煤炭低溫熱解過程中的能耗及標準淺析

謝小兵，邢永平，賈建軍，張增悅

(1.西安天聚力隆能源科技有限公司，陜西 西安 710065；2.神木市蘭炭產業服務中心，陜西 神木 719313)

習近平主席在第七十五屆聯合國大會上表示，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取2060年前實現碳中和。而能耗與碳排放直接相關，要達到減碳的目的就必須降低能耗，故國家從2020年后半年起，嚴控高能耗、高排放(“兩高”)項目。

為堅決遏制“兩高”項目盲目發展，推動綠色轉型和高質量發展，國家生態環保部出臺指導意見，嚴控“兩高”項目環評審批。在此背景下，國家發改委將煤炭低溫熱解列為“兩高”項目，予以限制。本文重點就煤炭低溫熱解過程中的能耗問題予以研究、討論，供商榷。

煤炭熱解(蘭炭生產，下同)是煤在隔絕空氣條件下受熱分解生成煤焦油、蘭炭、干餾氣和水等過程[1]。根據加熱終溫不同，煤干餾大致分為：低溫熱解(500～600 ℃)、中溫熱解(600～900 ℃)、高溫熱解(900～1 100 ℃)[2]。按照加熱形式的不同可以分為內熱式和外熱式兩大類[3]。煤炭低溫熱解和傳統煤化工的煤制油、煤制氣相比，采用低溫、常壓、連續生產的工藝，物質轉化路徑簡單，熱解過程為熱分解反應，產品為煤氣、煤焦油、蘭炭，從原理上來說，生產過程能源轉換差小，能耗低；煤炭低溫熱解把煤炭變為三種工業原料，氣態產品—煤氣用途廣泛，液態產品—煤焦油是我國能源安全的有力保障，固態產品—蘭炭在很多工業應用場景下可以替代成本昂貴的焦炭。所以煤炭低溫熱解是煤炭分質利用的最佳方式。故在“十三五”被國家發改委、科技部列為有待突破的重大技術攻關項目。

關于蘭炭生產的能耗標準，2008年陜西省出臺地方標準DB61/T423—2008《蘭炭行業清潔生產標準》規定蘭炭生產能耗分三級，一級為190 kgce/t蘭炭、二級為210 kgce/t蘭炭、三級為230 kgce/t蘭炭[4]。2013年出臺國家標準GB29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》規定蘭炭生產先進值為190 kgce/t蘭炭、新建或改建企業準入值為210 kgce/t蘭炭、現有生產企業限定值為240 kgce/t蘭炭[5]，基本沿用了DB61/T423—2008的能耗數據。

由于DB61/T423—2008《蘭炭行業清潔生產標準》出臺較早，當時蘭炭生產屬于起步階段，技術不甚完善，屬于粗放式生產，標準核定能耗較高，以至于國家將蘭炭行業列入了“兩高”，對蘭炭行業的發展造成了很大的影響。

經過十多年的發展，蘭炭生產技術日趨成熟，能耗已經大幅下降。本文針對現有具代表性的蘭炭生產技術，詳細計算蘭炭生產能耗，為蘭炭清潔生產標準的進一步修訂提供參考。

1 現有蘭炭生產技術介紹

現有蘭炭生產技術主要有內熱式直立爐+水封出焦工藝及內熱式直立爐+微水熄焦工藝。

內熱式直立爐+水封出焦工藝屬于傳統的蘭炭生產工藝，由于高溫蘭炭直接落入水池中進行熄焦，現場環境差、環境污染嚴重，且蘭炭含水高達20%左右，需要使用煤氣進行初步烘干，不但環境污染嚴重，且能耗大。2008年DB61/T423—2008出臺時，行業內的主流生產工藝就是內熱式直立爐+水封出焦工藝，故標準核定能耗較高。

內熱式直立爐+微水熄焦工藝較內熱式直立爐+水封出焦工藝在環保及能耗方面有了較大的改善，主要工藝流程如下。

由備煤工段運來的合格入爐煤，經儲煤倉卸入爐頂最上部煤倉，再經電液動插板閥和輔助煤箱裝入炭化爐內。根據生產工藝要求，每半小時打開電液動插板閥向炭化爐加煤一次。加入蘭炭爐的塊煤自上而下移落，與燃燒室送入的高溫氣體逆流接觸。炭化室的上部為預熱段，塊煤在此段被加熱到400 ℃左右；接著進入炭化室中部的干餾段，塊煤在此段被加熱到700 ℃左右，并被炭化為蘭炭。

蘭炭通過炭化室下部的冷卻段進入水冷壁換熱，換熱產生的蒸汽送入裝置區使用，換熱后約400 ℃焦炭下行到下部的導料槽進入集焦倉中，由推焦機控制焦炭的排出。集焦倉中設置的噴水熄焦冷卻系統向焦炭噴水；當熄焦水接觸到推焦機推出的熱焦時，水變為蒸汽帶走蘭炭的顯熱，使蘭炭溫度降至80 ℃左右。熄完后的焦炭，由兩層閥門交替開關控制焦炭的排出并落至運焦膠帶上。

煤料炭化過程中產生的荒煤氣與進入炭化室的高溫廢氣混合后，經上升管、橋管進入集氣槽，80 ℃左右的混合氣在橋管和集氣槽內經循環氨水噴灑被冷卻至60 ℃左右。混合氣體和冷凝液送至煤氣凈化工段，通過煤氣凈化與焦油氨水分離，得到焦油與煤氣。

直立爐加熱用的煤氣，是經煤氣凈化工段凈化和冷卻后的回爐煤氣?？諝庥呻x心風機鼓入直立爐內，煤氣和空氣混合后進入燃燒室燃燒，燃燒產生的高溫煙氣，通過煤氣道兩側的進氣孔進入炭化室，利用高溫廢氣的熱量將煤料進行炭化。

蘭炭生產技術工藝流程如圖1所示。

2 蘭炭生產物料衡算

2.1 入爐煤分析指標

以陜西榆林神府煤為原料生產蘭炭，原料煤及相關分析指標見表1。

2.2 物料衡算

2.2.1 投入項計算

內熱式直立爐的物料平衡投入項包括入爐的干煤、煤中水以及作為熱解供熱使用的燃燒煤氣、助燃空氣。以1 000 kg入爐煤量作為計算的基準，計算如下：

(1)入爐的干煤量

式中：Gm——入爐的干煤量，kg/t；

W——入爐煤的水分，%。

(2)入爐煤的水量

(3)燃燒煤氣量。直立爐煤氣成分見表2。

表2 直立爐煤氣成分

根據表2煤氣密度為ρmq為0.98 kg/m3，噸煤熱解所需燃燒煤氣量：Gmq=Vmq×ρmq=215.89×0.98=211.57 kg。

(4)助燃空氣。因直立爐加熱需要大量的煤氣做為載氣(約與燃燒煤氣量相同)，故煤氣燃燒屬于不完全燃燒，煤氣過量。根據煤氣的燃燒計算215.89 m3煤氣燃燒時所需氧氣量82.327 m3、助燃空氣量392 m3、所生成的煙氣量570 m3。助燃空氣密度ρk=1.295 kg/m3，助燃空氣量738 kg。

2.2.2 產出項計算

(1)蘭炭。蘭炭產率取格金干餾產率CRad=72%，入爐煤空干基水分Mad=2.52%。由于煤在干餾過程中會發生少量的碳和水的反應，蘭炭消耗量為40 kg/t(見后續計算)，則蘭炭產量(干基)

Gj=Gm÷(1-Mad)×CRad-40

=890÷(1-2.52%)×72%-40

=617.37(kg)

(2)焦油。焦油產率取格金干餾產率的58%，格金干餾焦油產率Tar，ad=11.4%，入爐煤空干基水分Mad=2.52%。則焦油產量

Gy=Gm÷(1-Mad)×Tar，ad×58%

=890÷(1-2.52%)×11.4%×58%

=60.37(kg)

(3)煤氣。內熱式直立爐采用煤氣燃燒后的熱煙氣與煤直接接觸對煤進行加熱，完成熱解過程。煤熱解生成的熱解煤氣、水煤氣反應產生的水煤氣與加熱煙氣混合后生成最終的混合煤氣。本文首先假定直立爐煤氣成分，通過燃燒計算得到煙氣成分及產量，再通過煙氣、熱解煤氣、水煤氣三者相加得到混合煤氣成分，調整假定直立爐煤氣成分直至與混合煤氣成分相等，得到最終混合煤氣成分。計算方法見圖2，計算結果見表3。

圖2 煤氣成分計算方法

表3 最終混合煤氣成分

最終混合煤氣體積流量Vhq=899.94 m3；最終混合煤氣密度ρH2=0.98 kg/m3；最終混合煤氣質量流量Ghq=899.94×0.98=882(kg)。

(4)產出水。煤熱解總水Gzs為三部分，一部分為煤本身所含的收到基水Gs；第二部分為煤熱解反應生成的化合水Ghs；第三部分為煤氣燃燒生成的水Grs。

格金干餾總水分：Water，ad=5.9%，空干基水分Mad=2.52%；則化合水產率：Waterh，ad=5.9%-2.52%=3.38%；化合水產量：

Ghs=Gm÷(1-Mad)×Waterh，ad

=890÷(1-2.52%)×3.38%=30.86(kg)

燃燒煤氣燃燒生成的水：Vrs=95.429m3；水蒸氣密度：ρH2O=0.8kg/m3；燃燒煤氣燃燒生成的水量：Grs=Vrs×ρH2O=95.429×0.8=76.34(kg)；水煤氣反應消耗掉的水量為61.15kg；煤熱解總水Gzs=Gs+Ghs+Grs-61.15=110+30.86+76.34-61.15=156.05(kg)。

2.2.3 物料平衡表

綜合上述計算，煤熱解的物料平衡見表4。

表4 煤熱解物料平衡表

3 蘭炭生產能量衡算

3.1 投入項

投入項包括干基煤帶來的顯熱Qm；煤中水帶來的顯熱Qs；助燃空氣帶來的顯熱Qk；回爐煤氣帶來的顯熱Qhl；煤氣燃燒熱Qr。

直立爐采用熱煙氣與循環煤氣作為熱載體，循環煤氣量一般與燃燒煤氣量Gmq相同，故回爐煤氣量為燃燒煤氣量的2倍(Qhl=2Gmq)，Ghl=2Gmq。燃燒煤氣燃燒熱Qr通過支出項減去投入項計算得出。

3.2 產出項

產出項包括最終混合煤氣帶走的顯熱Qhq；焦油霧帶走的顯熱Qy；水汽氣化潛熱Qsq；蘭炭帶走的顯熱Qj；熱解化學反應吸熱Qx；熱損失Qrs。

因為直立爐荒煤氣出氣溫度為80 ℃左右，這個溫度下的焦油為液態，以焦油霧的形態導出。內熱式直立爐的熱效率一般在85%～90%，故熱損失Qrs按平均值12%取值。

解強等[6]采用TG-DSC同步聯用測定煤熱解反應熱得到神木煤在200～600 ℃熱解反應熱為675 kJ/kg。

煤熱解的主要化學反應發生此階段，熱解化學反應吸熱Qx=Gm×675=600 750 kJ。

3.3 能量平衡計算

依據能量平衡原理，投入項與產出項相等，將以上投入分項合計與產出分項合計列入表5，同時計算出煤氣燃燒熱Qr。

表5 能量平衡表

4 蘭炭生產能耗計算

4.1 輸入的能源

蘭炭生產過程中的各類輸入能源匯總列入表6中，其中電、飽和蒸汽折標系數參照GB 29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》附錄A；新水、軟化水、氮氣折標系數參照GB/T 2589—2020 《綜合能耗計算通則》[7]附錄B；原料煤折標系數按照低位發熱量折算26160/29307.6=0.8926(kgce/kg)；燃燒煤氣折標系數用煤氣熱值折算：7786/29307.6=0.26566(kgce/m3)。

表6 輸入能源

4.2 輸出的能源

蘭炭生產過程中的各類輸出能源匯總列入表7中，其中焦油、飽和蒸汽折標系數參照GB 29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》附錄A；蘭炭折標系數按照蘭炭低位發熱量折算27482/29307.6=0.9377(kgce/kg)；外供煤氣折標系數用煤氣熱值折算：7786/29307.6=0.26566(kgce/m3)。

表7 輸出能源

4.3 蘭炭單位產品能源消耗計算

根據GB 29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》中5.2計算方法

(1)蘭炭生產綜合能耗的計算：

式中：E——蘭炭生產綜合能耗，kgce；

Ei——蘭炭生產過程中輸入的第i種能源實物量，包括原料煤、電、各種油類能源；

Ki——輸入第i種能源的折標系數；

n——輸入的能源種類數量；

m——輸出的能源種類數量；

Ej——蘭炭生產過程中輸出的第j種能源實物量；

Kj——輸出的第j種能源折標系數。

E=970.80-907.556=63.224kgce

(2)蘭炭單位產品能源消耗的計算

e=E/P

式中：e——蘭炭單位產品能源消耗，kgce/t；

P——合格蘭炭產品的產量，t；

e=63.224/617.37×1000=102.4(kgce/t)

蘭炭(約3001MJ/t蘭炭)

5 討論及建議

通過上述計算，目前蘭炭生產(內熱式直立爐+余熱鍋爐+微水熄焦)的能耗為102.4 kgce/t(約3001 MJ/t)蘭炭，與GB 29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》的先進值190 kgce/t(約5 568 MJ/t)蘭炭、準入值210 kgce/t(約6 155 MJ/t)蘭炭、限定值240 kgce/t(約7 034 MJ/t)蘭炭存在很大的差異。這種差異可能存在于蘭炭生產的生產損失或者企業統計時的漏項，比如原料煤在煤場的損失、焦油渣作為載能產物未計入產出能源之中、原料煤篩分之后的粉煤未計入產出的載能產品之中等。再者，蘭炭生產屬于連續的進出料過程，實際生產對能耗的計量具有一定的難度，亦會造成蘭炭生產的能耗統計誤差。鑒于蘭炭生產技術的進步及企業生產管理能力的進一步提高，尤其是現有部分蘭炭企業增加了蘭炭的余熱回收裝置，蘭炭生產能耗已經大幅度下降，建議相關部門對GB 29995—2013《蘭炭單位產品能源消耗限額》進一步修訂，以免國家將蘭炭生產納入“兩高”，對蘭炭行業造成政策性風險，影響行業的健康、可持續發展。