内热式直立兰炭炉煤气品质改善及利用分析

方新军

（陕煤神木能源发展有限公司，陕西 神木719300）

1 提升兰炭煤气品质的意义

2019年我国兰炭产量5 600万t[1]，兰炭生产过程产生煤气量约450×108m3，其中约300×108m3用于发电、100×108m3用作金属镁生产的燃料气、50×108m3用作煤焦油加氢的制氢原料气。内热式兰炭炉煤气的热值在6 279 kJ/m3～7 116 kJ/m3，其有效成分体积分数为：CO 13.0%、H225.0%、CH47.5%。以100×108m3兰炭煤气利用为例，将其用于发电或生产尿素、LNG，两种利用方式的效益对比见表1。

表1 100×108 m3兰炭煤气用于发电和生产尿素、LNG两种利用方式效益对比

从表1可以看出，兰炭煤气制化学品的附加值是发电的2倍以上，但现有内热式兰炭炉煤气中N2等惰性组分体积分数在43%以上，用于生产化学品时气体的压缩功耗较高，吨醇氨的电耗增加800 kWh以上。因此，研究探讨兰炭煤气品质的提升，对于其向制取化学品的方向发展意义重大。

2 内热式兰炭炉工艺分析

国内兰炭生产工艺主要采用神木三江煤化工有限责任公司的SJ型炉、中钢鞍山热能研究院有限公司的RNZL型炉和陕西冶金研究设计院SH型炉等3种炉型[2]。这3种炉型的干馏原理基本一致，都是采用回炉煤气燃烧后产生的高温烟气对煤炭进行干馏（气体热载体法干馏），具体的工艺流程示意图见图1。

具体工艺流程为：（1）块煤的干馏。块煤进入兰炭炉顶上部的煤仓内，定期通过煤仓装进干馏炉内。干馏炉的上段为干燥段，块煤被上升的煤气加热到200℃～300℃；块煤继续向下移动进入中部的干馏段，被燃烧室来的高温烟气加热到750℃左右，并被炭化为半焦；炽热的半焦移动到下部的冷却段，被熄焦产生的蒸汽和熄焦水冷却到80℃左右，然后通过刮板机送入缓冲仓，排到胶带输送机上，输送进产品焦储棚。（2）荒煤气的净化。荒煤气经上升管进入集气槽，经横管冷却器降温至40℃以下并分离出部分煤焦油、冷凝水；冷却后的煤气经静电除焦捕捉焦油、冷凝水和粉尘；净化后的煤气经煤气加压风机部分回炉加热，部分外送。（3）高温烟气的产生。净化后的煤气和鼓风机来的空气经烧嘴混合，在水平火道内燃烧产生高温烟气，高温烟气通过进气孔进入炭化室，将热量传递给块煤，进行炭化。

通过物料衡算可知：生产1 t兰炭需要助燃空气量约为420 m3（因干馏的程度不同，不同装置的数据会有变化），外送煤气量约829 m3，其中带入N2约332 m3。外送的兰炭煤气含N2体积分数在43.0%左右，其中约3～5个百分点的N2是煤在干馏时产生的，约40个百分点的N2是助燃空气带入的。要把内热式直立兰炭炉煤气中的N2含量降到合理范围内，唯有降低助燃气体中的N2含量，或者研究产生煤干馏用高温载热气体的新方式。

3 提高内热式兰炭炉煤气品质的途径

有3种方式可以提高兰炭煤气的品质，一是采用外热式加热方式，煤的干馏过程隔绝空气，副产的煤气品质较好，国内唯一一套外热式兰炭装置（60万t/a）在内蒙古伊东集团，配套有10万t/a的兰炭煤气制甲醇项目；二是采用富氧或者纯氧取代空气作为助燃剂，在兰炭炉内燃烧后产生的高温烟气作为煤热解的载热体[3]；三是采用间接加热的方式，以800℃～850℃高温煤气作为煤热解的载热体[4]。外热式兰炭炉副产的煤气品质虽好，但其炉体结构复杂，生产运行和检修的难度较大，投资是内热式直立兰炭炉的2.5倍以上，因此以下重点探讨内热式兰炭炉煤气品质的改善方式。

3.1 采用富氧作为助燃剂

氨合成的合成气中H2、N2体积比为3∶1，按前述兰炭煤气中H2体积分数25.0%、N2体积分数43.0%计算，1 m3内热式兰炭煤气生产合成氨时消耗N20.083 m3，过剩N20.346 m3。生产1 t兰炭需要助燃空气量420 m3，其中O288 m3、N2332 m3；生产1 t兰炭外送煤气量为829 m3，该煤气用于合成氨生产时N2过剩量为287 m3，即助燃气中的N2达到45 m3就可满足合成氨的氢氮比要求，折算成富氧气中氧气体积分数约为66%，用变压吸附技术制取富氧[5]即可。

3.2 以纯氧和二氧化碳、水蒸气等混合作为助燃剂

若兰炭煤气用于生产甲醇，则煤气中的N2含量越低越好，因此必须考虑使用纯氧作为助燃剂。从目前使用纯氧作为助燃剂的试验效果来看，存在着烧嘴寿命短和火道易高温坍塌的问题，应该从纯氧稀释燃烧考虑解决问题。赵士杰等[3]采用三元流体燃烧器将纯氧分别和二氧化碳或蒸汽混合，可使燃烧改善，火焰拉长；试验结果表明，在O2、饱和蒸汽体积比为2∶8时的效果最为明显，而且兰炭的品质基本不变，煤气主要成分有质的改善，其组成（体积分数）为CO 48.0%、H230.0%、CO25.0%、N24.4%、CH412.0%。

3.3 以高温煤气作为气体热载体

王永刚[4]提出用加热炉把煤气加热到800℃～850℃后，作为热载体送入兰炭炉内干馏煤，干馏温度600℃～650℃，煤气成分（体积分数）为CO 23.9%、H233.0%、CO219.7%、N23.0%、CH420.1%。这种方式的难点在于加热炉炉管材质的选取，建议选用石油裂解管或者其他耐高温不锈钢管，入炉段煤气管道选用带内衬的钢管，或者直接选用耐高温不锈钢管。除了材料选用的问题以外，该方式还存在着管内煤气所夹带的煤焦油在800℃～850℃高温下结焦堵塞的问题，因此要求入炉煤气净化度高，需要从煤气变温吸附（TSA）等净化装置后取气。

以上3种方式都可以提高兰炭煤气的品质，在具体研究和选择时，应根据用户资金状况、管理水平和产品方案来确定。

4 建设纯氧法内热式兰炭炉示范性工厂

2019年榆林市生产兰炭3 662.5万t[6]，约占全国产量的60%，兰炭产业在榆林的国民经济中举足轻重。目前有两大问题制约兰炭产业发展：一是兰炭煤气大部分用作发电的燃料气，附加值不高，火电发展前景不好；二是兰炭生产过程中的环保问题，包括过剩的高酚氨废水的处理、恶臭及挥发性气体的无组织排放和存储环节的粉尘污染等。这些问题的产生是因为兰炭行业的起点较低、所采用的设计标准不高、资金投入不足。从技术角度来看，完全可以高标准、高质量地建设一座整洁、绿色、高效的现代化煤热解及煤气利用工厂，形成一条特色鲜明的循环经济产业链，解决上述问题。

具体思路：设计建设一座年处理原煤1 000万t的纯氧法兰炭及干馏煤气制甲醇/烯烃、LNG工厂。原煤和焦品全部使用地下皮带和筒仓密闭输送、存储，地面不见煤。其中，煤泥、煤矸石约115万t作热电锅炉的燃料，筛选0～3 mm的末煤约135万t作低阶煤粉煤热解原料[7]，3 mm～30 mm小粒煤约450万t作纯氧法小粒煤干馏原料，30 mm～80 mm块煤约300万t作纯氧法块煤干馏的原料。年共生产干馏煤气35×108m3、兰炭580万t（含粉焦）、中低温煤焦油75万t（以干基煤计，直立兰炭炉的产油率＞7%[8]，粉煤热解的产油率17.12%[9]）。110万t粉焦气化[10]后生产80万t甲醇，35×108m3干馏煤气生产100万t甲醇及30万t LNG，最终用180万t甲醇生产60万t烯烃。75万t煤焦油加氢后生产芳烃及精细化学品等高附加值的产品。建设一座处理能力为200 m3/h的酚氨废水资源化利用装置，回收粗酚、氨等并作为生化的预处理系统。最终实现进来的是原料，出去的是产品，达到“吃干榨尽，效益最大”的目的。1 000万t/a纯氧法兰炭示范工厂产品链示意图见图2。示范工厂的建设运行对兰炭产业健康发展、煤气及煤焦油的高附加值利用都具有重要意义。

图2 1 000万t/a纯氧法兰炭示范工厂产品链示意图

5 结 语

内热式直立兰炭炉作为低阶煤分质利用的一种炉型，结构简单、操作简便、投资合理，在化工、冶炼等行业应用前景较好。如果兰炭煤气的品质能得到提升，就可以作为醇氨或者制氢的低成本原料气，大幅度提高其附加值。高标准地设计、建设一套纯氧法兰炭装置，配套相应的干馏煤气制甲醇/烯烃、LNG，煤焦油加氢生产芳烃、精细化学品等，达到“吃干榨尽，效益最大”的目的，对引导兰炭产业健康、可持续发展，并形成特色鲜明的循环经济产业链具有示范意义。