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1、第 32 卷第 2 期2009 年 4月煤炭转化COA L CONVERSIONVol. 32N o. 2Apr. 2009*陕西省13115 重大科技专项项目( 2008ZDKG46) .1) 教授、博士生导师; 2) 硕士生 ; 3) 副教授 , 西安建筑科技大学贵金属工程研究所, 陕西省冶金工程技术研究中心, 710055西安 ; 4) 高 级工程师 , 三江煤化工董事长, 719300陕西榆林收稿日期 : 2008 11 02; 修回日期 : 2009 02 27陕北半焦炭化过程能耗分析*兰新哲1)杨勇2)宋永辉3)张秋利3)尚文智4)罗万江2)摘要主要对 SJ型低温干馏炉生产半焦的过
2、程进行了物料、 热量衡算及过程能耗分析. 结果表明 , SJ 型内热式低温干馏炉的半焦理论转化率为63. 926% , 焦油产率为6. 079%, 煤气产率为598 m3/ t; 炉体的热效率为88. 90%, 热工效率为84. 08% , 且炉体散热损失仅为4. 82% , 过程能耗在 13. 38% 17. 92%之间 , 结合所用低变质煤的成分特征, 可说明该过程属于低能耗、 高产率 、 高附加值的洁净生产过程, 适合该煤种的综合利用.关键词低温干馏炉 , 物料衡算 , 热量衡算 ,能耗中图分类号T Q5460引言煤炭在我国能源供应中长期保持着基础性地位,但在现有技术条件和使用方式下,
3、煤炭利用效率低,污染严重 1; 此外 , 还存在有大量分散和低效的终端直接燃用现象,使煤炭成为一种低效和高污染的能源 . 2因此 , 在目前以煤为主的能源结构下,如何发展和应用面向未来的新型煤基能源转化技术,促进煤的清洁、 高效利用 , 是我国能源发展过程中亟待解决的主要问题. 半焦是高挥发分的弱黏结或不黏结性煤经中、 低温干馏除去焦油物质和大部分挥发分后形成的产品. 因该产品在燃烧时火焰呈蓝色, 故俗称蓝炭 . 陕北地区低变质煤资源丰富, 产量较大 ; 且多为长焰煤、 侏罗纪不黏煤和弱黏煤等低变质煤 , 具有低灰、低硫、低磷、高挥发分、高发热量和高活性的煤质特点, 是低温干馏的理想原料. 3
4、, 4半焦可用于电石、 铁合金、炼铁 (钢 ) 炉喷粉料、 合成氨、 活性炭和炭素材料等行业 5, 甚至在一些领域可以取代冶金焦 . 作为一种新型炭素材料, 因其固定碳高、 电阻率高、灰分低、硫含量低、磷含量低的特性和低廉的价格 , 半焦正逐步拓宽其自身潜在价值,发挥其市场和国民经济效益. 目前 SJ 型炭化炉是陕北地区低变质煤资源综合利用的典型炉型, 因此 , 其热解特性、 热量分布和能量利用的计算和评估 6将直接影响其推广应用以及陕北半焦产业的发展. SJ型低温干馏方炉是一种内燃内热式的低温干馏炉 7, 由陕北神木县三江煤化工有限责任公司开发, 上煤和出焦系统使用封闭式皮带通廊输送, 设置
5、受煤地坑、筛煤楼和筛焦楼, 楼内设除尘装置, 半焦集中筛分,炉体单体调控; 煤气净化工段 7采用直冷加间冷工艺方案 , 既能提高产品质量, 又能减少工业废水量,利于环境保护 ;设置护炉钢板, 基本杜绝烟气和污水等跑冒滴漏 ;采用管壳式换热器和清水熄焦方案; 此外 , 该炉型采用仪表监测控制, 实行计算机自动化控制 , 统一总管供水、 总管供风 , 机械化程度高 , 便于准确掌握温度、 压力和气流量等各项指标,提高操作的科学性 , 以节能节地 , 降低操作劳动强度, 提高生产效率 , 因此具有热效率高、 生产能力大、 炉顶温度低、焦油产率高和易操作等优点. 8更突出的是环保效果特别明显 ,烟、
6、尘、 水、 气及其他化学污染物的控制率在 95% 以上, 对于半焦产业的健康可持续发展 9有着特别重要的意义. 本文主要针对SJ型低温干馏方炉的特点 ,结合实际生产过程的技术数据, 在半焦生产过程的物料及热量衡算基础上, 分析了半焦生产过程的热能分布以及能量消耗比例, 为该工艺的进一步完善和改进提供参考, 也对陕北煤资源的清洁生产和高效利用提供了评价依据.1原料及产品特点入炉煤的工业分析和元素分析见第19 页表 1.干馏产物半焦产率约占原料煤质量的50% 70% ,其工业分析和元素分析见第19 页表 2, 干馏炉煤气成分见第19 页表 3.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
7、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 表 1入炉煤工业分析和元素分析Table 1Proximate and ultimat e analysis of coalProximateanalys is/ % , adMAVUltimateanalysis/ % , adCHNOSFC6. 384. 1536. 0474. 42 4. 91. 0910. 260. 2455. 26表 2半焦工业分析和元素分析( %, ad)Table 2Proximate and ultim
8、ate analysisof semicoke(%, ad)Proximate analysisMAVUltimateanalysisCHNOS3. 966. 435. 4185. 771. 630. 323. 190. 11表 3炭化煤气组成Table 3Components of carbonization gasComponentsContent/ %H228CH48. 2CO13CmHn1. 0CO24. 6N245O20. 22炭化过程物料和热量平衡计算分析2. 1物料平衡物料平衡是热平衡的基础, 在条件许可时 ,原料煤和半焦、煤气、焦油等产品的产量与产率应直接测定,以便使工艺过程热
9、量平衡能较好地符合生产实际. 10, 11但由于低 温干馏生产过程的复杂性 , 直接测定产品产率往往困难较多, 也不易测准 , 所以一般可采用生产技术月报的统计数据, 或者用原料煤的元素分析或工业分析的数据与产品产率的相关公式进行计算 . 为了保证计算结果的准确性 , SJ 型低温干馏炉的生产过程物料平衡计算所用数据多采用年产半焦 30 万 t 生产线的现场生产数据 . 表 4 为以1 000 kg 湿煤为基准的物料平衡计算结果.表 4物料平衡表Table 4M aterial balanceInItemAm ount/kgProportion/%OutIt emAmo unt/kgPropo
10、rtion/%Dry coal936. 2048. 87Semi coke639. 2633. 37Wate r in coal63. 803. 33Tar45. 632. 38Coal gasin501. 4226. 17Crude benzol13. 420. 70Air414. 4221. 63A mmonia1. 740. 09All gas1 049. 5054. 78Combined water37. 821. 97Water in coal63. 803. 33Burnt water63. 043. 29Erro r1. 630. 09Total1 915. 84100T ota
11、l1 915. 84100从表 4 的结果可以看出 , 半焦转化率为 63.926%,焦油产率为6. 079% ( 包含粗苯和氨). 计算的差值误差远小于1% ,在规定物料平衡差值的允许范围.2. 2热量平衡炭化炉热平衡测定与计算是在物料平衡的基础上, 根据能量守衡定律进行的, 也就是说供给炭化炉的总热量 (Q) 等于炭化炉支出的总热量(Q ) ,即:Q=Q .上述等 式 的 成 立, 考 虑 了 下 述 两 个 前 提 条件 1 0: 炭化炉热平衡的测定值必须是炭化炉正常生产的真实反映 ;在热量平衡的测定与计算中, 不考虑入炉煤在炭化过程中碳氢化合物分解和聚合的热效应. 表 5 为 SJ 型
12、半焦炉热量平衡的计算结果.表 5SJ型半焦炉热平衡计算结果Table 5H eat balance calculations of SJ carbonization furnaceInNo.ProjectsAmoun t/( MJt-1)Propertion/%OutNo.ProjectsAmount/( M Jt- 1)Propertion/%1Gas combustion heat1 399. 7393. 891Semi coke510. 7834. 262Gas sensible heat46. 253. 102Tar27. 171. 823Air sensible h eat10. 5
13、90. 713Crude benzol7. 680. 524Coal sensible heat27. 621. 854Ammonia0. 450. 035Water sensib le heat6. 680. 455All gas243. 1816. 316All water515. 0834. 559Furn ace surface71. 864. 8210Incompletecombustion heat24. 771. 66Error89. 906. 03T otal1 490. 87100. 00Total1 490. 87100. 00由表 5 可知 , 炭化过程热量计算的差值偏大
14、, 占总热量的 6. 03% , 这可能是由于该炉为内热式, 其换热过程比较复杂,如入炉混合气与生成的半焦之间的换热与燃烧反应, 由于空气本身不足, 加上部分煤参与了燃烧反应, 使得加热煤气的理论燃烧热偏高; 化学产品 ( 包括水蒸气 ) 是与混合煤气一起出炉,19第 2 期兰新哲等陕北半焦炭化过程能耗分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 就存在气化潜热的差值等, 这些都会导致热量差值的增大 .2. 3炭化热效率和
15、炭化耗热量分析2. 3. 1热效率和热工效率热效率是指炭化炉吸收的热量与供给的总热量的百分比 . 10一般传 统大 型焦 炉的热 效率 () 为79% 85% , 热工效率 () 为 70% 75%. 由于 SJ型炭化炉为内热式,物料进入炉体生成的焦油和水分都随混合煤气一起出炉, 供给炭化炉的全部热量(Q), 一部分传给了炭化炉, 即炭化炉吸收的热量,另一部分由燃烧后的混合气体带出(Qf). 为简化计算, 忽略水蒸气的影响, 把出炉总煤气的量( GQ MQ)与煤热解的净煤气之差( GJMQ) 视为混合气体的量,则其带出的热量近似为:Qf= QQMQGQMQ- GJMQGQM Q-Qmq-Qkq
16、=243. 180. 812 6-46. 25-10. 59=140. 76 M J/ t式中:Qmq和 Qkq分别是入炉的燃烧煤气和空气的显热.考虑煤气不完全燃烧的热量 ,炭化炉热效率 () 为:=Q- QfQ100=1 490. 87-140. 76- 24. 771 490. 87100= 88. 90%考虑炭化炉表面的散热损失( Qs), 则炭化炉热工效率 () 为:=Q- ( Qf+ Qs)Q100=1 490. 87-140. 76- 24. 77-71. 861 490. 87100= 84. 08%2. 3. 2炭化耗热量1) 湿煤耗热量 : 入炉的 1 kg 湿煤炼成半焦实际
17、消耗的热量 , 用 qs表示 , 按下式计算 :qs=VLQqDWGs= 1 399. 73 kJ/ kg式中: VL为标准状况下煤气的消耗量, m3/ h; QqDW为煤气的低发热值 , kJ/ m3; Gs为炭化炉装入的实际湿煤量, kg/ h.2) 相当耗热量 ( qx): 即换算为含水量为7% 的湿煤耗热量 , 为统一计算基准, 便于比较 , 将实际湿煤(含水量为W) 耗热量换算为水分含量相同的湿煤耗热量 .qx= qs-29.31(W- 7) = 1 417. 90 kJ/ kg2. 3. 3热量分析以上数据显示 , 半焦带走的显热为34. 26% , 混合煤气带走的热量为53. 2
18、3% ( 包括焦油和水带走的显热和潜热) , 而且其热效率为88. 90%, 高于传统焦炉的热效率, 这正是内热式炭化炉的特征, 热效率高但后续热处理工序庞杂, 这也是陕北目前炭化工艺亟待解决的问题油水混合难以分离, 且带走了大部 分的显 热 ( 其中 水带 走的潜 热显热 达到34. 55% ), 使煤气降温回收余热以及分离焦油和粗苯等工序变得繁琐. 因此, 改善炉体的煤层分布结构以及化工产品的出口路径,就可以进一步提高炉子的热效率 , 简化焦油和粗苯的分离过程,同时促进后续焦油的深加工, 提高整个产业的经济效益; 此外 ,SJ型方炉的热工效率也高达84. 08%,由于其内部为双层绝热材料加
19、裹铁板支承保护,使其有足够焦化容积以提高产量 ,而且散热损失很小, 仅为 4. 82% ( 远低于传统炉体的散热损失8% 10%) , 同时半焦生产的相当炭化耗热量都很低, 仅有 1 417. 90 kJ/ kg.3过程能耗分析由物料衡算结果可知, 1 000 kg 煤(低发热值为28. 36 M J/ kg)进入炭化炉 , 将产生 639. 26 kg 半焦 ,60. 79 kg 焦油 ( 包括粗苯 ) 和 598. 17 m3的放散煤气, 其低发热值分别为: 27. 42 MJ/ kg, 33. 5 M J/kg,8. 314 M J/ m3. 则转化 1 000 kg 入炉煤的热量Qco
20、al及出炉的热量Qout为:Qcoal= McoalQgr, d= 1 00028. 36=28 360 MJQout= Qcoke+ Qtar+ Qgas= 639. 2627. 42+60. 7933. 5+ 598. 178. 314=24 538. 2 MJ根据现场统计数据,每吨半焦的平均耗电量为22 kWh, 耗水量 300 kg, 则耗水电量为 :Qw ater= 3007. 140. 639 26=1 369. 3 M JQele= 2211.820. 639 26= 166. 2 MJ所以理论总能耗为:Q= Qcoal-Qout+ Qele+ Qwater=28 360-24
21、538.2+ 1 369. 3+166. 2= 5 357. 3 M J能耗百分比为 :QQin= 17. 92%. 对应结果见第 21 页表 6.20煤炭转化2009 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 表 6理论转化 1 000 kg 煤的能耗分布Table 6T heoretical energy consumptiondistributio n of 1 000 kg coalProjectsH eat /
22、 MJRate/ %InCoal28 36094. 86Water1 369. 34. 58Electricity166. 20. 56OutSemi coke17 528. 558. 63T ar2 036. 56. 81Coal gas4 973. 216. 64T otal energy consum ption5 357. 317. 92由表 6 可知 , 1 000 kg 的煤进入炭化炉 , 将产生606.03 kg 半焦, 79.92kg 焦油(包括粗苯 ) 和 785.77 m3的散放煤气 , 对应 1 t 半焦耗电量为22 kWh, 300 kg的循环水 , 计算各能耗 , 则
23、理论总能耗为:Q= Qcoal- Qout+ Qele= 32 000-27 065. 3+ 130. 7= 3 988. 2 MJ能耗百分比为 :QQin= 13. 38%. 对应计算结果见表 7.表 7实际转化 1 000 kg 煤的能耗分布Table 7Practical energy consumptiondistributio n of 1 000 kg coalProjectsH eat / MJRate/ %InCoal28 36095. 12Water1 298. 14. 35Electricity157. 60. 53OutSemi coke16 617. 355. 73T
24、ar2 677. 38. 98Coal gas6 532. 921. 91T otal energy consum ption3 988. 213. 38由表 7 可以看出 ,使用 SJ型低温干馏炉生产半焦的过程 , 理论能耗为17. 92% , 即能量的利用率为82.02% ; 而实际生产中能耗仅为13. 38% , 即能量利用率为86. 62%. 其中电能消耗主要用于鼓风机和水泵等动力消耗及照明;热量损失主要包括炉体散热和回炉煤气温度变化等方面. 显然 ,高的热量利用率和低的能耗率, 加上半焦可作为燃料或工业生产用原料使用 (电石、 铁合金、化肥、 冶金和发电等 ) 、煤焦油的附加值高 5
25、和煤气 的转化 利用 6, 11等优势, 使得陕北长焰煤的低温干馏这一工艺, 成为地区发展的支柱产业.3结论1) SJ 型 炭 化 方 炉 的 的 理 论 产 率 为: 半 焦63. 926% , 焦油率为 6. 079% , 散放煤气量为598. 17m3/ t 煤, 由于原料煤的挥发分较高, 煤热解炭化过程中部分半焦发生气化反应, 使得实际半焦产率在60% 左右 , 焦油量和煤气量要比理论值高.2) 热量计算表明, 内热式的SJ 型方炉的热效率和热工效率分别达到88. 90% 和 84. 08%, 由于半焦生产的炭化耗热量较低, 仅为 1 417. 90 kJ/ kg, 并且炉体表面散热损
26、失较小, 只有 4. 82% , 远小于传统的 8% 10% ;但煤气夹带了大量的水蒸气, 带走的热量较多 ,占入炉热量的34. 55% ,需要后续进行大量的换热操作来提高热量的利用率, 或者进一步改进炉体结构, 实现煤气、 焦油和水蒸气的炉内分离, 提高其热效率 .3) 通过 SJ 型方炉对陕北煤干馏生产半焦时,其热能利用效率可达到82. 08% 86. 62% , 而且半焦可作为燃料和生产原料,副产附加值高的焦油也值得综合利用 ,属于低能耗和高附加值的洁净生产工艺 , 有较大的推广价值.致谢向为本文数据采集提供热情帮助的陕北神木县三江煤化工责任有限公司的领导和相关人员表示衷心感谢 !参考文
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32、r ing College of Sichuan University, 610207 Chengdu)ABSTRACTUsed the heat grade unite calculatio n of the pinch technolog y to analyse thedates of the tw o yearsproductio n heat supply of a facto ry with 175 000 t annual processing plantin tar distillationsection,it was found that more than 0.289 6
33、GJ/ t energy can be reused. Accordingto the present situation,heat pipe technolog y was advanced to recover the exhaust heat and lowpotential energy, the pinch technology to design the heat exchange netw ork of the new projectand stress on the installationof the heat preserv ation fix ture, only the
34、 working pro cedures of distillationcan produce the energy benefit of one millionand one hundred thousand yuan annual.KEY WORDScoal tar,pinch technolog y, heat pipe exchanger, energy saving( 上接第 21 页)ENERGY CONSUMPTIONANALYSIS OF CARBONIZATIONPROCESS OF SEMI COKE IN NORTHERNSHAANXILan XinzheYang Yon
35、gSongYonghuiZhang QiuliShang Wenzhi*and Luo Wanjiang( Institute of Precious M etals Eng ineering of Xi an Universityof A r chitectur eand T echnology , Shaanx i Province M etallur gical E ngineeringandT echnology Research Centre, Xian 710055; *Shaanx iShenmu Sanj iang Coal Chemical LiabilityCompany
36、L imited , 719300Yulin,Shaanx i)ABSTRACTIt s mainly analyzedthat the material balance, heat balance calculatio n and energy consumption of the production process of semi coke by SJ low temperatur ecarbonizatio n furnace. T he results showed that,the theoretical semi coke yield of SJlo w heat oven is
37、 63. 926% ,tar yield is 6. 079%, gas yield is about 598 m3/ t;with therm al efficiency of 88. 90% , heat efficiency of 84. 08% , and heat loss of furnace surface of 4. 82%, and the energy consumption forpro cessis betw een 13. 38% and 17. 92%.Compar ed the compositio n characteristics of the lowmeta
38、morphic coals, it s real a low energy consumptio n, high yield,high value added clean productio n processfor the comprehensive utilizatio n of this coal, which has great guiding significanceto the sustainable development of the semi coke industryin Norther n Shaanxi.KEY WORDSlow temperature carbonizatio n furnace, material balance, heat balance calculation, energy consumptio n32煤炭转化2009 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -