热焦炉荒煤气应用于气流内热式炉实现煤低温干馏的初步设想

－ ２０ －
煤化工
２００６年 第 ５ 期
由 上 升 管 及 桥 管 ， 然 后 到 集 气 管 ， 在 此 用 ７０℃ ￣７５℃ 循 环 氨 水 进 行 喷 洒 ， 将 焦 炉 煤 气 冷 却 到 ８０℃￣８５℃ ， 有 ６０％左 右 的 焦 油 蒸 汽 冷 凝 下 来 去 澄 清 槽 。煤 气 由 分 离器去初冷器进一步冷却， 使残余焦油和大部分水气 冷 凝 下 来 ， 煤 气 被 冷 却 到 ２５℃￣３５℃ 。 经 过 集 气 管 和 初 冷 器 冷 却 后 ， 焦 炉 煤 气 再 经 脱 萘 、脱 硫 、洗 氨 、洗 苯 等 进 一 步 净 化 成 净 煤 气 输 出 。由 上 述 净 化 过 程 可 以 看 出， 荒煤气中的显热没有得到利用， 如果这一部分热 量能有较为合理的利用方式， 将可回收比较可观数量 的能源。焦炉荒煤气的组成成分极其复杂， 其中含有 焦 油 、苯 、萘 等 大 量 的 化 工 产 品 ， 这 些 化 工 产 品 的 价 值 甚至超过净煤气本身， 因此， 荒煤气显热的利用又必 须保证这些产品不以任何形式流失， 本文即是根据热 焦炉荒煤气的这些特点， 提出了以荒煤气作为热源进 行 煤 低 温 干 馏 来 利 用 焦 炉 煤 气 显 热 的 方 法 。传 统 的 焦 炉煤气显热回收方法是在上升管处发生蒸汽， 每吨焦 可 产 生 低 压 蒸 汽 ０．１ｔ 左 右 ， 与 本 文 提 出 的 方 法 相 比 ， 所回收的热量相对较低。
气流内热式炉的主要缺点如下： 装入煤料必须是 块 状 的 ， 并 且 希 望 粒 度 范 围 窄 ， 粒 度 为 ２０ｍｍ￣８０ｍｍ 较 为适合； 气体热载体稀释了干馏气态产物， 降低了其 热值和品质， 使干馏煤气的应用受到限制。同时由于
图 １ 忻 州 ３３ｔ／ｄ 内 热 式 热 解 炉 结 构 示 意 图
如将焦炉荒煤气用于这种炉型， 虽然可以实现煤 的低温干馏， 但它有混合煤气的出炉温度过低的缺 点 。因 为 ， 在 ７０℃混 合 煤 气 中 部 分 焦 油 和 萘 等 已 经 变 成液态从煤气中析出， 这将导致析出的焦油和萘等重 新返回原煤中， 使煤焦油等化学产品产率降低， 不利 于 回 收 ， 这 种 现 象 在 启 停 炉 阶 段 更 为 严 重 。为 此 ， 需 要 适 当 提 高 混 合 煤 气 的 出 口 温 度 。另 一 问 题 是 这 种 炉 型 的处理能力偏低， 对于大型焦化厂来说， 无法体现规 模效益。 ３．２ 焦炉荒煤气作为气体热载体在鲁奇三段炉上的
收入
煤气 燃 烧 热 Ｑ１
２ ６６３
煤气携入 热 量 Ｑ２
１０．４
空气携入 热 量 Ｑ３
１５．１
湿煤携入 热 量 Ｑ４
２６．３
表 １ 焦炉热平衡
ＭＪ
支出
焦炭
化产
煤气
水分
废气
散失
热 焓 量 Ｑ５ 热 焓 量 Ｑ６ 热 焓 量 Ｑ７ 热 焓 量 Ｑ８ 热 焓 量 Ｑ９ 热 量 Ｑ１０
１ ０２０．９ １０１．７
热 解 炉 体 按 工 作 过 程 自 上 而 下 分 为 三 段 。第 一 段 为 煤 的 预 热 、干 燥 段 。 冷 原 料 煤 经 煤 仓 和 布 料 器 进 入 炉体内顶部，自上而下缓慢向热解干馏段运动，与自 下而上的荒（ 干馏） 煤气逆向接触换热，使煤逐步经过 干 燥 、预 热 ， 同 时 使 荒 煤 气 温 度 降 至 ７０℃ 左 右 ， 被 煤 气风机引出送入焦油回收系统。第二段为热解干馏 段 。 经 干 燥 、预 热 后 的 原 料 煤 进 入 ７００℃ 左 右 的 中 低 温 热 解 干 馏 段， 缓 慢 通 过 该 区 完 成 热 解 干 馏 。回 炉 煤 气 和 空 气 在 此 混 合 燃 烧 并 达 到 干 馏 所 需 温 度 。该 部 分 是 炉 体 的 核 心 工 作 部 位 。第 三 段 为 半 焦 冷 却 段 。该 段 分两部分，第一部分为炉内冷却部分，利用炉体下部
２００６年 １０ 月 艾 春 慧 等 ： 热 焦 炉 荒 煤 气 应 用 于 气 流 内 热 式 炉 实 现 煤 低 温 干 馏 的 初 步 设 想
－ ２１ －
的 循 环 、冷 水 夹 套 和 水 喷 淋 管 使 热 解 干 馏 后 的 半 焦 由 ７００℃ 左 右 降 到 ２００℃ 左 右 ， 这 一 段 炉 内 产 生 热 交 换 和水煤气反应。第二部分为水封冷却和出焦部分，即 将 ２００℃ 左 右 的 半 焦 经 水 封 冷 却 至 ５０℃ 左 右 后 经 出 焦口排出。 ３．１．２ 焦炉荒煤气在忻州内热式炉上的应用及存在 问题
第 ５ 期（总 第 １２６ 期） ２００６ 年 １０ 月
Leabharlann Baidu
煤化工
Ｃｏａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
Ｎｏ．５（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２６） Ｏｃｔ．２００６
热焦炉荒煤气应用于气流内热式炉 实现煤低温干馏的初步设想
艾春慧 倪维斗 李 政 （ 清华大学热能工程系， 北京 １０００８４）
摘 要 以合理有效的利用焦炉荒煤气的显热为出发点， 提出了利用热焦炉荒煤气作为气流内热式低温 干馏炉的气体热载体的设想。通过两种不同型式的气流内热式低温干馏炉： 内热式中低温热解炉和鲁奇三段 炉， 对这一设想技术上的可行性作了初步的定性分析， 并提出了相应的改造建议。同时分析了实现这一想法可 以带来的利益和存在的问题。以热焦炉荒煤气作为气流内热式炉的气体热载体进行煤低温干馏的过程实现了 物 理 能 和 化 学 能 的 综 合 梯 级 利 用 ， 无 论 从 焦 化 厂 节 约 能 源 还 是 从 原 煤 合 理 利 用 的 角 度 来 看 ， 其 在 经 济 、环 境 和 能量利用方面都是非常有利的。
焦 炉 出 炉 荒 煤 气 温 度 ６５０℃ ￣８００℃ （ 通 常 为 ７５０℃ ） ， 与 该 炉 型 所 要 求 的 热 解 温 度 ７００℃ 极 为 接 近， 可以用它来代替该热解炉的回炉煤气和鼓风。即 使焦炉煤气由于温度波动或传输过程中的散热使其 温 度 达 不 到 ７５０℃ ， 但 由 于 低 温 干 馏 温 度 范 围 在 ５００℃￣６００℃即 可 ， 所 以 它 仍 可 以 应 用 于 该 炉 型 。这 样 在热解炉内只有换热过程和煤干馏热解过程， 而没有 原煤（ 点火阶段） 或回炉煤气的燃烧过程。运行时， 可 根据热解干馏炉内煤炭所需热量的多少和焦炉荒煤 气的温度控制荒煤气流量， 从而实现热平衡和物料平 衡， 达到稳定运行。其预热干燥段和热解干馏段不用 作任何改变， 而半焦冷却段产生的气体需单独引出， 以免降低气体热载体焦炉荒煤气的温度。
应用 ３．２．１ 鲁奇三段炉简介
图 ２ 是 鲁 奇 三 段 炉 的 示 意 图 ［１］， 它 是 一 种 技 术 成 熟的气流内热式低温干馏炉型。
煤在竖式炉中下行， 热气逆向通入进行加热。煤 在炉上部向下部移动的过程中可分成三段： 首先是干 燥段 ４； 其次是干馏段 ６； 最后是焦炭冷却段 ７， 故名 鲁奇三段炉。在最上段， 循环热气流把煤干燥并预热 到 １５０℃ ； 在 中 段 ， 热 气 流 把 煤 气 加 热 到 ５００℃ ￣ ８００℃ ； 在 下 段 ， 焦 炭 被 冷 循 环 气 流 冷 却 到 １００℃ ￣ １５０℃， 最 后 排 出 。排 焦 机 构 控 制 炉 子 的 生 产 能 力 。上 部 循 环 气 流 温 度 保 持 在 ２８０℃。
内热式炉借助热载体把热量传递给煤料， 气体热 载体直接进入干馏室， 穿过块粒状干馏料层， 把热量 传递给料层。气体热载体一般是燃料煤气燃烧的烟 气 。内 热 式 低 温 干 馏 与 外 热 式 相 比 ， 有 以 下 优 点 ： 热 载 体向煤料直接传热， 热效率高， 低温干馏耗热量低； 所 有装入料在干馏不同阶段加热均匀， 消除了部分料块 过热现象； 内热式炉没有加热的燃烧室或火道， 简化 了干馏炉结构， 没有复杂的加热调节设备。
关键词 焦炉煤气 低温干馏 气流内热式炉
文 章 编 号 ： １００５－９５９８（２００６）－０５－００１９－０６ 中 图 分 类 号 ： ＴＱ５４２ 文 献 标 识 码 ： Ａ
焦 炉 煤 气 为 优 质 能 源 和 化 工 原 料 。目 前 所 讨 论 的 有关焦炉煤气利用的问题几乎全部集中在焦炉煤气 化 学 能 的 利 用 上 ， 如 焦 炉 煤 气 用 作 城 市 煤 气 、发 电 、制 甲 醇 、制 合 成 氨 等 。事 实 上 ， 刚 出 炉 的 焦 炉 煤 气 温 度 高 达 ６５０℃￣８００℃ ， 每 吨 湿 煤 所 产 生 的 焦 炉 煤 气 可 以 带 走 约 ９２０ＭＪ 的 热 量 ， 占 炼 焦 耗 热 量 的 １／３ 左 右 。 如 果 这部分显热可以被有效利用， 可以回收相当可观的能 量。本文从这一思考出发， 提出了利用未经任何冷却 的热焦炉荒煤气作为气流内热式低温干馏炉的气体 热载体的设想， 并通过两种不同型式的气流内热式低
温干馏炉， 对这一设想技术上的可行性进行了初步的 定性分析， 并提出相应的改造建议。
１ 问题的提出
表 １ 是 典 型 的 焦 炉 热 量 平 衡 计 算 ［１］， 计 算 取 １ｔ 湿煤和 ０℃为基准。焦炉消耗的热能可观， 通过焦炉 热量平衡可以了解焦炉热量分布， 确定焦炉炼焦耗热 量 以 及 揭 示 降 低 耗 热 量 的 途 径 。焦 炉 热 量 平 衡 的 原 则 是焦炉收入物料携入热能等于焦炉支出物料携走的 热能及炉表散热。
３８４．９
４３５
５０６
２７２
由表 １ 可见， 赤热焦炭由焦炉带出炼焦耗热量的 ３８％， 焦 炭 温 度 约 为 １ ０００℃， 是 高 品 位 热 能 ， 这 部 分 能
收 稿 日 期 ： ２００６－０８－１１ 作 者 简 介 ： 艾 春 慧 （ １９７４— ） ， 女， １９９６ 年毕业于上 海 交 通 大 学电厂热能动力工程专业， 工程师， 现从事焦炉煤气利用 系统的研究工作。
２ 气流内热式低温干馏
容积增大， 增加了处理设备的容积和输送动力。
３ 热焦炉荒煤气作为内热式低温干馏炉气 体热载体的可行性初步探讨
基于上述叙述， 如果把未经冷却的焦炉荒煤气作 为内热式低温干馏炉的气体热载体， 不仅可以利用荒 煤气的显热， 代替燃料煤气燃烧的烟气以减少干馏煤 气的消耗， 还可以解决气体热载体稀释干馏气态产物 的 问 题 。这 是 由 于 焦 炉 煤 气 中 包 含 的 所 有 物 质 均 和 干 馏气态产物一致， 差别仅是含量大小不同， 因此， 焦炉 煤 气 和 干 馏 煤 气 的 混 合 气 体 有 较 高 的 质 量 和 热 值 。以 山西省忻州市内热式中低温热解炉和鲁奇三段炉为 例作一介绍。 ３．１ 在内热式中低温热解炉上的应用 ３．１．１ 内热式低温热解炉简介
煤 受 热 到 １００℃￣２００℃ 时 ， 所 含 水 分 基 本 脱 除 ， 一 般 加 热 到 ３００℃左 右 煤 发 生 热 解 ， 高 于 ３００℃时 ， 开 始大量析出挥发分， 其中包括焦油成分。焦油形成约 于 ５５０℃结 束 ， 故 ５１０℃￣６００℃为 低 温 干 馏 的 适 宜 温 度 ［１］。 ２．２ 气流内热式炉简介
图 １ 为 处 理 煤 ３３ｔ／ｄ 的 热 解 炉 结 构 示 意 图［２］。该 炉 型 已 经 过 小 试 、中 试 和 工 业 性 试 验 ， 并 于 １９９３ 年 在 山 西 省 忻 州 市 建 成 了 规 模 为 年 转 化 原 煤 ３０ ０００ｔ 的 煤制气实验厂，其第三代炉已建成投产，运行良好。
２．１ 低温干馏简介 煤 在 隔 绝 空 气 条 件 下 ， 受 热 分 解 生 成 煤 气 、焦 油 、
粗 苯 和 焦 炭 的 过 程 ， 称 为 干 馏 。 加 热 终 温 在 ５００℃￣ ６００℃时 为 低 温 干 馏 。褐 煤 、长 焰 煤 和 高 挥 发 分 的 不 黏 煤等低阶煤， 适于低温干馏。
量回收已有技术成熟的干熄焦方法可以应用。 表 １ 中 热 量 Ｑ６、Ｑ７、Ｑ８ 三 者 均 存 在 于 焦 炉 导 出 的
荒 煤 气 中 ， 温 度 范 围 为 ６５０℃￣８００℃ （ 热 量 平 衡 计 算 时 以 ７５０℃ 计 ） 。 这 几 部 分 热 量 合 计 占 到 焦 炉 输 入 热 量 的 ３４．４％。荒 煤 气 导 出 后 ， 为 了 回 收 和 精 制 焦 油 、粗 苯 、氨 等 化 学 产 品 并 得 到 净 化 煤 气 ， 多 数 焦 化 厂 采 用 冷 却 冷 凝 的 方 式 析 出 焦 油 和 水 。由 焦 炉 来 的 粗 煤 气 经