蓄熱體。因此，本項(xiàng)目選擇格子磚作為蓄熱式換熱爐的蓄熱體材料。

蓄熱式換熱爐所用的格子磚可分為板狀格子磚和塊狀穿孔格子磚兩類。由于塊狀穿孔格子磚具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、格孔變形錯(cuò)位少、正常生產(chǎn)條件下流體阻損變化小、燃燒率穩(wěn)定、在熱負(fù)荷一定時(shí)蓄熱室磚重小、體積小以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，本項(xiàng)目最終選用塊狀穿孔格子磚式蓄熱體。

為滿足高爐對(duì)1 250℃以上高風(fēng)溫的需求，解決傳熱面積和蓄熱體積偏小、熱交換能力不足的難題，決定選用19孔格子磚(圖3)以提高換熱爐的熱交換率[6]。19孔格子磚參數(shù)：直徑238mm、高120mm、孔徑30mm(圓孔)、每立方(圓孔)的蓄熱面積為48m2。

2.2蓄熱式換熱爐設(shè)計(jì)

蓄熱式換熱爐的具體結(jié)構(gòu)(圖4)：爐膛中間是格子磚堆砌的蓄熱體結(jié)構(gòu)，周邊分別是高溫?zé)煔馊肟贜2、低溫?zé)煔獬隹贜4、低溫循環(huán)煤氣入口N3和高溫循環(huán)煤氣出口N1。蓄熱式換熱爐為間歇循環(huán)式工作，先關(guān)閉N1和N3口，打開N2和N4口，高溫?zé)煔鈴腘2進(jìn)入爐內(nèi)并加熱蓄熱體，然后從N4排出。當(dāng)煙氣完全排出時(shí)關(guān)閉N2和N4口，打開N1和N3口，低溫循環(huán)煤氣從N3口進(jìn)入，被高溫蓄熱體加熱，然后從N1口排出。此時(shí)，蓄熱體的熱量已被循環(huán)煤氣帶走，溫度降低，由此一個(gè)循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。由于煤干餾過程要求熱載體溫度恒定且連續(xù)，而單臺(tái)換熱爐間歇式運(yùn)行并不能保證工藝要求，所以采用雙蓄熱式換熱爐并聯(lián)工作的方式，工作流程如圖5所示。蓄熱體換熱爐由并聯(lián)的兩個(gè)爐子通過耐熱閥實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)切換，從而保證進(jìn)出口流體的連續(xù)。高溫?zé)煔馀懦鲂顭狍w后，還可以利用剩余熱值預(yù)熱低溫循環(huán)氣，如此不斷循環(huán)，使高溫流體間接加熱低溫流體，實(shí)現(xiàn)換熱。

圖3 19孔格子磚

圖4 蓄熱式換熱爐結(jié)構(gòu)圖

圖5 雙蓄熱式換熱爐并聯(lián)工作流程示意圖

3 結(jié)束語

針對(duì)原煤干餾工藝存在的問題，進(jìn)行了優(yōu)化改造。創(chuàng)新性地加入蓄熱式換熱爐，應(yīng)用蓄熱體改變了熱載體形式，間接把高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給循環(huán)煤氣。用循環(huán)煤氣作為熱載體，避免了把CO2代入系統(tǒng)，因此提高了干餾煤氣的熱值。干餾煤氣品質(zhì)提高后，可作為副產(chǎn)品或燃料使用，增加了經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。同時(shí)，將純氧燃燒改為空氣燃燒，使煤干餾過程更加安全可靠。

[1] 許艷,周軍莉,張國(guó)強(qiáng),等.蓄熱——一種低能耗技術(shù)的研究發(fā)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007,26(1):29～34.

[2] 張興剛.煤熱解為何重新受關(guān)注[J].化工管理,2012,(2):51～53.

[3] 曾凡虎,陳鋼,李澤海,等.我國(guó)低階煤熱解提質(zhì)技術(shù)進(jìn)展[J].化肥設(shè)計(jì),2013,51(2):1～7.

[4] 韓永濱,劉桂菊,趙慧斌.低階煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與熱解技術(shù)發(fā)展概述[J].中國(guó)科學(xué)院院刊,2013,28(6):772～780.

[5] 歐儉平,蔣紹堅(jiān),蕭澤強(qiáng).蜂窩型蓄熱體傳熱過程熱工特性的數(shù)值研究[J].耐火材料,2003,37(6):348～351.

[6] 陳雅蘭.合理選擇蓄熱室格子磚的厚度和形狀提高蓄熱效率[J].四川建材,1995,(4):25～27.