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    蜂窩陶瓷蓄熱體在煤干餾過程中的應用
    瀏覽: 發布日期:2019-07-24
             對于蜂窩陶瓷蓄熱體,國外研究者大體有兩類觀點:一種觀點認為蜂窩陶瓷蓄熱體是一種物質,國外通常譯為“Thermal Mass”,即具有蓄熱能力的材料;另一種觀點認為它是材料的熱物性,表示材料的儲熱能力,類似于熱容量及導熱系數等參數。而國內一般取第一種觀點,即認為蜂窩陶瓷蓄熱體是具有蓄熱能力的材料的統稱。目前,蜂窩陶瓷蓄熱體應用于多個領域,但在煤干餾應用中尚無前例。
     
           我國煤炭資源極其豐富,發展煤的干燥、干餾和提質加工綜合利用,能有效緩解優質動力煤供應緊張的局面。因此,低階煤熱解提質迎來了一次良好的發展機遇。隨著煤和油頁巖干餾煉油技術的迅速發展,到目前為止,國內外研究開發出多種各具特色的煤干餾技術,有的處于試驗室研究階段,有的進入中試階段,有的已達到工業化階段。然而,現有煤干餾技術多為塊煤處理技術,需將粉煤加壓成型后才能進行干餾,為克服現有煤干餾技術存在的缺點,本項目采用以低階煤為原料開發處理10mm以下粉煤的內熱式回轉中低溫成套技術和氣體熱載體煤熱解工藝,但在項目具體實施試驗過程中,發現原工藝中以高溫煙氣作為干餾熱載體,影響副產物干餾煤氣的品質導致其無法實現利用價值,直接排放又會造成經濟損失和環境污染。針對此問題,公司參考高爐用蓄熱式熱風爐結構,在煤干餾工藝流程中加入蜂窩陶瓷蓄熱體熱風爐,通過改變熱載體形式以提高干餾煤氣的品質,減少環境污染。
     
    蜂窩陶瓷蓄熱體在煤干餾過程中的應用
     
    1、原煤干餾工藝及其存在的問題
     
           對低階煤進行提質加工,最科學和常用的方法之一就是熱解,即干餾。煤干餾是指煤在隔絕空氣的條件下加熱、分解,生成焦炭(或潔凈煤)、煤焦油及煤氣等產物的過程。按加熱終溫的不同,可分為高溫干餾(900-1 100℃)、中溫干餾(700-900℃)和低溫干餾(500-600℃)。高溫干餾的固體產物為結構致密的銀灰色焦炭,煤氣產率高而焦油產率低,主要用于生產冶金焦炭;低溫干餾的固體產物為結構疏松的黑色潔凈煤,煤氣產率低,焦油產率高,煤焦油比高溫焦油含有較多烷烴,是人造石油的重要來源之一。本項目采用中低溫干餾工藝,用低階煤干餾以獲得主產物煤焦油和副產物干餾煤氣。
     
          本項目采用的是內熱回轉式中低溫干餾熱解爐。煤干餾過程:煤氣和純氧在熱風爐里燃燒得到1100℃的高溫煙氣,高溫煙氣作為熱載體進入干餾熱解爐,把煤粉加熱到干餾溫度(500-700℃)后得到干餾混合氣,然后經過洗滌塔的除塵收油,最終得到干餾產品。
     
          通過開工試驗發現,干餾過程最終只能得到主產物煤焦油,而副產物干餾煤氣品質低,無法作為煤氣燃料或產品利用,只能進行排放,造成了極大的經濟損失和環境污染。其次,煤氣和純氧燃燒工藝不合理,實際過程控制比較困難,存在一定的安全隱患,容易引發爆炸。
     
    2、解決方案
     
           通過分析得出,副產物干餾煤氣品質過低(熱值低)的主要原因是其CO2含量較高,而大量的CO2是由高溫煙氣作為熱載體帶入干餾系統的,CO2的帶入改變了干餾煤氣成分。因此,高溫煙氣不是一種理想的熱載體。
     
           針對該問題,公司提出將煤氣與純氧燃燒改為煤氣與空氣燃燒,方案改變后基本能達到同樣的燃燒效果,且空氣燃燒技術更加成熟、控制容易、過程安全。對于熱載體的改變,受到高爐煉鐵工藝的啟發,創新性地提出在煤干餾過程中加入蜂窩陶瓷蓄熱體,將原高溫煙氣熱載體更換為循環煤氣熱載體。如此,干餾過程中高溫煙氣只提供熱量給蓄熱體,不再進入干餾爐,避免了CO2進入煤干餾系統。高溫蓄熱體一方面將熱量傳遞給循環煤氣,另一方面使循環煤氣無氧燃燒(高溫氧化),氧化過程只產生CO。高溫循環煤氣作為干餾熱載體,解決了干餾煤氣中CO2含量過高的問題,提高了干餾煤氣的品質。
     
           加入蓄熱式換熱爐后的煤干餾過程。煤氣與空氣在熱風爐中燃燒產生1100℃的高溫煙氣,高溫煙氣將蓄熱體加熱到800-900℃,降溫后的煙氣進入換熱器進一步放熱,使循環煤氣預熱。高溫蜂窩陶瓷蓄熱體將另一端進入的循環煤氣加熱,并發生高溫氧化反應,循環煤氣出蓄熱體時溫度達到800℃左右,然后作為干餾熱源進入干餾熱解爐。干餾得到的混合干餾氣經過洗滌塔的除塵洗滌,最終得到主副產品。此時,大部分干餾煤氣作為產品產出,少部分繼續返回蓄熱體循環。
     
    3、蓄熱體選材
     
          蓄熱式換熱爐的關鍵結構是蓄熱體,目前我國在熱風爐中常用的蓄熱體主要包括球式蓄熱體和蜂窩陶瓷蓄熱體。球式蓄熱體主要指耐火小球,爐內傳熱現象屬于變溫介質不穩定態綜合傳熱,不適用于本項目。蜂窩陶瓷蓄熱體是目前被廣泛認同和接受的一種具有熱交換能力強、蓄熱面積大、通氣順暢及阻力小等諸多優越熱工特性的載熱蓄熱體。因此,本項目選擇蜂窩陶瓷蓄熱體作為蓄熱式換熱爐的蓄熱體材料。
     
          蓄熱式換熱爐所用的蜂窩陶瓷蓄熱體可分為菫青石和莫來石兩類。由于菫青石蜂窩陶瓷蓄熱體具有結構穩定性好、格孔變形錯位少、正常生產條件下流體阻損變化小、燃燒率穩定、在熱負荷一定時蓄熱室磚重小、體積小以及成本低等優點,因此,本項目最終選用菫青石蜂窩陶瓷蓄熱體。
     
           為滿足高爐對1250℃以上高風溫的需求,解決傳熱面積和蓄熱體積偏小、熱交換能力不足的難題,決定選用60×60菫青石蜂窩陶瓷蓄熱體以提高換熱爐的熱交換率。其參數:規格150*150*300,壁厚0.5mm,比表面積1315m2/m3,孔隙率70%,重量680kg/m3。
     
    4、蓄熱式換熱爐設計
     
          蓄熱式換熱爐的具體結構:爐膛中間是格子磚堆砌的蓄熱體結構,周邊分別是高溫煙氣入口N2、低溫煙氣出口N4、低溫循環煤氣入口N3和高溫循環煤氣出口N1。蓄熱式換熱爐為間歇循環式工作,先關閉N1和N3口,打開N2和N4口,高溫煙氣從N2進入爐內并加熱蜂窩陶瓷蓄熱體,然后從N4排出。當煙氣完全排出時關閉N2和N4口,打開N1和N3口,低溫循環煤氣從N3口進入,被高溫蓄熱體加熱,然后從N1口排出。此時,蜂窩陶瓷蓄熱體的熱量已被循環煤氣帶走,溫度降低,由此一個循環結束,進入下一個循環。由于煤干餾過程要求熱載體溫度恒定且連續,而單臺換熱爐間歇式運行并不能保證工藝要求,所以采用雙蓄熱式換熱爐并聯工作的方式,工作流程如圖5所示。蓄熱體換熱爐由并聯的兩個爐子通過耐熱閥實現交錯切換,從而保證進出口流體的連續。高溫煙氣排出蓄熱體后,還可以利用剩余熱值預熱低溫循環氣,如此不斷循環,使高溫流體間接加熱低溫流體,實現換熱。
     
      針對原煤干餾工藝存在的問題,我公司進行了優化改造。創新性地加入蓄熱式換熱爐,應用蜂窩陶瓷蓄熱體改變了熱載體形式,間接把高溫煙氣的熱量傳遞給循環煤氣。用循環煤氣作為熱載體,避免了把CO2代入系統,因此提高了干餾煤氣的熱值。干餾煤氣品質提高后,可作為副產品或燃料使用,增加了經濟和環保效益。同時,將純氧燃燒改為空氣燃燒,使煤干餾過程更加安全可靠。
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