蓄热体在煤干馏过程中的应用

金 晶

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

对于蓄热体，国外研究者大体有两类观点：一种观点认为蓄热体是一种物质，国外通常译为“Thermal Mass”，即具有蓄热能力的材料；另一种观点认为它是材料的热物性，表示材料的储热能力，类似于热容量及导热系数等参数[1]。而国内一般取第一种观点，即认为蓄热体是具有蓄热能力的材料的统称。目前，蓄热体应用于多个领域，但在煤干馏应用中尚无前例。

我国煤炭资源极其丰富，发展煤的干燥、干馏和提质加工综合利用，能有效缓解优质动力煤供应紧张的局面。因此，低阶煤热解提质迎来了一次良好的发展机遇[2]。随着煤和油页岩干馏炼油技术的迅速发展，到目前为止，国内外研究开发出多种各具特色的煤干馏技术，有的处于试验室研究阶段，有的进入中试阶段，有的已达到工业化阶段[3]。然而，现有煤干馏技术多为块煤处理技术，需将粉煤加压成型后才能进行干馏，为克服现有煤干馏技术存在的缺点，本项目采用以低阶煤为原料开发处理10mm以下粉煤的内热式回转中低温成套技术和气体热载体煤热解工艺，但在项目具体实施试验过程中，发现原工艺中以高温烟气作为干馏热载体，影响副产物干馏煤气的品质导致其无法实现利用价值，直接排放又会造成经济损失和环境污染。针对此问题，笔者参考高炉用蓄热式热风炉结构，在煤干馏工艺流程中加入蓄热体热风炉，通过改变热载体形式以提高干馏煤气的品质，减少环境污染。

1 原煤干馏工艺及其存在的问题

对低阶煤进行提质加工，最科学和常用的方法之一就是热解，即干馏。煤干馏是指煤在隔绝空气的条件下加热、分解，生成焦炭(或洁净煤)、煤焦油及煤气等产物的过程。按加热终温的不同，可分为高温干馏(900～1 100℃)、中温干馏(700～900℃)和低温干馏(500～600℃)[4]。高温干馏的固体产物为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低，主要用于生产冶金焦炭；低温干馏的固体产物为结构疏松的黑色洁净煤，煤气产率低，焦油产率高，煤焦油比高温焦油含有较多烷烃，是人造石油的重要来源之一[5]。本项目采用中低温干馏工艺，用低阶煤干馏以获得主产物煤焦油和副产物干馏煤气。

本项目采用的是内热回转式中低温干馏热解炉。煤干馏过程(图1)：煤气和纯氧在热风炉里燃烧得到1 100℃的高温烟气，高温烟气作为热载体进入干馏热解炉，把煤粉加热到干馏温度(500～700℃)后得到干馏混合气，然后经过洗涤塔的除尘收油，最终得到干馏产品。

图1 煤干馏过程示意图

通过开工试验发现，干馏过程最终只能得到主产物煤焦油，而副产物干馏煤气品质低，无法作为煤气燃料或产品利用，只能进行排放，造成了极大的经济损失和环境污染。其次，煤气和纯氧燃烧工艺不合理，实际过程控制比较困难，存在一定的安全隐患，容易引发爆炸。

2 解决方案

通过分析得出，副产物干馏煤气品质过低(热值低)的主要原因是其CO2含量较高，而大量的CO2是由高温烟气作为热载体带入干馏系统的，CO2的带入改变了干馏煤气成分。因此，高温烟气不是一种理想的热载体。

针对该问题，笔者提出将煤气与纯氧燃烧改为煤气与空气燃烧，方案改变后基本能达到同样的燃烧效果，且空气燃烧技术更加成熟、控制容易、过程安全。对于热载体的改变，受到高炉炼铁工艺的启发，创新性地提出在煤干馏过程中加入蓄热体，将原高温烟气热载体更换为循环煤气热载体。如此，干馏过程中高温烟气只提供热量给蓄热体，不再进入干馏炉，避免了CO2进入煤干馏系统。高温蓄热体一方面将热量传递给循环煤气，另一方面使循环煤气无氧燃烧(高温氧化)，氧化过程只产生CO。高温循环煤气作为干馏热载体，解决了干馏煤气中CO2含量过高的问题，提高了干馏煤气的品质。

加入蓄热式换热炉后的煤干馏过程如图2所示。煤气与空气在热风炉中燃烧产生1 100℃的高温烟气，高温烟气将蓄热体加热到800～900℃，降温后的烟气进入换热器进一步放热，使循环煤气预热。高温蓄热体将另一端进入的循环煤气加热，并发生高温氧化反应，循环煤气出蓄热体时温度达到800℃左右，然后作为干馏热源进入干馏热解炉。干馏得到的混合干馏气经过洗涤塔的除尘洗涤，最终得到主副产品。此时，大部分干馏煤气作为产品产出，少部分继续返回蓄热体循环。

图2 加入蓄热式换热炉后的煤干馏过程示意图

2.1蓄热体选材

蓄热式换热炉的关键结构是蓄热体，目前我国在热风炉中常用的蓄热体主要包括球式蓄热体和格子砖式蓄热体。球式蓄热体主要指耐火小球，炉内传热现象属于变温介质不稳定态综合传热，不适用于本项目。格子砖式蓄热体是目前被广泛认同和接受的一种具有热交换能力强、蓄热面积大、通气顺畅及阻力小等诸多优越热工特性的载热蓄热体。因此，本项目选择格子砖作为蓄热式换热炉的蓄热体材料。

蓄热式换热炉所用的格子砖可分为板状格子砖和块状穿孔格子砖两类。由于块状穿孔格子砖具有结构稳定性好、格孔变形错位少、正常生产条件下流体阻损变化小、燃烧率稳定、在热负荷一定时蓄热室砖重小、体积小以及成本低等优点，因此，本项目最终选用块状穿孔格子砖式蓄热体。

为满足高炉对1 250℃以上高风温的需求，解决传热面积和蓄热体积偏小、热交换能力不足的难题，决定选用19孔格子砖(图3)以提高换热炉的热交换率[6]。19孔格子砖参数：直径238mm、高120mm、孔径30mm(圆孔)、每立方(圆孔)的蓄热面积为48m2。

2.2蓄热式换热炉设计

蓄热式换热炉的具体结构(图4)：炉膛中间是格子砖堆砌的蓄热体结构，周边分别是高温烟气入口N2、低温烟气出口N4、低温循环煤气入口N3和高温循环煤气出口N1。蓄热式换热炉为间歇循环式工作，先关闭N1和N3口，打开N2和N4口，高温烟气从N2进入炉内并加热蓄热体，然后从N4排出。当烟气完全排出时关闭N2和N4口，打开N1和N3口，低温循环煤气从N3口进入，被高温蓄热体加热，然后从N1口排出。此时，蓄热体的热量已被循环煤气带走，温度降低，由此一个循环结束，进入下一个循环。由于煤干馏过程要求热载体温度恒定且连续，而单台换热炉间歇式运行并不能保证工艺要求，所以采用双蓄热式换热炉并联工作的方式，工作流程如图5所示。蓄热体换热炉由并联的两个炉子通过耐热阀实现交错切换，从而保证进出口流体的连续。高温烟气排出蓄热体后，还可以利用剩余热值预热低温循环气，如此不断循环，使高温流体间接加热低温流体，实现换热。

图3 19孔格子砖

图4 蓄热式换热炉结构图

图5 双蓄热式换热炉并联工作流程示意图

3 结束语

针对原煤干馏工艺存在的问题，进行了优化改造。创新性地加入蓄热式换热炉，应用蓄热体改变了热载体形式，间接把高温烟气的热量传递给循环煤气。用循环煤气作为热载体，避免了把CO2代入系统，因此提高了干馏煤气的热值。干馏煤气品质提高后，可作为副产品或燃料使用，增加了经济和环保效益。同时，将纯氧燃烧改为空气燃烧，使煤干馏过程更加安全可靠。

[1] 许艳,周军莉,张国强,等.蓄热——一种低能耗技术的研究发展[J].建筑热能通风空调,2007,26(1):29～34.

[2] 张兴刚.煤热解为何重新受关注[J].化工管理,2012,(2):51～53.

[3] 曾凡虎,陈钢,李泽海,等.我国低阶煤热解提质技术进展[J].化肥设计,2013,51(2):1～7.

[4] 韩永滨,刘桂菊,赵慧斌.低阶煤的结构特点与热解技术发展概述[J].中国科学院院刊,2013,28(6):772～780.

[5] 欧俭平,蒋绍坚,萧泽强.蜂窝型蓄热体传热过程热工特性的数值研究[J].耐火材料,2003,37(6):348～351.

[6] 陈雅兰.合理选择蓄热室格子砖的厚度和形状提高蓄热效率[J].四川建材,1995,(4):25～27.