述 评

中低温热解煤气热量清洁利用技术途径分析与策略建议

王 岩1,2,3,白效言1,2,3,袁 殷4

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院,北京 100013;2.煤炭科学研究总院 研究生院,北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013;4.中国环境科学研究院,北京 100012)

摘 要:高温含焦油热解煤气携带大量显热与潜热,该部分热量高效回收利用对于整个工艺系统能效提升至关重要。为促进中低温热解过程余热资源高效回收利用,分析了激冷工艺、废热锅炉余热利用等中低温热解煤气冷却与余热利用方式的主要技术特点及不足;阐述了初冷器上段余热回收、循环氨水余热回收、上升管余热回收等高温热解煤气热量利用技术现状与特点。分析了含焦油高温热解煤气冷凝过程中焦油黏附问题、低温低压煤气热量捕捉与高效利用等中低温热解煤气热量回收利用过程中的主要技术难点。基于该技术难点及前期相变换热技术研究积累,以含焦油热解煤气冷凝-传热特性为科学基础,提出了热解煤气分级冷凝与相变换热相耦合的能量梯级回收利用一体化技术。即以焦油蒸汽不同组分露点差异与析出特性为基础,形成基于温度梯度的热解煤气分级冷凝工艺技术,逐级回收热解煤气所含热量,并实现不同馏程焦油产物在线分质回收;同时耦合复合相变换热技术,换热介质与热解煤气分级逆流换热,针对性回收热解煤气显热及低品位热解煤气潜热,实现含油热解煤气分级冷凝与热量梯级回收利用一体化,从而达到热解系统热效率与产品品质提升的双重效果。以100万t/a流化床热解工艺为例,提出了中低温热解煤气热量回收技术路线并进行了热量衡算。结果表明:该技术路线中低温热解煤气热量利用率可达到81.17%,初步显示了其可行性。高效回收利用热解过程中的余热资源将是资源节约、环境友好热解产业发展的主要方向和潜力所在。

关键词:中低温热解;煤气余热;分级冷凝;相变换热

中图分类号:TQ52

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)04-0001-07

收稿日期:2019-02-28

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19022801

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB0605000)

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作者简介:王 岩(1987—),男,辽宁岫岩人,助理研究员,博士研究生,主要从事煤炭焦化及热解技术研究。E-mail:wy7894492@163.com。

通讯作者:袁殷,工程师。E-mail:yuanyin@craes.org.cn

引用格式:王岩,白效言,袁殷.中低温热解煤气热量清洁利用技术途径分析与策略建议[J].洁净煤技术,2019,25(4):1-7.

WANG Yan,BAI Xiaoyan,YUAN Yin.Approach analysis and strategy suggestions for clean utilization technology of medium and low temperature pyrolysis gas heat[J].Clean Coal Technology,2019,25(4):1-7.

Approach analysis and strategy suggestions for clean utilization technology of medium and low temperature pyrolysis gas heat

WANG Yan1,2,3,BAI Xiaoyan1,2,3,YUAN Yin4

(1.Coal Chemistry Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Graduate School of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources,Beijing 100013,China;4.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China)

Abstract:High temperature tar-containing pyrolysis gas carries a large amount of sensible heat and latent heat,and the efficient heat recycling of this part is crucial for the energy efficiency improvement of the whole process.In order to promote the efficient recycling of residual heat resources in the medium and low temperature pyrolysis process,this paper reviewed the main technical characteristics and shortcomings of the cooling and waste heat utilization methods of medium and low temperature pyrolysis gas,such as waste heat utilization from chilling process and exhaust heat boiler.This paper also summarized the research status and characteristics of high-temperature pyrolysis gas heat utilization technology,including waste heat recovery in the upper part of the primary cooler,circulating aqueous ammonia and upward pipes.The main technical difficulties in the process of heat recycle from medium and low temperature pyrolysis gas,such as tar adhesion happened in condensation process of tar-containing high temperature pyrolysis gas,low-temperature and low-pressure gas heat capture and efficient utilization,were also analyzed.Based on the technical limitations and the phase-change heat transfer technologies,took the condensation-heat transfer characteristics of tar-containing pyrolysis gas as the scientific basis,an integrated technology coupling pyrolysis gas multi-stage condensation and phase-change heat transfer for energy cascade recovery and utilization was proposed.Based on the dew point difference and precipitation characteristics from different components of tar steam,such technology forms a temperature gradient-based classifying and condensation process of pyrolysis gas,recycles the heat contained in pyrolysis gas step by step,and realizes on-line quality recovery of tar products in different distillation ranges.At the same time,it takes advantages of coupling and composites phase-change heat transfer technology,the heat transferring medium and pyrolysis gas implementes classifying and counterflow heat transfer,purposefully recycled sensible heat from pyrolysis gas and latent heat from low-grade pyrolysis gas,to achieve the integration of grading condensation and heat cascade recycling of oil-containing pyrolysis gas,thereby to achieve the dual effects of heat efficiency and product quality improvement of the pyrolysis system.Taking 1 million t/a fluidized bed pyrolysis process as an example,the heat recovery technical route of medium and low temperature pyrolysis gas was proposed,and the heat balance was calculated.The results indicate that an 81.17% heat utilization rate of medium and low temperature pyrolysis gas could be achieved in this technical route,which shows its feasibility initially.The efficient recycling of residual heat resources in the pyrolysis process will be the main direction and potential of resource-saving and environment-friendly pyrolysis industry development.

Key words:medium and low temperature pyrolysis;gas waste heat;multi-stage condensation;phase-change heat transfer

0 引 言

我国能源结构为富煤、贫油、少气。采用中低温热解方法从煤中提取油气和化学品将大幅度提高煤炭的资源化利用水平和综合利用价值,缓解我国油气供应不足并有利于改善大气质量,是煤炭高值化清洁利用的主要发展方向之一[1]。20世纪90年代中期后,石油资源的广泛使用导致国外热解技术开发处于停滞状态;我国从20世纪80年代开始发展热解技术,目前基础研究、技术开发和工艺放大等已世界领先,为低阶煤高效合理利用提供了重要技术保证[2]。除传统直立炉热解外[3],新型热解技术至今仍未实现商业化成熟运行。究其原因,除焦油粉尘分离困难、单体装置大型化受阻等技术本身原因外,热解全流程经济性、能效也是制约其大规模推广的关键因素[4]。热解装备出口荒煤气温度可达600~700 ℃,有的甚至更高[5],高温含焦油热解煤气携带大量显热与潜热,现有直接喷淋冷凝焦油工艺不仅产生大量含酚及氨氮等有害物质废水,更无法高效回收荒煤气中的大量热能。该部分热量的科学回收与利用对于煤热解系统整体能效和经济性提升至关重要,已逐步引起重视[6]。国家科技部“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项2018年度项目申报指南2.5中明确指出:“开发高温热解气的净化分离和能量梯级利用技术”。面对全球资源能源日益紧张的严峻形势,低阶煤热解技术不仅要进一步发挥好煤炭资源分级分质利用的独特优势,更要充分重视能源转化过程中系统能效的提升[7]。高效回收利用热解过程中的余热资源将是资源节约、环境友好热解产业发展的主要方向和潜力所在[8-10]

1 中低温热解煤气热量利用技术

目前,中低温热解煤气的冷却主要有2种方式:一是激冷工艺,即对高温煤气直接喷淋氨水等液体进行冷却;二是煤气经废热锅炉换热生产蒸汽[11]。其中,煤气激冷工艺不仅难以实现热解煤气热量高效回收利用,由于洗涤水和煤气直接接触产生洗涤污水且处理困难,又带来严重的环境污染,不利于焦油产品的在线分质回收,极大制约了低阶煤热解系统整体能效提升及产品高值化利用。在煤气出口管道上增设废热锅炉的冷却方式主要以高温过热蒸汽或高温导热油作为冷却介质,在换热器里与荒煤气间接换热,加热后的水在汽包里闪蒸生产低压饱和蒸汽,可回收荒煤气显热达35%;但在煤气中焦油和粉尘的影响下,该种方式存在换热效率急剧下降的问题,导致后续系统运行安全性降低。此外,以高温过热蒸汽为工作介质需要外来热源或外来高温蒸汽,增加了系统复杂性和外部条件要求;而以高温导热油为冷却介质的方法则大幅度增加系统复杂性、成本与安全防范要求。

目前关于低阶煤中低温热解煤气热量利用研究的报道较少。陈静升等[12]初步设想利用N2惰性气体作为冷却介质回收利用高温半焦携带显热,循环氮气在干熄焦炉内与热解半焦充分接触后,温度升高至476 ℃,随后进入间壁式换热器进行余热回收,回收热量可用于生产蒸汽或其他工段热量回收,从间壁式换热器输出的循环氮气温度降低至35 ℃。赵玉良等[13]研究了一种直立折线型高温热解气冷却及余热回收装置,主要在由多个直立段壳体和倾斜段壳体上下串联而成的直立折线型壳体中设置多级换热管束,以冷却水为换热介质,在一套系统内实现余热回收和焦油冷凝回收。王勤辉等[14]利用以饱和蒸汽为冷却介质的过热器对通入冷却余热回收器的含油高温热解气进行一次冷却,并利用过热器输出的高温蒸汽加热低温给水成为饱和水作为冷却介质;利用饱和水为冷却介质的饱和水蒸发受热面对一次冷却后的含油高温热解气进行二次冷却。

2 高温热解煤气热量利用技术

高温热解即焦化,属于传统煤化工范畴,整体工艺技术成熟,已有上百年商业化运行经验。为冷却高温荒煤气,焦化工艺普遍采用喷洒大量70~75 ℃循环氨水来降低荒煤气温度,然后进入后序化学产品回收工段。高温热解荒煤气所携带热量约占焦炉输入总热量的36%[15],目前焦化行业回收荒煤气余热主要采用上升管余热回收、循环氨水余热回收、初冷器上段余热回收等3种方式[16]

2.1 高温热解煤气上升管余热回收技术

焦化过程产生的荒煤气首先通过上升管导出,常规工艺为在上升管桥段喷洒氨水以降低荒煤气温度,再经初冷器冷却至23 ℃左右。该技术路线不仅浪费了大量高品位热能,还需大量氨水和水资源,增加了电力消耗和污水处理的负担;同时由于高温热应力导致上升管变形及腐蚀等,上升管需不定期更换。近年来在节能减排和市场效应的驱动下,上升管荒煤气余热的利用逐步受到重视。上升管余热回收是指通过上升管换热器将荒煤气显热传递给水,与中低温热解煤气经废热锅炉换热生产蒸汽类似,被加热的水在汽包里闪蒸制取低压饱和蒸汽。该技术特点是可将荒煤气显热转化为蒸汽,但回收余热量有限,一般经余热回收利用后的荒煤气温度仍达450~500 ℃。上升管余热回收技术原理如图1所示。学者先后开发并实践了夹套、导热油、热管等多种上升管余热利用技术,但存在上升管漏水漏汽、焦油和石墨吸附、效率低、寿命短、安全性差、故障时对焦炉的影响较大等问题[17]

图1 上升管余热回收技术原理
Fig.1 Principle of waste heat recovery technology of riser

可见,上升管余热回收技术需合理设计上升管内侧管壁与传热器件之间的结构关系,同时兼顾桥管段的二次换热,使粗煤气上升管余热回收吸热装置既具有上升管输送高温粗煤气的功能,也具有能量回收的功能,在保证正常炼焦制气生产工艺和安全生产的前提下,最大限度地利用焦炉粗煤气余热产生蒸汽[18]

2.2 高温热解煤气循环氨水余热回收技术

焦化过程产生的荒煤气在桥管处经循环氨水喷洒降温,吸热后的循环氨水温度升至80 ℃左右,故循环氨水中蕴含大量显热,循环氨水的余热可用于发电、采暖、预热锅炉给水和溴化锂制冷,还可代替蒸汽用于煤气初冷器、捕焦油器、鼓风机等的冷凝液排出管、水封槽等保温和清扫。当前主流循环氨水余热回收技术是指以循环氨水为热源,驱动溴化锂制冷机制备工艺冷水,在不影响原工艺条件下,可实现循环氨水释放的热量与制冷水所取冷量完全匹配,无需加入其他蒸汽或热水进行补充。主要工艺流程为:循环氨水槽中的循环氨水直接通过循环氨水泵泵入溴化锂吸收式制冷机,经溴化锂吸收式制冷机处理放热后再通过循环氨水泵泵入桥管进行循环;吸收了循环氨水显热的制冷机组,将泵入的21~25 ℃密闭循环冷却水降温至12~18 ℃,送入初冷塔和终冷塔用于煤气降温,从而实现高温热解煤气热量的间接回收[19-20]。该技术的特点是系统简单、回收热量大、极大改善运行工况。高温热解煤气循环氨水余热回收的技术关键在于解决循环氨水的腐蚀、堵塞、换热等问题,实现长周期稳定运行。循环氨水余热回收技术原理如图2所示。

图2 循环氨水余热回收技术原理
Fig.2 Principle of waste heat recovery technology of circulating ammonia

2.3 高温热解煤气初冷器上段余热回收技术

高温热解煤气在桥管经高压氨水喷洒初步冷却后,要继续经过初冷器进行冷却。初冷器是焦炉煤气冷却设备,将来自焦炉的78~82 ℃的煤气冷却至23 ℃左右,冷却过程中,煤气中各组分放出大量的潜热与显热,被中低温循环水带走,造成了能量浪费,不符合焦化行业节能减排、低碳绿色发展要求[21-22]。初冷器上段余热回收是指通过三段式横管初冷器的上段进行煤气热量回收而制取热水,热水温度可达69~75 ℃。夏季可作为吸收式制冷机的热源,冬季可作为供暖热源或工艺加热的热源。该技术的特点是系统简单、技术成熟,但受初冷器面积限制所回收热量较小;此外,该工艺需对低温热水水质进行良好管理才能保证系统安全稳定,增加了运行费用及操作难度。初冷器上段余热回收技术原理如图3所示。

图3 初冷器上段余热回收技术原理
Fig.3 Principle of waste heat recovery technology in the upper part of the primary cooler

初冷器上段余热回收的主要缺陷在于:高温段用中温水冷却,增加了中温水冷却过程中的水耗和电耗,造成了能源浪费;中温段温度达38~40 ℃的循环水出水经凉水架而散失热量,造成能源浪费,增加水耗;低温段所需低温水需制冷机制取,既消耗能源,又排放大量二氧化碳等气体。可见,该种余热回收方式要充分考虑技术经济性[23]

3 中低温热解煤气热量回收利用技术途径

3.1 主要技术难点及解决思路

气体热量回收利用一般须通过间接换热方式实现。由于热解荒煤气中蕴含大量焦油蒸汽,随着系统温度下降,焦油蒸汽将逐渐冷凝黏附于管道内壁,降低了系统换热效率,随着时间推移产生管道堵塞风险[24]。因此,中低温热解煤气热量回收利用过程的主要技术难点之一是:含焦油高温热解煤气冷凝过程中的焦油黏附问题[25-26]。经测算,300 ℃以下煤气热量占热解煤气总热量的一半以上,但由于热源温度低、传热温差小,常规换热介质对300 ℃以下低品位热量回收难度大,难以实现该部分煤气热量的高效回收利用,故低温低压煤气热量捕捉与高效利用成为中低温热解煤气热量利用过程的又一技术难点[27-28]

解决中低温热解煤气热量回收利用技术难点的关键在于不同组分焦油按馏程冷凝、不同品位热量分质回收以及二者之间的匹配调控[29-31]。煤炭科学技术研究院有限公司基于前期对相变换热技术的研究,以含油热解煤气冷凝-传热特性为科学基础,提出了中低温热解煤气分级冷凝与相变换热相耦合的能量梯级回收利用一体化技术,即以焦油蒸汽不同组分露点差异与析出特性为基础,形成基于温度梯度的热解煤气分级冷凝工艺技术,逐级回收热解煤气所含热量,并实现不同馏程焦油产物在线分质回收;同时耦合复合相变换热技术,换热介质与热解煤气分级逆流换热,针对性回收热解煤气显热及低品位热解煤气潜热,实现含油热解煤气分级冷凝与热量梯级回收利用一体化,从而达到热解系统热效率与产品品质提升的双重效果。该技术方案中,通过在冷凝器壁涂覆一层自主研发的高分子防黏附涂层,解决了焦油蒸汽冷凝黏附器壁而影响传热的问题,已完成实验室研究工作,效果良好,初步验证了其可行性;相变换热技术是近年来低品位余热回收所用换热介质的研究热点,该技术主要利用换热介质相变过程潜热较大、相变温度恒定等独特优势而实现低品位余热的高效回收,煤炭科学技术研究院有限公司已针对性开发出高效回收300 ℃以下热解煤气热量的有机无机复合相变换热介质,通过实验室研究验证了其可行性。但工程实践中分级冷凝换热负荷的实时、精准调控技术还需进一步验证与优化。

3.2 中低温热解煤气热量利用技术路线

基于中低温热解煤气分级冷凝—相变换热热量回收利用技术,本文以100万t/a流化床热解工艺为例提出中低温热解煤气热量回收利用技术路线,如图4所示。

该技术路线的整体工艺流程为:① 流化床热解炉出口600 ℃荒煤气进入一级相变换热器(内含相变换热介质、管道壁涂附防焦油黏附涂层)换热冷却,降温至350 ℃,50%焦油冷凝成流动性较好的液相,相变式换热器产生高品位蒸汽,用于整体工程的干燥、热解、燃烧、发电等工段;② 350 ℃荒煤气进入二级相变式换热器,降温至80 ℃以下,冷凝出焦油、热解水及冷煤气,相变式换热器产生0.3 MPa低压蒸汽,连接低温余热发电技术,将部分热量转化为电能;③ 发电后产生的湿蒸汽进入一级相变式换热器,进行再加热,产生高温高品位蒸汽,再用于整体工艺系统;④ 系统产生的低温蒸汽,可部分补充至低温余热发电机组进行发电,实现高温蒸汽—低温蒸汽—发电—再热—高温蒸汽的循环利用,提高整个系统的热量利用效率。该技术路线中各部分的基本物性参数设定值见表1,一级和二级系统热量分布计算结果见表2和表3。可知采用该技术路线,中低温热解煤气热量回收利用率可达到81.17%。

图4 中低温热解煤气热量利用技术路线
Fig.4 Heat utilization technology schematic of medium-low temperature pyrolysis gas

表1 基本物性参数及说明
Table 1 Basic physical parameters and description

项目基本参数及说明Q1煤气温度600 ℃煤气组成(15% H2、20% CH4、5% CO、5% CO2、3% N2、50% H2O、其他2%)煤气流量6万Nm3/h、焦油冷凝量10 t/hQ2350 ℃相变冷却的液相焦油,继续降温至200 ℃外排,一级冷却热吸收效率按95%计Q3系统用高品位蒸汽(0.5 MPa、151 ℃)Q4煤气温度350 ℃煤气组成(15% H2、20% CH4、5% CO、5% CO2、3% N2、50% H2O、其他2%)煤气流量6万Nm3/h、焦油冷凝量5 t/hQ6煤气温度80 ℃煤气组成(30% H2、40% CH4、10% CO、10% CO2、6% N2、其他4%)煤气流量6万Nm3/h、焦油冷凝量5 t/h、煤气中的冷却H2O 50%Q7低压蒸汽(0.3 MPa,133 ℃干饱和蒸汽)Q8电能(单级发电占比10%)Q940 ℃低压湿蒸汽Q10补充水Q11补充水Q12系统蒸汽废热

表2 一级换热热平衡
Table 2 Primary heat transfer balance

项目热量/kJ占比/%备注Q1385 642 197.5100总热量Q21 681 232.51.27热损失2 506 000.01.90焦油热Q331 943 417.524.17相变蓄热吸收Q496 050 631.572.67进二级换热

表3 二级换热热平衡
Table 3 Secondary heat transfer equilibrium

项目热量/kJ本级占比/%总占比/%备注Q496 050 631.5010072.67进二级冷却Q612 335 512.0012.849.33焦油煤气水Q58 371 511.958.726.33散热Q775 343 607.5578.4457.00蓄热吸收Q87 534 360.767.845.70电能Q967 809 246.8070.6051.30回一级蓄换热

4 结语与建议

1)中低温热解煤气特性对其热量回收利用有重要影响,以热解煤气在冷却换热设备内的冷凝结核、传热传质机制为基础,形成焦油冷凝相变调控方法并结合分级冷凝技术逐级回收热解煤气所含热量及焦油产物,将是中低温热解煤气热量回收利用的有效途径。

2)相变换热技术具有传热性能好、热量捕捉针对性强等优势,可高效回收300 ℃以下低品位煤气所携带热量,应引起关注。

3)分级冷凝与相变换热相结合可实现中低温热解煤气热量梯级回收利用及热解焦油产物的分质回收,技术优势明显,但应重视热量分级冷凝与焦油分质回收的匹配与一致性。

致谢 本文在撰写过程中得到了松下制冷(大连)有限公司刘明军的大力支持,在此表示感谢。

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