基于Aspen Plus 的低变质煤热解熄焦系统模拟与分析

舒军政，张智芳，高峰峰，高雯雯 ，吕 波 ，冯利军

（1.榆林学院，陕西 榆林 719000；2.榆林市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室，陕西 榆林 719000；3.陕西双翼煤化实业科技有限公司，陕西 榆林 719000）

引 言

能源开发过程中的工业废气减排和清洁生产技术开发已成为我国实施可持续发展战略必须考虑的重大课题[1]。目前兰炭（低变质煤中低温热解的半焦）生产企业的兰炭熄焦方式主要为“水涝焦”的湿法熄焦（即用水喷淋的方式熄焦），不仅造成了能源的极大浪费、兰炭品质的下降，而且严重污染了环境[2-3]。干熄焦技术是炼焦行业中一种成熟的熄焦技术，目前已经在国内外大中型冶金焦化企业广泛应用[4-5]。

针对兰炭熄焦存在的问题，榆林学院张智芳团队[6]设计了干馏熄焦一体化的隧道型熄焦系统，并以朗肯循环火电厂（简称循环电厂）的烟气作为冷源进行熄焦，利用Aspen Plus 流程模拟软件, 建立了低变质煤热解熄焦系统模拟流程，以实际生产运行数据为参考，最终通过Aspen Plus 软件对熄焦系统过程模拟的可行性进行论证[7]，并对熄焦系统进行改进。

1 低变质煤中低温干馏炉系统及实验方法

1.1 低变质煤中低温干馏炉系统

低变质煤中低温干馏炉是整个低变质煤热解熄焦工艺流程的核心装置，其结构自上而下由炉顶煤仓、加煤车、干燥段、干馏段、冷却段和干熄焦段等部分组成，外壳为钢板焊制成的方箱，内衬耐火砖。中低温干馏炉结构示意图如图1 所示。

图1 中低温干馏炉结构示意图

1.2 实验工况及参数

炉体材料主要由黏土质和高铝质致密性耐火材料组成，炉顶温度75 ℃～95 ℃、炉顶压力120 Pa 左右，炉底压力2 000 Pa 左右。干馏炉内各段工艺参数如表1 所示，全工艺主要设备参数如表2 所示。

表1 干馏炉内各段工艺操作参数

1.3 实验内容

通过Aspen Plus 模拟软件增加干熄焦余热发电系统，并计算其节约成本能力。通过Aspen Plus 模拟软件中灵敏度分析模块( Sensitivity Analysis)，探讨兰炭的进出口温度、循环电厂烟气的进口温度、循环电厂烟气量、兰炭出口量（即排焦量）与干熄炉内传热的关系；分析兰炭进口温度、排焦量、循环电厂烟气量与锅炉入口温度的变化关系；分析循环电厂烟气组分中CO、CO2对兰炭烧损的影响。

表2 全工艺主要设备参数

2 基于Aspen Plus 的模型构建

2.1 物性方法选择

在干馏炉Aspen Plus 建模中，由于模拟过程涉及到兰炭、煤气、煤焦油，因此选用IDEAL 或SOLIDS 物性方法。常规组分包括 H2O、N2、O2、CO2等，非常规组分包括 COAL 及 ASH。利用 HCOALGEN 和 DCOALIGT 模型进行煤焓和密度的计算[8]。

2.2 模拟流程图的建立

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根据以上实验内容，结合干馏炉实际运行过程，建立Aspen Plus 模拟流程图，如图2 所示。

图2 低变质煤干馏熄焦发电一体化系统模拟图

全工艺流程大致可分为煤干燥、煤干馏、兰炭干熄焦、煤气和煤焦油净化分离及余热回收和利用几个工段。粉煤先进入干燥炉进行干燥，干燥过程中产生的烟气温度为150 ℃，经除尘后的烟气一部分经风机加压后循环使用，另外一部分经脱硫后排空；从干燥段出来的混煤进入炭化室内进行低温干馏，产生的荒煤气用35 ℃～40 ℃氨水进行降温，将荒煤气中携带的粉尘、焦油及焦油渣冲下来，再通过气液分离器将焦油和煤气分离，经横管冷却器将煤气温度降低，并通过电捕焦油器捕捉剩余的焦油，得到的净煤气一部分储存在气柜中，一部分送至炭化室助燃，另一部分送至电厂燃烧；干馏段的煤料与通入的回炉煤气和空气逆向接触，被加热到600 ℃～700 ℃，得到赤热的兰炭；经膜式水冷壁辐射换热后，兰炭从650 ℃降至450℃左右，然后从干熄炉的顶部装入炉内，循环电厂烟气经给水预热器换热降温后，被加压鼓入到干熄炉内，逐渐将兰炭的热量置换出来，使兰炭的温度降低至162℃左右；再经废热锅炉换热产生中压或高压蒸汽，这些蒸汽即可作为动力蒸汽，用于电厂发电[9-10]。

汽轮机余热水经除盐、除氧后，通过水泵送至废热锅炉，经过吸收干熄段的余热后进入汽包。汽包内的物流分成两股：一股是高压软水被送至膜式水冷壁，经水冷壁汽化后重新回到汽包内；另一股经1#蒸汽过热器和2#蒸汽过热器变成过热蒸汽后，送入1#汽轮机和2#汽轮机，转换为机械能，再通过发电机组将机械能转化为电能，产生的电能用于发电或工业生产，实现余热的转换与利用。

3 结果与分析

3.1 干熄焦余热发电系统的效益分析

采用循环电厂尾气作为熄焦冷源，可减少冷公用工程的消耗；采用膜式水冷壁、废热锅炉用于换热后产生中低压蒸汽，可补充热公用工程消耗，同时减少外在热公用工程的补充。通过Aspen Energy Analyzer分析干熄焦系统冷热流股匹配前后公用工程耗量对比，结果如表3 所示。

由表3 可以看出，进行干熄焦系统冷热流股匹配后，全流程公用工程耗量下降明显，能够节省热耗42.54%，节省冷耗32.16%，达到了较好的节能效果。

改进后的干熄焦工艺系统具有以下特点：

（1）回收余热、降低能耗。与湿法熄焦技术相比，可以回收和利用炉内的余热，同时可达到节能降耗的效果。

（2）减少环境污染。一方面采用电厂排放烟气作为干熄焦的冷源，在变废为宝、节省资源的同时，也可以减少烟气排放；另一方面干熄焦余热回收过程可产生1.25 MPa 动力蒸汽，其可用于电厂发电，从而避免生产相同数量蒸汽的锅炉燃煤对大气的污染[7]。

3.2 灵敏度分析干熄炉内传热影响因素

3.2.1 兰炭进口温度对锅炉入口温度的影响

保持兰炭出口温度162 ℃、兰炭出口量75 t/h、循环电厂烟气进口温度110 ℃等参数一定，以兰炭进口温度为自变量，温度变化范围在580 ℃～700 ℃，锅炉入口温度为因变量，通过Aspen Plus 灵敏度分析得到兰炭进口温度与干熄炉入口温度的变化关系，如图3 所示。

图3 兰炭进口温度与锅炉入口温度的变化关系

由图3 可以看出，随着兰炭进口温度增加，锅炉入口温度也在增加，兰炭进口温度到680 ℃后，锅炉入口温度增长趋势有所减缓，但整体呈线性增长趋势。

3.2.2 排焦量对锅炉入口温度的影响

保持兰炭进口温度650 ℃、兰炭出口温度162 ℃、循环电厂烟气进口温度110 ℃等参数一定，以排焦量为自变量，变化范围在70 t/h～120 t/h，锅炉入口温度为因变量，通过Aspen Plus 灵敏度分析得到排焦量与锅炉入口温度的变化关系如图4 所示。

由图4 可以看出，随着排焦量增加，锅炉入口温度增加，当排焦量由70 t/h 增加至80 t/h 时，锅炉入口温度增加约30 ℃，表明排焦量对锅炉入口温度影响较为明显，二者整体呈线性关系增长。单位时间内排焦量增加，则单位时间进入干熄焦系统的总能量也随之增加，因而使得锅炉入口温度升高。

3.2.3 循环风量对锅炉入口温度的影响

保持排焦量75 t/h、排焦温度162 ℃、兰炭入口温度650 ℃、循环烟气进口温度110 ℃等参数一定，以循环电厂烟气量为自变量，变化范围在120 000 m3/h～200 000 m3/h，锅炉入口温度为因变量，通过Aspen Plus 灵敏度分析，得到循环电厂烟气量与锅炉入口温度的变化关系，如图5 所示。

图5 循环电厂烟气量与锅炉入口温度的变化关系

从图5 可以看出，随着循环电厂烟气量的增加，锅炉入口温度降低。循环电厂烟气量增加至160 000 m3/h 后，锅炉入口温度变化趋势有所减缓，但整体上二者仍近似呈线性关系，说明循环电厂烟气量对锅炉入口温度影响比较明显

3.3 灵敏度分析CO 和CO2 对兰炭烧损影响因素

赤热兰炭在冷却过程中的烧损主要是由于兰炭与烟气中的CO2、O2发生了反应。熄焦烟气中的CO2与从炭化室出来的兰炭表面接触，发生CO2+C=2CO 的反应，造成兰炭的烧损。循环电厂净煤气在燃烧过程中保持空气的充足，因而烟气中含有一定量的O2，熄焦烟气中的O2与兰炭接触，发生2C+O2=2CO 或C+O2=CO2的反应，同样也造成兰炭的烧损。可以通过模拟干熄焦炉炉温变化对CO 和CO2摩尔分数的影响，来模拟熄焦烟气中CO 和CO2对兰炭烧损的影响。通过Aspen Plus 灵敏度分析，得到干熄炉炉温与CO 和CO2摩尔分数变化关系，如图6 所示。

从图6 可以看出，随着干熄炉炉温的增加，炉内CO 的摩尔分数逐渐增加，而CO2的摩尔分数逐渐降低。炉温达640 ℃左右后，CO、CO2摩尔分数变化趋势有所减缓，但整体上与干熄炉炉温呈线性变化。因此，在保障CO 浓度在爆炸下限范围内前提下，尽量控制CO2浓度在较低范围内。

图6 干熄炉炉温与CO 和CO2 摩尔分数的变化关系

4 结 论

4.1 通过优化熄焦工艺技术，建立熄焦余热发电系统，利用废热锅炉和水冷壁进行换热，从模拟结果来看，干熄焦系统冷热流股匹配后，可节省热公用工程消耗42.54%，节省冷公用工程消耗32.16%；同时在干熄焦余热回收过程中，产生1.25 MPa 动力蒸汽，可用于发电，避免产生相同数量蒸汽的锅炉燃煤对大气的污染。

4.2 通过Aspen Plus 模拟软件中灵敏度分析模块，分析了兰炭进口温度、排焦量、循环电厂烟气量与锅炉入口温度的变化关系。在实际生产过程中，可以通过控制进口循环电厂烟气量、减少排焦量及降低兰炭进口温度等方式，来调节锅炉入口温度，避免因温度过高对锅炉管及耐火材料造成损失。

4.3 探讨了炉内温度变化对循环电厂烟气中CO 和CO2摩尔分数的影响，模拟结果表明，随着炉温的增加，CO 的摩尔分数逐渐增加，CO2的摩尔分数逐渐减小，对兰炭烧损影响程度减小，故在实际生产操作过程中，在保证CO 浓度在安全范围内前提下，尽可能降低CO2浓度，以减小兰炭烧损率。