粉煤熱解干法熄焦余熱回收工藝流程分析及模試

樊英杰，黨敏輝，張杰，吳志強，楊伯倫

（1 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西 西安 710049；2 陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

煤炭作為我國的主要能源，傳統(tǒng)的燃燒等利用方式面臨能源利用效率低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等挑戰(zhàn)。以熱解、燃燒和氣化等一系列反應(yīng)耦合形成的煤分級轉(zhuǎn)化技術(shù)因其具有能效高、經(jīng)濟性好以及環(huán)境友好等特點受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)行的煤炭分級轉(zhuǎn)化技術(shù)大致可以分為三類，分別是以熱解、完全氣化和部分氣化為基礎(chǔ)的分級轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中，熱解過程包括煤的干燥、熱分解、熱解油氣凈化、熱解半焦冷卻（熄焦）以及焦油回收等工藝環(huán)節(jié)。

濕法熄焦技術(shù)因工藝簡單、投資少得到廣泛應(yīng)用，但該工藝所得半焦中水分含量達(dá)25%～38%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。而工業(yè)半焦的水分含量一般要求在8%以下，隨之而來的烘干操作使得每噸半焦消耗60～70m煤氣，且烘干操作后仍有較大的含水量。因此，現(xiàn)行濕法熄焦工藝面臨著水資源消耗、熄焦放出的熱量無法回收利用、高水分半焦的運輸成本高等挑戰(zhàn)。減少半焦生產(chǎn)中的耗水量并回收半焦所攜顯熱，開發(fā)節(jié)水節(jié)能環(huán)境友好型熄焦工藝，對提升整個熱解過程的能效意義重大。

基于以上分析，本研究提出了熱解半焦干法熄焦余熱回收技術(shù)，即采用惰性氣體（如低溫干餾氣、氮氣、干燥煙氣等）作為循環(huán)熄焦介質(zhì)進(jìn)行干法熄焦，同時將半焦顯熱用于煤的干燥預(yù)熱過程。由于煤的干燥分解過程需要吸熱，而熾熱半焦的冷卻過程將會放熱，從能量優(yōu)化利用角度來看，二者有機結(jié)合將使得節(jié)能效果顯著。同時，以干法熄焦替代濕法熄焦亦可起到節(jié)水作用。

本文通過Aspen Plus流程模擬軟件對熱解半焦干法熄焦余熱回收過程進(jìn)行了計算分析，研究了不同惰性介質(zhì)的初始溫度、氣體流量和熱解半焦出口溫度、煤干燥后的出口溫度之間的關(guān)系和節(jié)能節(jié)水效果，并進(jìn)行了萬噸級裝置的模試驗證研究，以期為該工藝的更大規(guī)模利用提供基礎(chǔ)。

1 工藝流程

以惰性氣體為介質(zhì)的干法熄焦余熱回收工藝流程見圖1。主要包括熱解半焦干法熄焦和煤粉干燥預(yù)熱兩個單元，該工藝以惰性氣體為循環(huán)介質(zhì)，將熾熱半焦攜帶的顯熱通過直接接觸換熱置換到循環(huán)氣體中，攜帶顯熱的循環(huán)氣體再與煤粉直接接觸換熱，將顯熱用于煤粉干燥預(yù)熱，實現(xiàn)余熱回收。

圖1 干法熄焦余熱回收工藝流程

本研究采用的煤種的工業(yè)分析和元素分析見表1，熱解半焦工業(yè)分析和元素分析見表2，煤粉及半焦比熱容見表3。

表1 某煤種的工業(yè)分析和元素分析

表2 熱解半焦的工業(yè)分析和元素分析

表3 煤粉及半焦比熱容

可用于半焦冷卻的介質(zhì)包括空氣或煙氣，亦有采用氮氣、CO或者冷煤氣作為介質(zhì)的研究報道。本研究分別對氮氣、二氧化碳、模擬煙氣（N、CO、HO 體積分?jǐn)?shù)分別為80.5%、14.1%、5.4%的混合氣體）及模擬煤氣（CO、HO、N、H、CO、CH體 積 分 數(shù) 分 別 為22.5%、5.0%、46.9%、6.9%、11.4%、7.3%的混合氣體）等冷卻介質(zhì)的冷卻效果進(jìn)行了計算分析，考察了循環(huán)氣體的初始溫度、水汽含量、氣體流量對熄焦出口溫度、干燥出口溫度以及熄焦過程的影響情況?；A(chǔ)工況為：半焦862kg/h，初始溫度570℃；原煤1500kg/h，初始溫度25℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作條件對煤粉干燥效果的影響

2.1.1 循環(huán)氣體流量的影響

熱解過程中為防止煤炭在干燥階段析出煤氣，煤炭干燥預(yù)熱后的出口溫度一般要求不超過150℃。采用Aspen Plus 模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：常壓，循環(huán)氣體流量介于500～10000kg/h 之間，濕煤經(jīng)過干燥含水量從10.5%降至1%以下。探究了循環(huán)氣體在各種溫度（105℃、130℃、160℃、190℃、220℃、250℃）及流量下與干煤出口溫度的關(guān)系，結(jié)果見圖2。由圖可知，干煤出口溫度在循環(huán)氣體流量較小時保持不變；而后干煤出口溫度將隨著流量增加到一定值后迅速增加。究其原因，是在循環(huán)氣體流量較小時，煤炭中尚且還有部分水分（在圖2 拐點前），循環(huán)氣體攜帶的熱量被用于進(jìn)行濕煤干燥；在循環(huán)氣流量較大時煤炭完成干燥（在圖2 拐點后），循環(huán)氣體攜帶的熱量用于提升干煤溫度。在不同操作溫度下，流量與出口溫度的變化關(guān)系中有明顯拐點，該點為完成干燥所需的最小循環(huán)氣體流量。進(jìn)一步以拐點參數(shù)作圖3可知：干燥介質(zhì)的溫度與流量成反比關(guān)系，溫度較高時所需流量較小，反之亦然。

圖2 循環(huán)氣體溫度及流量對干煤出口溫度的影響

圖3 循環(huán)氣體溫度和最小流量與干煤出口溫度的關(guān)系

2.1.2 循環(huán)氣體中水汽含量的影響

惰性氣體作為干燥介質(zhì)時，既是載熱體還是載濕體，因此探究惰性氣體中水汽含量與干燥效果的關(guān)系意義重大。模擬計算條件為：常壓，惰性氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體中含水量分別為體積分?jǐn)?shù)2%、3%、4%、5%、6%。由圖4可見，對于同一相對濕度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，干煤出口溫度首先基本保持不變，到達(dá)某一流量后，溫度開始上升。在循環(huán)氣體流量較小時其熱量主要用于煤中水分脫除，當(dāng)水分脫除到一定程度后，熱量主要用于煤粉升溫。隨著相對濕度的增加，出口循環(huán)氣體中水蒸氣更易達(dá)到飽和，更多熱量用于煤粉升溫，因此煤粉出口溫度較高。隨著循環(huán)氣體流量進(jìn)一步增加，干煤出口溫度降低，主要歸因于半焦量及溫度一定，循環(huán)氣體溫度隨著循環(huán)氣量的增加會降低，導(dǎo)致超過某一確定流量后干煤出口溫度降低。

圖4 循環(huán)氣體水含量對干煤出口溫度的影響

2.1.3 循環(huán)氣體初始溫度的影響

模擬計算的條件為：常壓，惰性氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體初始溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃。循環(huán)氣體初始溫度對干煤出口溫度的影響結(jié)果見圖5。對于同一初始溫度條件，隨著循環(huán)氣體流量增加，干煤出口溫度先基本不變，此階段循環(huán)氣體主要用于煤中水分干燥。隨著循環(huán)氣體流量進(jìn)一步增加，干煤出口溫度快速上升后緩慢下降。循環(huán)氣體初溫與其水含量對干煤出口溫度影響規(guī)律相似，為此需要結(jié)合熄焦效果確定適宜的循環(huán)氣體流量。

圖5 循環(huán)氣體初始溫度對干煤出口溫度的影響

2.2 操作參數(shù)對熄焦效果的影響

2.2.1 循環(huán)氣體流量的影響

模擬計算的基礎(chǔ)條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h 之間，循環(huán)氣體初始溫度40℃。結(jié)果如圖6所示，熄焦后半焦溫度隨著循環(huán)氣體流量的增加逐漸下降，氣體流量增加到3500kg/h 后，半焦溫度下降趨勢變緩。循環(huán)氣體流量為3900kg/h時，采用N、CO、煙氣熄焦后半焦的溫度分別為49.99℃、54.61℃、50.84℃。同等操作條件下采用煤氣作循環(huán)氣時，熄焦后半焦的溫度為48.40℃。相比于其他三種氣體，煤氣作為循環(huán)氣有更好的熄焦效果。

圖6 不同冷卻介質(zhì)流量與半焦溫度的關(guān)系

2.2.2 循環(huán)氣體中水汽含量的影響

模擬計算的基礎(chǔ)條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h之間。由如圖7可知，在同一相對濕度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，熄焦后半焦溫度逐漸下降。當(dāng)循環(huán)氣體流量增加到3500kg/h后，半焦溫度逐漸保持不變。在循環(huán)氣體水含量為6%且流量增加到3900kg/h時，采用N、CO、煙氣和煤氣熄焦后半焦的溫度分別為53.57℃、54.61℃、49.91℃以及47.78℃。隨著樣品中的水含量增加即相對濕度發(fā)生改變，半焦的溫度幾乎不產(chǎn)生變化，即循環(huán)氣體的水汽含量對半焦出口溫度影響較小。

圖7 循環(huán)氣體水汽含量對半焦溫度的影響

2.2.3 循環(huán)氣體初始溫度的影響

模擬計算的基礎(chǔ)條件為：常壓，循環(huán)氣體流量介于400～3900kg/h之間。由圖8可知，對于同一初始溫度條件，隨著循環(huán)氣體流量的增加，熄焦后的半焦溫度逐漸下降，氣體流量增加到3500kg/h 時，半焦溫度逐漸保持不變。隨著循環(huán)氣體初始溫度的下降，熄焦后的半焦溫度也逐漸下降。

圖8 循環(huán)氣體初始溫度對半焦出口溫度的影響

2.2.4 循環(huán)氣體介質(zhì)類型及流量對半焦出口溫度和干燥預(yù)熱溫度的影響比較

循環(huán)氣體介質(zhì)類型及流量對半焦出口溫度和干燥預(yù)熱出口溫度的影響見圖9，流量在900kg/h 左右時可將煤中水脫除，但此時半焦出口溫度在250℃以上，尚不能滿足熄焦要求；當(dāng)循環(huán)氣體流量在1900kg/h 時，此時熄焦出口溫度降為100℃以下，能滿足熄焦要求。表4 為幾種干燥介質(zhì)溫度、最小流量以及干煤出口溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)。由表4可以看出，介質(zhì)最小流量以及干煤出口溫度均與干燥介質(zhì)比熱容相關(guān)，干煤出口溫度相同的情況下，比熱容越大，干燥介質(zhì)最小流量越低。

表4 不同干燥介質(zhì)溫度、最小流量及干煤出口溫度的數(shù)據(jù)

圖9 不同介質(zhì)循環(huán)氣體對半焦溫度和煤干燥溫度的影響比較

2.3 干法熄焦余熱回收節(jié)水節(jié)能效果

2.3.1 節(jié)水分析

傳統(tǒng)濕法熄焦工藝中，主要在水封熄焦過程消耗大量的水，所得半焦含水量在25%～38%之間，而通過煤氣加熱干燥降至8%以下；干燥產(chǎn)生的水蒸氣則與干餾爐中的水煤氣進(jìn)行反應(yīng)，部分燃燒水以及化合水參與到水煤氣反應(yīng)中?？傮w而言，濕法熄焦過程中水耗量約為127kg/t 煤，折合203kg/t 半焦。而由表5所示干法熄焦物料平衡數(shù)據(jù)可知，干法熄焦不僅耗費水資源少且生產(chǎn)的半焦含水量低。

表5 干法熄焦條件下熱解裝置物料平衡表

我國以中低溫?zé)峤鉃楹诵牡牡碗A煤分質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)共形成蘭炭產(chǎn)能約為7800 萬噸，產(chǎn)量約為5270萬噸。其中陜西榆林蘭炭產(chǎn)能、產(chǎn)量分別約為5000萬噸、2888.7萬噸，其產(chǎn)能、產(chǎn)量分別占全國的64.1%和54.8%，折合轉(zhuǎn)化原煤約8800萬噸。如果采用干法熄焦，按照1t半焦節(jié)水203kg計，榆林地區(qū)每年節(jié)水將達(dá)到1070萬噸，按照工業(yè)用水4.0元/m的價格，直接經(jīng)濟效益將達(dá)4280 萬元/年，如果考慮節(jié)約的運輸費用和水循環(huán)耗電費用，效益將更為顯著。

2.3.2 節(jié)能分析

將高溫半焦冷卻熄焦過程中與循環(huán)氣體換熱，換熱后進(jìn)入循環(huán)氣體的熱量定義為。將循環(huán)氣體攜帶顯熱在干燥段進(jìn)行煤粉預(yù)熱，預(yù)熱煤粉利用的顯熱定義為，據(jù)此顯熱回用率定義為/。循環(huán)氣體初始溫度和流量對顯熱回用率影響見圖10 和圖11，由圖可知不同介質(zhì)顯熱回用效率變化規(guī)律一致，循環(huán)氣體流量在900kg/h 以內(nèi)時，顯熱回用效率較高，為94%以上；隨著循環(huán)氣體流量增加至900kg/h 以上，顯熱回用效率逐漸降低。在實際應(yīng)用時，需要兼顧顯熱回用效率以及熄焦和煤干燥預(yù)熱溫度。根據(jù)前文所述流量在1900kg/h可同時滿足熄焦冷卻和干燥預(yù)熱要求，此時顯熱回用效率約為75%。

圖10 循環(huán)氣體初始溫度對顯熱回收效率的影響

圖11 循環(huán)氣體流量對顯熱回收效率的影響

2.4 基于萬噸級模試平臺的驗證

基于陜煤萬噸級粉煤快速熱解模試平臺，采用本文提出的干法熄焦工藝進(jìn)行了模試驗證。具體工藝流程如圖12所示，低溫氮氣（≤45℃）在離心風(fēng)機的作用下進(jìn)入半焦旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)的冷卻器，氮氣與半焦逆向流動，自下而上對高溫半焦進(jìn)行冷卻；出冷卻器的氮氣溫度在280～300℃之間，作為煤粉的預(yù)熱介質(zhì)，經(jīng)由風(fēng)管進(jìn)入煤粉預(yù)熱器完成煤粉預(yù)熱；氮氣經(jīng)除塵器除塵、換熱器降溫，在離心風(fēng)機的作用下進(jìn)入下一個循環(huán)過程。

圖12 干法熄焦工藝流程

Aspen Plus 模擬結(jié)果與萬噸級裝置模式結(jié)果相差在±5%以內(nèi)，模擬結(jié)果較好，見表6。結(jié)果表明，以惰性氣體為介質(zhì)的干法熄焦技術(shù)應(yīng)用于氣流床粉煤快速熱解工藝可以有效回收半焦顯熱，理論分析和試驗驗證均證實該技術(shù)應(yīng)用前景廣泛。圖13所示為關(guān)鍵溫度監(jiān)測點數(shù)據(jù)，試驗裝置累計運行2100h，以循環(huán)氮氣回收高溫粉焦顯熱，將熱半焦降至60℃以下，具備直接外送的條件，同時將回收的顯熱用于原料粉煤的預(yù)熱與干燥，避免了濕法熄焦造成的污染，有效提升了產(chǎn)品的品質(zhì)與系統(tǒng)的能效，干法熄焦工藝和設(shè)備有效性都得到了驗證。

表6 萬噸級模試與Aspen Plus模擬結(jié)果對比

圖13 萬噸級粉煤熱解裝置熄焦系統(tǒng)運行情況

3 結(jié)論

（1）模擬計算和模試驗證均表明干法熄焦余熱回收工藝可行，具有環(huán)保節(jié)能節(jié)水效果。通過計算發(fā)現(xiàn)氮氣、CO、煙氣、煤氣等介質(zhì)分別作為循環(huán)氣體對熄焦冷卻和煤干燥預(yù)熱效果基本一致，要根據(jù)工藝情況選擇適宜的干燥介質(zhì)。

（2）在任意溫度下，循環(huán)氣體流量以及煤干燥出口溫度關(guān)系圖中都有明顯拐點，該點為此循環(huán)氣體溫度下能完成煤干燥的最小循環(huán)氣體流量。干燥介質(zhì)的溫度與流量成反比關(guān)系，溫度較高時所需流量較小，反之亦然。干燥介質(zhì)最小流量以及干煤出口溫度與干燥介質(zhì)比熱容相關(guān)，干煤出口溫度相同的情況下，干燥介質(zhì)比熱容越大所需最小流量越低。

（3）循環(huán)氣體流量存在一個臨界點，在臨界點之下可滿足煤干燥預(yù)熱的要求，當(dāng)流量在臨界點之上時，既能滿足半焦出口溫度要求又能滿足煤干燥預(yù)熱要求。對于本文工況，循環(huán)氣體流量在1900kg/h 可同時滿足熄焦冷卻和煤干燥預(yù)熱要求，對應(yīng)顯熱回用效率約為75%。