基于Aspen Plus 的低變質煤熱解熄焦系統模擬與分析

舒軍政，張智芳，高峰峰，高雯雯 ，呂 波 ，馮利軍

（1.榆林學院，陜西 榆林 719000；2.榆林市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室，陜西 榆林 719000；3.陜西雙翼煤化實業科技有限公司，陜西 榆林 719000）

引 言

能源開發過程中的工業廢氣減排和清潔生產技術開發已成為我國實施可持續發展戰略必須考慮的重大課題[1]。目前蘭炭（低變質煤中低溫熱解的半焦）生產企業的蘭炭熄焦方式主要為“水澇焦”的濕法熄焦（即用水噴淋的方式熄焦），不僅造成了能源的極大浪費、蘭炭品質的下降，而且嚴重污染了環境[2-3]。干熄焦技術是煉焦行業中一種成熟的熄焦技術，目前已經在國內外大中型冶金焦化企業廣泛應用[4-5]。

針對蘭炭熄焦存在的問題，榆林學院張智芳團隊[6]設計了干餾熄焦一體化的隧道型熄焦系統，并以朗肯循環火電廠（簡稱循環電廠）的煙氣作為冷源進行熄焦，利用Aspen Plus 流程模擬軟件, 建立了低變質煤熱解熄焦系統模擬流程，以實際生產運行數據為參考，最終通過Aspen Plus 軟件對熄焦系統過程模擬的可行性進行論證[7]，并對熄焦系統進行改進。

1 低變質煤中低溫干餾爐系統及實驗方法

1.1 低變質煤中低溫干餾爐系統

低變質煤中低溫干餾爐是整個低變質煤熱解熄焦工藝流程的核心裝置，其結構自上而下由爐頂煤倉、加煤車、干燥段、干餾段、冷卻段和干熄焦段等部分組成，外殼為鋼板焊制成的方箱，內襯耐火磚。中低溫干餾爐結構示意圖如圖1 所示。

圖1 中低溫干餾爐結構示意圖

1.2 實驗工況及參數

爐體材料主要由黏土質和高鋁質致密性耐火材料組成，爐頂溫度75 ℃～95 ℃、爐頂壓力120 Pa 左右，爐底壓力2 000 Pa 左右。干餾爐內各段工藝參數如表1 所示，全工藝主要設備參數如表2 所示。

表1 干餾爐內各段工藝操作參數

1.3 實驗內容

通過Aspen Plus 模擬軟件增加干熄焦余熱發電系統，并計算其節約成本能力。通過Aspen Plus 模擬軟件中靈敏度分析模塊( Sensitivity Analysis)，探討蘭炭的進出口溫度、循環電廠煙氣的進口溫度、循環電廠煙氣量、蘭炭出口量（即排焦量）與干熄爐內傳熱的關系；分析蘭炭進口溫度、排焦量、循環電廠煙氣量與鍋爐入口溫度的變化關系；分析循環電廠煙氣組分中CO、CO2對蘭炭燒損的影響。

表2 全工藝主要設備參數

2 基于Aspen Plus 的模型構建

2.1 物性方法選擇

在干餾爐Aspen Plus 建模中，由于模擬過程涉及到蘭炭、煤氣、煤焦油，因此選用IDEAL 或SOLIDS 物性方法。常規組分包括 H2O、N2、O2、CO2等，非常規組分包括 COAL 及 ASH。利用 HCOALGEN 和 DCOALIGT 模型進行煤焓和密度的計算[8]。

2.2 模擬流程圖的建立

進一步推動農村電商發展。依托“益農信息社”“農村淘寶”“郵樂購”等農村電商平臺，促進新型農業經營主體、加工流通企業與電商企業的對接融合，加快建立健全適應農產品電商發展的標準體系，打造農產品銷售公共服務平臺，推動“互聯網＋農業”的新型農業產業模式發展。

根據以上實驗內容，結合干餾爐實際運行過程，建立Aspen Plus 模擬流程圖，如圖2 所示。

圖2 低變質煤干餾熄焦發電一體化系統模擬圖

全工藝流程大致可分為煤干燥、煤干餾、蘭炭干熄焦、煤氣和煤焦油凈化分離及余熱回收和利用幾個工段。粉煤先進入干燥爐進行干燥，干燥過程中產生的煙氣溫度為150 ℃，經除塵后的煙氣一部分經風機加壓后循環使用，另外一部分經脫硫后排空；從干燥段出來的混煤進入炭化室內進行低溫干餾，產生的荒煤氣用35 ℃～40 ℃氨水進行降溫，將荒煤氣中攜帶的粉塵、焦油及焦油渣沖下來，再通過氣液分離器將焦油和煤氣分離，經橫管冷卻器將煤氣溫度降低，并通過電捕焦油器捕捉剩余的焦油，得到的凈煤氣一部分儲存在氣柜中，一部分送至炭化室助燃，另一部分送至電廠燃燒；干餾段的煤料與通入的回爐煤氣和空氣逆向接觸，被加熱到600 ℃～700 ℃，得到赤熱的蘭炭；經膜式水冷壁輻射換熱后，蘭炭從650 ℃降至450℃左右，然后從干熄爐的頂部裝入爐內，循環電廠煙氣經給水預熱器換熱降溫后，被加壓鼓入到干熄爐內，逐漸將蘭炭的熱量置換出來，使蘭炭的溫度降低至162℃左右；再經廢熱鍋爐換熱產生中壓或高壓蒸汽，這些蒸汽即可作為動力蒸汽，用于電廠發電[9-10]。

汽輪機余熱水經除鹽、除氧后，通過水泵送至廢熱鍋爐，經過吸收干熄段的余熱后進入汽包。汽包內的物流分成兩股：一股是高壓軟水被送至膜式水冷壁，經水冷壁汽化后重新回到汽包內；另一股經1#蒸汽過熱器和2#蒸汽過熱器變成過熱蒸汽后，送入1#汽輪機和2#汽輪機，轉換為機械能，再通過發電機組將機械能轉化為電能，產生的電能用于發電或工業生產，實現余熱的轉換與利用。

3 結果與分析

3.1 干熄焦余熱發電系統的效益分析

采用循環電廠尾氣作為熄焦冷源，可減少冷公用工程的消耗；采用膜式水冷壁、廢熱鍋爐用于換熱后產生中低壓蒸汽，可補充熱公用工程消耗，同時減少外在熱公用工程的補充。通過Aspen Energy Analyzer分析干熄焦系統冷熱流股匹配前后公用工程耗量對比，結果如表3 所示。

由表3 可以看出，進行干熄焦系統冷熱流股匹配后，全流程公用工程耗量下降明顯，能夠節省熱耗42.54%，節省冷耗32.16%，達到了較好的節能效果。

改進后的干熄焦工藝系統具有以下特點：

（1）回收余熱、降低能耗。與濕法熄焦技術相比，可以回收和利用爐內的余熱，同時可達到節能降耗的效果。

（2）減少環境污染。一方面采用電廠排放煙氣作為干熄焦的冷源，在變廢為寶、節省資源的同時，也可以減少煙氣排放；另一方面干熄焦余熱回收過程可產生1.25 MPa 動力蒸汽，其可用于電廠發電，從而避免生產相同數量蒸汽的鍋爐燃煤對大氣的污染[7]。

3.2 靈敏度分析干熄爐內傳熱影響因素

3.2.1 蘭炭進口溫度對鍋爐入口溫度的影響

保持蘭炭出口溫度162 ℃、蘭炭出口量75 t/h、循環電廠煙氣進口溫度110 ℃等參數一定，以蘭炭進口溫度為自變量，溫度變化范圍在580 ℃～700 ℃，鍋爐入口溫度為因變量，通過Aspen Plus 靈敏度分析得到蘭炭進口溫度與干熄爐入口溫度的變化關系，如圖3 所示。

圖3 蘭炭進口溫度與鍋爐入口溫度的變化關系

由圖3 可以看出，隨著蘭炭進口溫度增加，鍋爐入口溫度也在增加，蘭炭進口溫度到680 ℃后，鍋爐入口溫度增長趨勢有所減緩，但整體呈線性增長趨勢。

3.2.2 排焦量對鍋爐入口溫度的影響

保持蘭炭進口溫度650 ℃、蘭炭出口溫度162 ℃、循環電廠煙氣進口溫度110 ℃等參數一定，以排焦量為自變量，變化范圍在70 t/h～120 t/h，鍋爐入口溫度為因變量，通過Aspen Plus 靈敏度分析得到排焦量與鍋爐入口溫度的變化關系如圖4 所示。

由圖4 可以看出，隨著排焦量增加，鍋爐入口溫度增加，當排焦量由70 t/h 增加至80 t/h 時，鍋爐入口溫度增加約30 ℃，表明排焦量對鍋爐入口溫度影響較為明顯，二者整體呈線性關系增長。單位時間內排焦量增加，則單位時間進入干熄焦系統的總能量也隨之增加，因而使得鍋爐入口溫度升高。

3.2.3 循環風量對鍋爐入口溫度的影響

保持排焦量75 t/h、排焦溫度162 ℃、蘭炭入口溫度650 ℃、循環煙氣進口溫度110 ℃等參數一定，以循環電廠煙氣量為自變量，變化范圍在120 000 m3/h～200 000 m3/h，鍋爐入口溫度為因變量，通過Aspen Plus 靈敏度分析，得到循環電廠煙氣量與鍋爐入口溫度的變化關系，如圖5 所示。

圖5 循環電廠煙氣量與鍋爐入口溫度的變化關系

從圖5 可以看出，隨著循環電廠煙氣量的增加，鍋爐入口溫度降低。循環電廠煙氣量增加至160 000 m3/h 后，鍋爐入口溫度變化趨勢有所減緩，但整體上二者仍近似呈線性關系，說明循環電廠煙氣量對鍋爐入口溫度影響比較明顯

3.3 靈敏度分析CO 和CO2 對蘭炭燒損影響因素

赤熱蘭炭在冷卻過程中的燒損主要是由于蘭炭與煙氣中的CO2、O2發生了反應。熄焦煙氣中的CO2與從炭化室出來的蘭炭表面接觸，發生CO2+C=2CO 的反應，造成蘭炭的燒損。循環電廠凈煤氣在燃燒過程中保持空氣的充足，因而煙氣中含有一定量的O2，熄焦煙氣中的O2與蘭炭接觸，發生2C+O2=2CO 或C+O2=CO2的反應，同樣也造成蘭炭的燒損。可以通過模擬干熄焦爐爐溫變化對CO 和CO2摩爾分數的影響，來模擬熄焦煙氣中CO 和CO2對蘭炭燒損的影響。通過Aspen Plus 靈敏度分析，得到干熄爐爐溫與CO 和CO2摩爾分數變化關系，如圖6 所示。

從圖6 可以看出，隨著干熄爐爐溫的增加，爐內CO 的摩爾分數逐漸增加，而CO2的摩爾分數逐漸降低。爐溫達640 ℃左右后，CO、CO2摩爾分數變化趨勢有所減緩，但整體上與干熄爐爐溫呈線性變化。因此，在保障CO 濃度在爆炸下限范圍內前提下，盡量控制CO2濃度在較低范圍內。

圖6 干熄爐爐溫與CO 和CO2 摩爾分數的變化關系

4 結 論

4.1 通過優化熄焦工藝技術，建立熄焦余熱發電系統，利用廢熱鍋爐和水冷壁進行換熱，從模擬結果來看，干熄焦系統冷熱流股匹配后，可節省熱公用工程消耗42.54%，節省冷公用工程消耗32.16%；同時在干熄焦余熱回收過程中，產生1.25 MPa 動力蒸汽，可用于發電，避免產生相同數量蒸汽的鍋爐燃煤對大氣的污染。

4.2 通過Aspen Plus 模擬軟件中靈敏度分析模塊，分析了蘭炭進口溫度、排焦量、循環電廠煙氣量與鍋爐入口溫度的變化關系。在實際生產過程中，可以通過控制進口循環電廠煙氣量、減少排焦量及降低蘭炭進口溫度等方式，來調節鍋爐入口溫度，避免因溫度過高對鍋爐管及耐火材料造成損失。

4.3 探討了爐內溫度變化對循環電廠煙氣中CO 和CO2摩爾分數的影響，模擬結果表明，隨著爐溫的增加，CO 的摩爾分數逐漸增加，CO2的摩爾分數逐漸減小，對蘭炭燒損影響程度減小，故在實際生產操作過程中，在保證CO 濃度在安全范圍內前提下，盡可能降低CO2濃度，以減小蘭炭燒損率。