两段炉的干馏段设计、适用条件和性能评价

Ｉ制造工程设计ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓ泖

【文章编号】１００７—９４６７（２００６）０９—００７４—０６

两段炉的干馏段设计、适用条件和性能评价

■朱大钧（中元国际工程设计研究院，北京１０００８９）

【摘要】阐述了两段炉气化原理和干馏段设计的特点，通过计算分析得出单纯内热式与内外并热式两段炉的差别。两段炉的适用条件取决于原料煤种、用户对煤气的质量要求以及环境保护的要求等因素。对于两段炉的性能评价，一是性能参数，二是干馏段下方提取出的半焦的工业分析数据，三是两段气化工艺整体系统的综合性能，应该达到设备配套合理、酚水浓缩无排放、能源利用率高的效果。【关键词】两段炉；煤气化；干馏；性能评价【中图分类号】ＴＱ５４５；ＴＱ５４２．６【文献标志码】Ａ

ＤｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎＺｏｎｅＰｌａｎｎｉｎｇ，ｕｓｅａｂｌｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｐｐｒａｉｓｉｎｇｏｆａｔｗｏＳｔａｇｅ

ＧａｓｉｆｉｅｒＺＨＵＤａ－ｊｕｎ

（ＣｈｉｎａＩＰＰＲｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８９，Ｃｈｉｎａ）

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｅｘｐｏｕｎｄａｓｐｅｃｉａｌｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｗｏｓｔａｇｅｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓａ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｉｎｔｅｒ

ｈｅａｔｉｎｇｓｔｙｌｅａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒ／ｏｕｔｅｒｈｅａｔｉｎｇｓｔｙｌｅｔｗｏｓｔａｇｅｇａｓｉｆｉｅｒ．

Ｔｈｅｕｓｅａｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆａｔｗｏｓｔａｇｅｇａｓｉｆｉｅｒｉｓｄｅｐｅｎｄｏｎｔｈｅｔｙｐｅ

ｏｆｃｏａｌｂｅｉｎｇｕｓｅｄ／ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙ

ｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｇａｓｆｏｒｕｓｅｒａｎｄｔｈｅ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｆｏｒｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｐｐｒａｉｓｉｎｇｔｏ

ａ

ｔｗｏ

ｓｔａｇｅａｇｓｉｆｉｅｒ：１）ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄａｔａ２）ｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆ

ｔｈｅｓｅｍｉ—ｃｏｃｋｐｉｃｋｅｄｕｐｆｒｏｍｂｏｓｏｍｏｆａｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｚｏｎｅ．３）ａ

ｇｏｏｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｔｗｏｓｔａｇｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｈｏｕｌｄｂｅｔｈａｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｃｈｏｉｃｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ／ｔｈｅ

ｐｈｅｎｏｌｉｃｗａｔｅｒｉｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄａｎｄｎｏｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ／ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｎｅｒｇｙｂｅｉｎｇｕｓｅｄｉｓｈｉｇｈｅｒ．７４

［Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｔｗｏｓｔａｇｅｇａｓｉｆｉｅｒ；ｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｐｐｒａｉｓｉｎｇ

１干馏段的设计连续鼓风的固定床两段煤气发生炉与普通单段发生炉的最显著的区别是在煤气炉的气化段上方增加一个干馏段。白上而下加入到炉中的煤要先经过干馏段，在其中首先完成干燥和干馏反应过程，进而再以干馏后形成的半焦炭落入下方的气化段，半焦的气化和燃烧则在气化段完成。干馏的目的在于更合理的利用固体燃料所含的有机成分。进行干馏的结果，使固体燃料中的有机成分分解为分子较为简单的各种挥发产物以及含碳量增高了的固体残留物——焦炭。固体燃料经过干馏能够得到怎样性质的产品？这些产品的产率又是多少？则要根据干馏所用原料性质及干馏所采用的条件（主要是加热条件）来决定。两段炉干馏段的设计和制造使用是经过了长期的实践发展而逐步完善的。根据前苏联Ｈ．Ｂ．施沙可夫著的《可燃气体生产原理》的介绍，早期带有低温干馏段的煤气发生炉具有两种结构形式，一种是只有一个上部煤气出口，这种炉型只能适用于燃料中水分含量比较高的情况；另一种是有上部和下部两个出口，这种炉型可以通过炉外装置调节上下部出口煤气的比例适应不同的水分含量的燃料之气化。但是这种炉型的气化层产生的气体的一部分

万方数据是以内热方式对干馏段的燃料进行干馏，而气体的另一部分则在较高温度下就从下部出口离开了炉体，未对干馏段产生作用。目前我国运行的两段式煤气发生炉中亦有类似炉型，尽管有的在下段煤气出口方式上稍加改进，但其仍不具有干馏段内阁墙及隔墙孔道，也不具有环形围墙孔道，干馏段的对外散热热损失还是完全由上段煤气承担，所以可认为该炉仍是一种单纯内热式干馏的炉型。这种炉型在国内有代表性的是从意大利引进的Ｉ、Ｇ、Ｉ的两段炉和我国在１９８８年以前设计的炉型。另外一种可以认为是内外并热式干馏的两段炉，这种炉型的下段煤气出口一直升高到干馏段的上沿，气化煤气的一部分经过干馏段的内部隔墙孔道或内部中心钢管和干馏段围墙内的孔道对整个干馏段释放出～定的热量，并承担了干馏段对炉外的散热损失后，才以相对低的温度离开炉体。这种炉型的代表有我国引进的英国Ｗｅｌｌｍａｎ炉，法国Ｌ、Ｇ、Ｉ炉、南非Ｓｔｏｉｃ炉和我国设计的Ｄ３．０—８８型两段炉及其系列产品。当然根据炉子的大小还有～些炉型只有围墙孔道和中心钢管，甚至还有的有中心钢管而无隔墙孔道，尽管品种较多，但基本上可以归纳为一种是单纯内热式干馏段，一种是内外并热式干馏段。本文就将这两种干馏段进行热量试算。用于两段式煤气发生炉的燃料，目前以大同煤居多，另外辽宁阜新煤、内蒙古东胜煤、黑龙江东宁煤、河南义马煤也有使用。本试算以大同十级中块（全水分７％）为例。按照ＧＢ１３４１。７７《煤的管式低温试验方法》修正大同煤铝甄分析结果，取数据如下（重量％）：热解水：５％；焦油产率：８％；半焦产率：８１％；煤气产率：６％为简化计算，设定煤气的产量为（以ｍｋｇ煤计）：气化煤气总产量３．Ｏｍ３（标准状态下）；干馏煤气产量Ｏ．１ｍ，（标准状态下）；设气化煤气有石ｒｎ３（标准状态下）进入干馏段内层；则上段出口煤气量＝Ⅸ＋０．１Ｘｍ３（标准状态下）；下段出口煤气量＝３．０．Ｘｍ３ｆ标准状态下）。型搏臻蚓ＭａｍｔｆａｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓ伽Ｉ１．１单纯内热式干馏段热量试算设热量输入方的状态为：入炉煤的温度２０。Ｃ，气化煤气进入干馏段温度７００。Ｃ。１）入炉煤：热容１．３０（ｋＪ／ｋｇ・℃）ｇｌ＿１．３０ｘ２０＝２６（ｋＪ）２）Ｘｍ３（标准状态下）的气化煤气，热容１．３８

（ｋＪ／ｍ３℃１３）Ｘｍ３（标准状态下）气化煤气的水蒸汽：１００＂Ｃ蒸汽热容为２６７１（ｋＪ／ｋｇ）：１００。Ｃ～７００。Ｃ蒸汽平均比热１．９６（ｋＪ／ｋｇ・℃）输入总热量为：Ｑｉ＝２６＋９６６Ｘ＋１７３．１２Ｘ＝２６＋１１３９．１２Ｘ（ｋＪ）设热量输出方的状态为：煤气、蒸汽温度１２０℃，半焦从干馏段下方排出的温度６５０℃。①原料煤中的水分生产蒸汽，在１２０。Ｃ下的热含２７００．３（ｋＪ／ｋｇ）：ｑｔ＝２７００．３ｘＯ．０７＝１８９．０２（１１）②煤的热解水生成蒸汽：

ｑ２＝２７００．３ｘＯ．０５＝１３５．０２（１１）③ｘｍ３（标准状态下）气化煤气中水蒸汽：ｑ３＝２７００．３ｘＯ．０４５Ｘ＝１２５．１Ｘ（１（Ｊ）④煤气中的焦油：焦油的潜热４１８（１１／ｋｇ），热容２．０９（ｋＪ／ｋｇ・℃、ｑ４－－－－（４１８＋２．０９×１２０）ｘＯ．０８＝５３．５（∽⑤干馏煤气：热容为２．５１ｋＪ／ｍ３℃（标准状态下）ｑ５＝２．１５×１２０ｘＯ．１＝３０．１２（１ｔ）⑥Ｘｍ３＂Ｃ（标准状态下）℃气化煤气：热容１．３４ｋＪ／ｍ３℃（标准状态下）口产１．３４ｘ１２０×Ｘ＝１６０．８ｘ（１１）⑦半焦：６５０。Ｃ半焦的热容１．３８（ｋＪ／ｋｇ・℃）口７＝０．８１ｘ６５０ｘ１．３８＝７２６．５７（ｋＪ）⑧散热损失：根据有关资料和生产经验，散热

损失大致相当于输入总热量的３％～５％，取较低数值３％计：ｑｓ＝Ｑｌ×３％输出总热量为：Ｑｏ＝ｌ１３４．２３＋２８２．３Ｘ＋Ｑｉ×３％用Ｑｏ＝Ｑｉ解出Ｘ：万方数据Ｉ制造工程设计Ｉ胍咖Ｉ啪西硒Ｍｅ矗昭如匆Ｉ

Ｘ＝Ｉ．３５ｍ３（标准状态下）结果表明，单纯内热式干馏段两段炉的气化煤气要有１．３５ｍ３（标准状态下）进入干馏段，占气化煤气总量的４５％，上段煤气合计１．４５ｍ３（标准状态下）占两段炉煤气总产量的４７％。１．２内外并热式干馏段热量试算因热量出方中不会有干馏段内层向炉壳外的直接热损失⑧’，而入方则增加了干馏段外层即一部分气化煤气途经干馏段内隔墙孔和围墙时对于内层的间接给热量④’。设④’是由气化煤气的一部分（３－Ｘ）ｍ３（标准状态下）煤气以７００。Ｃ进入孔道并以５８０。Ｃ于下段煤气出口排出的过程对干馏段的给热。这股热气所给出总热量由两部分组成：１）３－Ｘｍｓ（标准状态下）气化煤气：ｇｆ（３堵）×１．３８：，＜（７００—５８０）＝４９６．８—１６５．６Ｘ（ｋＪ）２）煤气中的水蒸汽：ｑ６－０．０４５ｘ（３－ｘ）（７００—５８０）×１．９６＝３１．７５－１０．５８Ｘ（ｋＪ）这股煤气的平均温度较高，散热损失也要大一些，设ｇａ＋ｇ。的１５％作为热量损失，８５％作为④’向干馏段给热：ｑ４＝（５２８．５５—１７６．０８Ｘ）ｘ８５％＝４４９．２７－１４９．６７Ｘ（ｋＪ）至此，可得出总的热量输出方：Ｑｏ＝ｌ１３４．２３＋２８２．３ｘ（Ｕ）总的热量输入方：Ｑ；＝２６＋１１３９．１２ｘ＋４９．２７—１４９．６７ｘ２４７５．２７＋９８９．４５Ｘ（ｋＪ）用ｑｏ＝Ｏ，解出ｘ：Ｘ＝６５８．９６＋７０７．１５＝０．９３ｍ３（标准状态下）结果表明，内外并热式干馏段两段炉，气化煤气要有０．９３ｍ３（标准状态下）进入干馏段内层，占气化煤气总量的３１％，上段煤气产量１．０３ｍ３（标准状态下）占两段炉煤气总产量的３３％。从以上试算可知，当使用含水量为７％的烟煤用于两段炉气化时，单纯内热式炉的上下段煤气比例几近１：ｌ，而内外并热式的比例约为１：２。在实际生产中，原料煤种的含水量会因进厂煤的产地、７６质量、气候等条件影响经常变动，尤其是使用长焰煤或年老褐煤时，其全水分均常高于以上计算所用的数据。在这种情况下，内外并热式干馏段两段炉的优点即上下段煤气比例差距大、调节方便，就为煤气的正常生产创造了先决条件。其表现为：需要增加进入干馏段内层的气量，以供给煤炭中水分的蒸发，且保持上段煤气出口的温度在１２０。Ｃ。同时，间接给热用的下段煤气的出口温度有所降低、气量减少。这种炉型在低负荷生产时，间接给热的下段煤气也会由于气量减少，对外散热的损失相对增加而表现为出口温度偏低。单纯内热式干馏段两段炉，由于其下段煤气的近５０％（煤中水分若再高，则此比例将会更高）要进入干馏段内，使得上段煤气量相对较大，需配置较大的电除焦油器和较大的煤气间接冷却器。而此种炉型，未进入干馏段内的那部分下段煤气没有对干馏段给热，只是向炉外散失部分热量后就在７００℃～６５０℃的温度下离开炉体进入冷却设备，实际上造成了能源利用率的下降，所以这种炉型的下段煤气的出口温度就不会像内外并热式炉那样，随着生产负荷的变化和煤种的变化而有较大的改变，其下段煤气出口温度总会很高。在低负荷生产时，由于干馏段的散热损失相对增加，气化煤气中进入干馏段内的那部分煤气就需要更多。我国设计的Ｄ３．０．８８型两段炉及其系列产品Ｄ２．４ｍ，Ｄ２．０ｍ的两段炉均采用了内外并热式干馏段结构。当然，本文只是尝试着用热量衡算来进行一些分析并不是干馏段设计的全部内容。同样是属于内外并热式干馏段的两段炉，也会由于干馏段的结构设计，传热设计等方面的优劣而具有明显的差别。