内热式直立炭化炉在干馏新疆煤的过程强化策略研究

2022-12-01朱佛代陈晓菲曾明明梁博博孙丁武王睿哲

广州化工 2022年20期

朱佛代，赵杰，陈晓菲，曾明明，梁博博，孙丁武，王睿哲，王乐

(1 陕西冶金设计研究院有限公司，陕西西安 710032；2 华陆工程科技有限责任公司，陕西西安 710076)

新疆煤炭资源丰富，煤炭预测资源总量居全国前列，是累计探明储量最大的省份之一。对新疆地区丰富的煤炭资源进行分级分质综合利用是提升其煤炭资源经济效益的有效途径之一，是实现煤炭资源清洁利用的必然趋势[1]，不仅可以实现对传统煤化工的行业升级，又可以实现清洁化工生产，同时可以延长煤化工产业链，符合环境友好、资源节约、循环经济的煤化工新型工业化发展战略。

国内主要产煤省区如陕西、内蒙古、新疆等省区大多采用内热式直立炭化炉进行中低温干馏[2-3]，生产兰炭、煤焦油和荒煤气。然而，新疆地区煤质灰分较高，兰炭产品的质量差，其固定碳含量仅为70%左右。因此，探究将新疆地区煤炭资源转化为高值产品的工艺技术已成为煤炭资源清洁利用的关键问题之一。

外热式干馏炉荒煤气热值高、焦油组分占比大，且对煤料粒径无特殊要求，但该炉形生产能力低、兰炭产品成熟度不一。目前国内煤低温干馏项目主要采用的是内热式直立炭化炉工艺，该炉型炉内采用大空腔设计，卸入炉顶最上部煤仓的原料煤自上而下移落至炭化炉内，气体热载体由下向上穿过料层，因此要求料层有足够的透气性，入料粒度必须为20～150 mm 的块煤。同时，内热式直立炭化炉受加热方式影响，煤气中氮气含量高，导致产出的煤气热值较低，限制了煤气综合利用途径[5]。截止目前，对内热式直立炭化炉进行优化设计以提高荒煤气中有效组分的研究鲜有报道。

本研究以新疆哈密三塘湖地区为例，探究采用内热式直立炭化炉生产兰炭、煤焦油和荒煤气的可行性，并提出了内热式直立炭化炉优化设计策略和提高荒煤气中有效组分的有效措施，为新疆地区煤炭资源的清洁高效利用提供理论指导。

1 研究对象和方法

1.1 新疆地区煤炭资源煤质分析

新疆地区煤质灰分较高(11.83%～16.71%)，所产兰炭为低品质兰炭(固定碳含量为70%左右)，同时焦油产率较低。详细煤样分析如表1所示。

表1 煤样分析数据表

利用内热式直立炭化炉干馏工艺热解新疆地区煤炭资源，产品为低品质兰炭、煤焦油和荒煤气。所产低品质兰炭应用范围窄，价值较低。所产煤焦油为低温和中温焦油的混合物，是加工燃料油的优质原料，其轻质组分含量高。可通过加氢等手段增值利用，但其较低的产率限制了新疆地区煤炭资源的高效利用。

由于该内热式直立炭化炉为内热式加热，在荒煤气中混入了大量的废气，使荒煤气的发生量比外热式加热方式明显增加，但荒煤气热值降低。所产荒煤气成分如表2所示。

表2 煤气成分

由于荒煤气中混入了大量热废气，致使CO2含量较高；同时鼓入内热式直立炭化炉的助燃剂为空气，导致煤气中氮气含量增高。这种低热值荒煤气利用价值不高，通常作为发电、金属镁冶炼等行业的燃料使用。因此，开发提高荒煤气中有效组分的工艺技术是提升新疆地区煤炭资源综合利用效益的关键。

1.2 内热式直立炭化炉干馏工艺概述

煤炭化工艺按照加热终温、加热方式、热载体类型等工艺条件分为不同类型。按加热终温可分为：低温(500～700 ℃)、中温(650～800 ℃)、高温(900～1000 ℃)和超高温(>1200 ℃)煤炭化工艺。按加热方式可分为：外热式、内热式、内外并热式煤炭化工艺。按热载体类型可分：为固体热载体、气体热载体、固-气配合热载体煤炭化工艺。

煤炭化工艺类型选择取决于获取的目标产品的要求，并综合考虑原料煤质特点、设备制造、工艺控制水平及最终的经济效益。低温干馏的固体产品为兰炭，煤气产率低而焦油产率较高；而高温干馏的固体产品为冶金焦炭，煤气产率高而焦油产率较低。随着干馏温度的增加，煤气产率增大但发热量降低，焦油中沥青增加而脂肪烃含量降低。

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内热式直立炭化炉干馏工艺属于气体热载体低温热解工艺，该炉自上而下分为预热段、干馏段、冷却段，包括备煤工段、炭化工段、出焦工段、煤气净化工段、焦油氨水分离工段、焦油罐区等主要生产设施。备煤工段为炭化炉提供合格的原料煤；原料煤在内热式直立炭化炉装置干馏后生产低品质兰炭和荒煤气；荒煤气与循环氨水逆向接触降温除尘后，再通过间冷器，经冷却水连续对煤气降温，使煤气中所含焦油等冷凝。净煤气经风机加压，一部分通过回炉煤气管道送至直立炉加热煤料，剩余煤气送往后续装置。

焦油氨水分离工段负责将炭化工段和煤气净化工段的焦油、氨水混合物进行分离，去除焦油渣，回收焦油。工艺方案流程如图1所示。

图1 工艺方案流程框图

1.3 内热式直立炭化炉干馏工艺技术存在的问题

该炉型对原料煤粒径有限制，块煤粒度必须为20～150 mm。然而，新疆地区小粒煤产量大，相对价格较低，如能开发小粒煤干馏工艺以显著提升小粒煤的经济价值，可有效拓宽煤炭资源利用范围。可考虑内热式直立炭化炉优化设计，解决小粒煤低温干馏的瓶颈问题。

由于该内热式直立炭化炉为内热式加热，在荒煤气中混入了大量的废气，尽管荒煤气的发生量比外热式加热方式明显增加，但荒煤气有效组分含量和热值降低。可考虑采用富氧热解技术干馏新疆煤生产兰炭、煤焦油和荒煤气。

2 内热式直立炭化炉干馏工艺的改进

2.1 内热式直立炭化炉优化设计

内热式直立炭化炉炉内采用大空腔设计，卸入炉顶最上部煤仓的原料煤通过两道加煤阀交替开关控制，自上而下移落至炭化炉内，气体热载体由下向上穿过料层，要求料层有足够的透气性。一旦煤料布料不均匀将导致煤料受热不均匀，导致生成的兰炭成熟度不一，质量下降的严重后果。当入炉煤粒径过小时，炉内温度降低，压力增大，料层透气性降低。然而，新疆地区小粒煤产量大，相对价格较低，大量小粒煤如果得到充分利用，可拓宽煤炭资源利用范围。内热式直立炭化炉优化设计可以实现小粒煤的热解。如优化设计内热式直立炭化炉外形尺寸、在内热式直立炭化炉大空腔内设置布料构件等措施，可改善了料层的透气性。

计算流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)是进行流场分析的重要工具，能有效解决因控制方程复杂而无法得到清晰解的流动问题[7]。利用ANSYS前处理软件对内热式直立炭化炉进行三维建模并完成网格划分，选用相应的模型研究炉内的传热过程。通过模拟研究不同火道布气孔位置、集气伞布置高度对炉内温度场和压力场的影响，优化设计助燃气体含氧量和回炉煤气的曝气方式，可以为内热式直立炭化炉的优化设计提供理论指导。

2.2 富氧干馏工艺及其过程强化

富氧燃烧技术是最具潜力的提高荒煤气中有效组分的工艺技术之一。该工艺技术加热用煤气仍是经煤气净化工段净化和冷却后的回炉煤气，其原理是：以富氧空气或纯氧气作为助燃气体，富氧助燃气体由制氧装置提供并由风机鼓入内热式直立炭化炉内，煤气和富氧助燃气体混合后进入燃烧室燃烧，燃烧产生高温烟气，利用高温烟气的热量将煤料进行热解。内热式直立炭化炉富氧干馏工艺具有以下优点：(1)生成的煤气组分中，氢气含量较高，不需要增加变换装置便可满足煤焦油加氢用氢需求；(2)有效气体组分(H2、CH4、CO)较高，可以增产LNG 的产量，提高项目的经济效益。

助燃气体含氧量、回炉煤气量和回炉煤气与助燃气体比率是影响煤炭资源通过富氧干馏工艺技术生产的荒煤气品质的关键参数。樊越胜等人[6]通过研究煤样在不同体积氧浓度下(20%、30%、40%、60%、100%)的燃烧行为，发现随着氧浓度的增大，煤样的综合燃烧特性的明显改善。富氧条件下煤气的着火温度降低，燃烧强度提高，热传导效率好，为防止炉内局部过热，需要调节回炉煤气量平衡炉内温度。赵杰等[2](在SH2007 型内热式直立炭化炉中的干馏)通过实验验证发现煤气与空气的流量比控制在1.7～1.9之间时，炭化炉生产的荒煤气氢气含量、兰炭质量和焦油的回收率较高。

然而，采用传统单因素法探究助燃气体含氧量和回炉煤气与助燃气体比率对煤热解生产荒煤气品质的影响，未考虑参数间交互作用，可能会导致优化不准确。为了解决这一问题，在分析优化中使用最多的多元统计是曲面响应法(RSM)。RSM可以通过分析回归方程得到最优的参数组合，弥补单因素实验不能阐明环境因子间对响应值的交互影响以及作用机理的不足。本研究以助燃气体含氧量和回炉煤气与助燃气体比率作为两个独立工艺参数，使用Minitab 17.0进行 BBD设计(表3)，分析两个独立的工艺参数对煤热解产荒煤气氢含量的影响。