朱佛代，趙 杰，陳曉菲，曾明明，梁博博，孫丁武，王睿哲，王 樂(lè)

(1 陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710032；2 華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710076)

新疆煤炭資源豐富，煤炭預(yù)測(cè)資源總量居全國(guó)前列，是累計(jì)探明儲(chǔ)量最大的省份之一。對(duì)新疆地區(qū)豐富的煤炭資源進(jìn)行分級(jí)分質(zhì)綜合利用是提升其煤炭資源經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑之一，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔利用的必然趨勢(shì)[1]，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)煤化工的行業(yè)升級(jí)，又可以實(shí)現(xiàn)清潔化工生產(chǎn)，同時(shí)可以延長(zhǎng)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，符合環(huán)境友好、資源節(jié)約、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的煤化工新型工業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略。

國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)煤省區(qū)如陜西、內(nèi)蒙古、新疆等省區(qū)大多采用內(nèi)熱式直立炭化爐進(jìn)行中低溫干餾[2-3]，生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。然而，新疆地區(qū)煤質(zhì)灰分較高，蘭炭產(chǎn)品的質(zhì)量差，其固定碳含量?jī)H為70%左右。因此，探究將新疆地區(qū)煤炭資源轉(zhuǎn)化為高值產(chǎn)品的工藝技術(shù)已成為煤炭資源清潔利用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

外熱式干餾爐荒煤氣熱值高、焦油組分占比大，且對(duì)煤料粒徑無(wú)特殊要求，但該爐形生產(chǎn)能力低、蘭炭產(chǎn)品成熟度不一。目前國(guó)內(nèi)煤低溫干餾項(xiàng)目主要采用的是內(nèi)熱式直立炭化爐工藝，該爐型爐內(nèi)采用大空腔設(shè)計(jì)，卸入爐頂最上部煤倉(cāng)的原料煤自上而下移落至炭化爐內(nèi)，氣體熱載體由下向上穿過(guò)料層，因此要求料層有足夠的透氣性，入料粒度必須為20～150 mm 的塊煤。同時(shí)，內(nèi)熱式直立炭化爐受加熱方式影響，煤氣中氮?dú)夂扛撸瑢?dǎo)致產(chǎn)出的煤氣熱值較低，限制了煤氣綜合利用途徑[5]。截止目前，對(duì)內(nèi)熱式直立炭化爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高荒煤氣中有效組分的研究鮮有報(bào)道。

本研究以新疆哈密三塘湖地區(qū)為例，探究采用內(nèi)熱式直立炭化爐生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣的可行性，并提出了內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)策略和提高荒煤氣中有效組分的有效措施，為新疆地區(qū)煤炭資源的清潔高效利用提供理論指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 新疆地區(qū)煤炭資源煤質(zhì)分析

新疆地區(qū)煤質(zhì)灰分較高(11.83%～16.71%)，所產(chǎn)蘭炭為低品質(zhì)蘭炭(固定碳含量為70%左右)，同時(shí)焦油產(chǎn)率較低。詳細(xì)煤樣分析如表1所示。

表1 煤樣分析數(shù)據(jù)表

利用內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝熱解新疆地區(qū)煤炭資源，產(chǎn)品為低品質(zhì)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。所產(chǎn)低品質(zhì)蘭炭應(yīng)用范圍窄，價(jià)值較低。所產(chǎn)煤焦油為低溫和中溫焦油的混合物，是加工燃料油的優(yōu)質(zhì)原料，其輕質(zhì)組分含量高。可通過(guò)加氫等手段增值利用，但其較低的產(chǎn)率限制了新疆地區(qū)煤炭資源的高效利用。

由于該內(nèi)熱式直立炭化爐為內(nèi)熱式加熱，在荒煤氣中混入了大量的廢氣，使荒煤氣的發(fā)生量比外熱式加熱方式明顯增加，但荒煤氣熱值降低。所產(chǎn)荒煤氣成分如表2所示。

表2 煤氣成分

由于荒煤氣中混入了大量熱廢氣，致使CO2含量較高；同時(shí)鼓入內(nèi)熱式直立炭化爐的助燃劑為空氣，導(dǎo)致煤氣中氮?dú)夂吭龈?。這種低熱值荒煤氣利用價(jià)值不高，通常作為發(fā)電、金屬鎂冶煉等行業(yè)的燃料使用。因此，開(kāi)發(fā)提高荒煤氣中有效組分的工藝技術(shù)是提升新疆地區(qū)煤炭資源綜合利用效益的關(guān)鍵。

1.2 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝概述

煤炭化工藝按照加熱終溫、加熱方式、熱載體類(lèi)型等工藝條件分為不同類(lèi)型。按加熱終溫可分為：低溫(500～700 ℃)、中溫(650～800 ℃)、高溫(900～1000 ℃)和超高溫(>1200 ℃)煤炭化工藝。按加熱方式可分為：外熱式、內(nèi)熱式、內(nèi)外并熱式煤炭化工藝。按熱載體類(lèi)型可分：為固體熱載體、氣體熱載體、固-氣配合熱載體煤炭化工藝。

煤炭化工藝類(lèi)型選擇取決于獲取的目標(biāo)產(chǎn)品的要求，并綜合考慮原料煤質(zhì)特點(diǎn)、設(shè)備制造、工藝控制水平及最終的經(jīng)濟(jì)效益。低溫干餾的固體產(chǎn)品為蘭炭，煤氣產(chǎn)率低而焦油產(chǎn)率較高；而高溫干餾的固體產(chǎn)品為冶金焦炭，煤氣產(chǎn)率高而焦油產(chǎn)率較低。隨著干餾溫度的增加，煤氣產(chǎn)率增大但發(fā)熱量降低，焦油中瀝青增加而脂肪烴含量降低。

醫(yī)院報(bào)銷(xiāo)業(yè)務(wù)需要實(shí)現(xiàn)電子化，通過(guò)報(bào)銷(xiāo)業(yè)務(wù)電子化實(shí)現(xiàn)支出業(yè)務(wù)全員全過(guò)程預(yù)算控制。預(yù)算批復(fù)后下發(fā)到報(bào)銷(xiāo)系統(tǒng)中，經(jīng)辦人員填寫(xiě)報(bào)銷(xiāo)申請(qǐng)時(shí)，需選擇資金預(yù)算項(xiàng)目，沒(méi)有預(yù)算項(xiàng)目或預(yù)算項(xiàng)目超支將無(wú)法提交支付申請(qǐng)，有效避免預(yù)算外支出。報(bào)銷(xiāo)系統(tǒng)記錄下業(yè)務(wù)申請(qǐng)、審批、付款的狀態(tài)和時(shí)間，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)預(yù)算執(zhí)行情況，為預(yù)算分析評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)，快速找到執(zhí)行差異原因，進(jìn)而做出相應(yīng)調(diào)整、提醒或督促，實(shí)現(xiàn)事前、事中、事后全過(guò)程的預(yù)算控制目標(biāo)。

內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝屬于氣體熱載體低溫?zé)峤夤に?，該爐自上而下分為預(yù)熱段、干餾段、冷卻段，包括備煤工段、炭化工段、出焦工段、煤氣凈化工段、焦油氨水分離工段、焦油罐區(qū)等主要生產(chǎn)設(shè)施。備煤工段為炭化爐提供合格的原料煤；原料煤在內(nèi)熱式直立炭化爐裝置干餾后生產(chǎn)低品質(zhì)蘭炭和荒煤氣；荒煤氣與循環(huán)氨水逆向接觸降溫除塵后，再通過(guò)間冷器，經(jīng)冷卻水連續(xù)對(duì)煤氣降溫，使煤氣中所含焦油等冷凝。凈煤氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓，一部分通過(guò)回爐煤氣管道送至直立爐加熱煤料，剩余煤氣送往后續(xù)裝置。

焦油氨水分離工段負(fù)責(zé)將炭化工段和煤氣凈化工段的焦油、氨水混合物進(jìn)行分離，去除焦油渣，回收焦油。工藝方案流程如圖1所示。

圖1 工藝方案流程框圖

1.3 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝技術(shù)存在的問(wèn)題

該爐型對(duì)原料煤粒徑有限制，塊煤粒度必須為20～150 mm。然而，新疆地區(qū)小粒煤產(chǎn)量大，相對(duì)價(jià)格較低，如能開(kāi)發(fā)小粒煤干餾工藝以顯著提升小粒煤的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可有效拓寬煤炭資源利用范圍?？煽紤]內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決小粒煤低溫干餾的瓶頸問(wèn)題。

由于該內(nèi)熱式直立炭化爐為內(nèi)熱式加熱，在荒煤氣中混入了大量的廢氣，盡管荒煤氣的發(fā)生量比外熱式加熱方式明顯增加，但荒煤氣有效組分含量和熱值降低。可考慮采用富氧熱解技術(shù)干餾新疆煤生產(chǎn)蘭炭、煤焦油和荒煤氣。

2 內(nèi)熱式直立炭化爐干餾工藝的改進(jìn)

2.1 內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)熱式直立炭化爐爐內(nèi)采用大空腔設(shè)計(jì)，卸入爐頂最上部煤倉(cāng)的原料煤通過(guò)兩道加煤閥交替開(kāi)關(guān)控制，自上而下移落至炭化爐內(nèi)，氣體熱載體由下向上穿過(guò)料層，要求料層有足夠的透氣性。一旦煤料布料不均勻?qū)?dǎo)致煤料受熱不均勻，導(dǎo)致生成的蘭炭成熟度不一，質(zhì)量下降的嚴(yán)重后果。當(dāng)入爐煤粒徑過(guò)小時(shí)，爐內(nèi)溫度降低，壓力增大，料層透氣性降低。然而，新疆地區(qū)小粒煤產(chǎn)量大，相對(duì)價(jià)格較低，大量小粒煤如果得到充分利用，可拓寬煤炭資源利用范圍。內(nèi)熱式直立炭化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)小粒煤的熱解。如優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)熱式直立炭化爐外形尺寸、在內(nèi)熱式直立炭化爐大空腔內(nèi)設(shè)置布料構(gòu)件等措施，可改善了料層的透氣性。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)是進(jìn)行流場(chǎng)分析的重要工具，能有效解決因控制方程復(fù)雜而無(wú)法得到清晰解的流動(dòng)問(wèn)題[7]。利用ANSYS前處理軟件對(duì)內(nèi)熱式直立炭化爐進(jìn)行三維建模并完成網(wǎng)格劃分，選用相應(yīng)的模型研究爐內(nèi)的傳熱過(guò)程。通過(guò)模擬研究不同火道布?xì)饪孜恢?、集氣傘布置高度?duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)助燃?xì)怏w含氧量和回爐煤氣的曝氣方式，可以為內(nèi)熱式直立炭化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2.2 富氧干餾工藝及其過(guò)程強(qiáng)化

富氧燃燒技術(shù)是最具潛力的提高荒煤氣中有效組分的工藝技術(shù)之一。該工藝技術(shù)加熱用煤氣仍是經(jīng)煤氣凈化工段凈化和冷卻后的回爐煤氣，其原理是：以富氧空氣或純氧氣作為助燃?xì)怏w，富氧助燃?xì)怏w由制氧裝置提供并由風(fēng)機(jī)鼓入內(nèi)熱式直立炭化爐內(nèi)，煤氣和富氧助燃?xì)怏w混合后進(jìn)入燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，利用高溫?zé)煔獾臒崃繉⒚毫线M(jìn)行熱解。內(nèi)熱式直立炭化爐富氧干餾工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)生成的煤氣組分中，氫氣含量較高，不需要增加變換裝置便可滿(mǎn)足煤焦油加氫用氫需求；(2)有效氣體組分(H2、CH4、CO)較高，可以增產(chǎn)LNG 的產(chǎn)量，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

助燃?xì)怏w含氧量、回爐煤氣量和回爐煤氣與助燃?xì)怏w比率是影響煤炭資源通過(guò)富氧干餾工藝技術(shù)生產(chǎn)的荒煤氣品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。樊越勝等人[6]通過(guò)研究煤樣在不同體積氧濃度下(20%、30%、40%、60%、100%)的燃燒行為，發(fā)現(xiàn)隨著氧濃度的增大，煤樣的綜合燃燒特性的明顯改善。富氧條件下煤氣的著火溫度降低，燃燒強(qiáng)度提高，熱傳導(dǎo)效率好，為防止?fàn)t內(nèi)局部過(guò)熱，需要調(diào)節(jié)回爐煤氣量平衡爐內(nèi)溫度。趙杰等[2](在SH2007 型內(nèi)熱式直立炭化爐中的干餾)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)煤氣與空氣的流量比控制在1.7～1.9之間時(shí)，炭化爐生產(chǎn)的荒煤氣氫氣含量、蘭炭質(zhì)量和焦油的回收率較高。

然而，采用傳統(tǒng)單因素法探究助燃?xì)怏w含氧量和回爐煤氣與助燃?xì)怏w比率對(duì)煤熱解生產(chǎn)荒煤氣品質(zhì)的影響，未考慮參數(shù)間交互作用，可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化不準(zhǔn)確。為了解決這一問(wèn)題，在分析優(yōu)化中使用最多的多元統(tǒng)計(jì)是曲面響應(yīng)法(RSM)。RSM可以通過(guò)分析回歸方程得到最優(yōu)的參數(shù)組合，彌補(bǔ)單因素實(shí)驗(yàn)不能闡明環(huán)境因子間對(duì)響應(yīng)值的交互影響以及作用機(jī)理的不足。本研究以助燃?xì)怏w含氧量和回爐煤氣與助燃?xì)怏w比率作為兩個(gè)獨(dú)立工藝參數(shù)，使用Minitab 17.0進(jìn)行 BBD設(shè)計(jì)(表3)，分析兩個(gè)獨(dú)立的工藝參數(shù)對(duì)煤熱解產(chǎn)荒煤氣氫含量的影響。

表3 RSM設(shè)計(jì)中使用的參數(shù)及水平

方差分析(ANOVA)用來(lái)檢驗(yàn)回歸方程中每一項(xiàng)(線(xiàn)性項(xiàng)、平方項(xiàng)和交互項(xiàng))對(duì)響應(yīng)值的影響和和顯著性。最后借助等值線(xiàn)圖和三維曲面圖闡明各因子間對(duì)油脂積累的交互影響以及作用機(jī)理，并得到最佳的熱解條件。

3 結(jié) 論

(1)采用內(nèi)熱式直立炭化爐干餾新疆地區(qū)煤炭資源生產(chǎn)荒煤氣、煤焦油和蘭炭的工藝，是目前綜合利用該地區(qū)煤炭資源的較好途徑；

(2)采用經(jīng)典CFD模擬仿真軟件ANSYS FLUENT重點(diǎn)考察不同火道布?xì)饪孜恢?、集氣傘高度?duì)小粒煤干餾產(chǎn)品品質(zhì)的影響，可以為內(nèi)熱式直立炭化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)；

(3)富氧干餾工藝技術(shù)是解決目前煤干餾產(chǎn)荒煤氣品質(zhì)較低的有效措施，應(yīng)用RSM對(duì)其進(jìn)行過(guò)程強(qiáng)化，是提升荒煤氣中氫含量的有效方式。