CN101100607A - 以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺 - Google Patents

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Abstract

一种以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺，包括以下单元：燃烧单元，传热单元，炭化单元，蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元。燃煤与经余热回收单元预热后的高温空气在燃烧单元中燃烧生成高温烟气。高温烟气经过粗除尘以后，被送入传热单元，在传热单元中，高温烟气通过隔墙向炭化室放热。放热后的高温烟气，通过蓄热式和间壁式换热器，回收大部分余热后排空。本发明与常规工艺相比，避免了直接燃烧焦炉煤气等气态燃料所造成的化学能的不合理利用，从而提高了能量利用水平，节能率可以达到20％左右；而且用廉价的煤替代了宝贵的富氢焦炉煤气，使得焦炭的生产成本大幅度降低，具有很好的工业化前景。

Description

以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体地说涉及一种以气体为燃料向炼焦过程提供高温热量的炼焦工艺。
背景技术
煤炭与气体燃料的性质不同，煤炭中含有大量的灰分等有害物质，而气体燃料为清洁能源。正是由于煤炭与气体燃料的品质，及其能量转换利用方式的不同使得燃煤电厂的发电效率比天然气联合循环电站低10～15个百分点。
目前，为了实现煤炭的高效洁净利用，无论是化工生产过程还是IGCC发电系统，都必须先将煤气化，为煤炭的进一步利用创造必要条件。但煤炭的气化过程，是一个能量利用水平较低的过程。因此，无论对于化工行业还是电力部门，煤炭的能量利用率都要比气体燃料的低。近来，不同煤基系统整合思路受到关注，例如煤基多联产系统是一种以煤为原料同时生产化工产品和电力的能源系统，它通过化工过程和动力系统的集成和整合，使系统能源利用率得到提高。然而由于煤炭必须在气化以后才能进行下一步的利用，使得煤基多联产系统更加复杂，包含空气分离装置，煤气化炉，化工生产系统和发电系统等，投资高昂，其中空气分离装置和煤气化炉的投资占总投资的30％-40％。
焦炉煤气等气体燃料可以免除气化过程，而直接进入化工产品生产或联合循环发电，从而提高系统能量利用水平。从组分上看，由富碳原料气化所得到的合成气中含氢量较低，在化工生产过程中经常需要通过变换单元来调整煤气成分增加含氢量，而焦炉煤气中含有55-60％的氢气，因此通过焦炉煤气与富炭煤气按以一定的比例混合，可以使其更加符合化工合成的比例，从而减少甚至避免由于成分调整而引起的能量利用问题。此外，由于焦炉煤气中含氢量高，所以通过直接分离的方法制取氢气，也有很高的经济价值。
然而，传统的炼焦过程中为了得到焦炭经常将炼焦过程中副产的焦炉煤气直接燃烧掉，这样的能源利用方式显然是不合理的。如果从化工生产的角度来看待焦炉炼焦，炼焦过程实际上就是炼焦煤的部分气化过程，炼焦的主要产品不仅包括焦炭，而且包括焦炉煤气等。煤的部分气化过程需要在高温条件下进行，为了实现煤的部分气化，主要是将部分气化产品焦炉煤气燃烧，通过隔墙(面式传热)向煤的部分气化过程供入热量。
为了替换高品质的焦炉煤气，目前也有采用高炉煤气，发生炉煤气或混合煤气等加热焦炉的。但是由于发生炉煤气，高炉煤气或混合煤气等的热值都较低，因此在生产相同产品的情况下，耗用煤气量大，产生的废气量多，使得炼焦过程排放废气带走的热量(主要的能量损失项)更大。例如，用高炉煤气加热时的炼焦耗热量要比用焦炉煤气加热时大210～340kJ/kg。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺，以克服煤/气体燃料两种能源各自的特点和当前化工生产系统和发电系统各自存在的弊端。
为实现上述目的，本发明提供的以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺，该炼焦工艺的设备主要由燃烧单元、传热单元、炭化单元、蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元组成；将高温空气与气体燃料于外置燃烧单元燃烧后，产生的高温烟气通过传热单元向炭化单元供入热量后，继续向蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元释放余热。
所述的炼焦工艺，高温烟气粗除尘后向炭化单元供入热量。
所述的炼焦工艺，除尘采用重力沉降净化方式，以除去烟气中颗粒较大的悬浮物。
所述的炼焦工艺，余热回收采用蓄热式换热和间壁式换热相结合的方式换热，在高温段采用蓄热式换热，在中低温段采用间壁式换热。
所述的炼焦工艺，采用将部分废气引入燃烧室或过量空气消耗系数的方式控制烟气温度。
所述的炼焦工艺，炭化单元也可以为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。
所述的炼焦工艺，其中气体燃料为焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气或混合煤气。
本发明中的燃烧单元由燃烧室和净化室组成。
本发明的有益效果是根据煤炭和气体燃料的特点不同，用煤炭外燃替代气体燃料燃烧向炭化室提供高温热量，实现能源的合理利用；并在合理利用煤炭的同时，节省清洁的焦炉煤气等气体燃料(节省下来的焦炉煤气可以作为化工或多联产系统的原料气)。本发明提出的以煤炭外燃替代气体燃料燃烧的炼焦工艺与常规工艺相比，实现了组分对口、梯级利用，传统炼焦过程消耗掉的燃料用焦炉煤气，如果用来发电，要比新工艺燃料用煤炭多发电20％左右。
附图说明
图1为本发明以煤炭外燃替代气体燃料燃烧的炼焦工艺流程示意图；
图2为本发明燃烧单元流程示意图；
图3为本发明蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元流程示意图。
上述附图中，各部件及相应的标记为：1-燃烧单元；2-传热单元；3-隔墙；4-炭化单元；5-蓄热式换热器；6-间壁式换热器；7-燃煤；8-高温烟气；9-蓄热室顶部烟气；10-经蓄热室放热后的烟气；11-废气；12-空气；13-间壁式换热预热的空气；14-高温空气；15-炼焦煤；16-焦炭；17-焦炉煤气；18-焦油及其它；19-热流；20-燃烧室；21-粗高温烟气；22-除尘室；23-液态渣；24-蓄热室a；25-蓄热室b；26-换向阀。
具体实施方式
本发明提供的炼焦工艺，煤炭与经蓄热式余热回收单元(4)和间壁式余热回收单元(5)预热后的高温空气在燃烧单元(1)中燃烧生成高温烟气。高温烟气经过粗除尘以后，被送入传热单元(2)，在传热单元中，高温烟气以辐射、对流的方式向隔墙(3)放热，隔墙将得到的热量以导热的方式传递到炭化单元(4)。放热降温后的高温烟气，通过蓄热式余热回收单元(4)和间壁式余热回收单元(5)，回收大部分余热后排空。炼焦煤在炭化单元中吸收热量经过粘结和结焦过程生成焦炭、焦炉煤气和焦油等产品。
本发明提供的燃烧单元(2)与传统燃烧单元的区别是：传统的焦炉中燃烧室与炭化室是相间排列排成一排，而本发明提供的燃烧单元，将燃烧室外置，并用燃煤替代焦炉煤气来加热焦炉。燃烧室与炭化室分开以后可以增强燃料的适应性，从而摆脱传统炼焦炉燃烧室是为气体燃料而设计的限制。而且采用外置燃烧室的办法，可以在保持传统炼焦炉设备基本不变的情况下，用燃煤来替代焦炉煤气加热炭化单元。煤炭燃烧后，为了适应蓄热式换热的需要对高温烟气进行粗除尘，从而得到含尘量较低的高温烟气。由于煤与空气直接燃烧时，火焰温度很高，因此可以采用将部分废气引入燃烧室或增大过量空气消耗系数的方式控制烟气温度。这样做同时也能增加了焦炉内的实际烟气流量，增强换热。在这里，煤炭在外置燃烧室中燃烧是以炼焦子系统为例，实际上这种燃烧煤炭提供高温烟气的方式，也可以用于冶金行业的加热炉、均热炉、锻造炉等。
本发明提供的传热单元(2)与传统传热单元的区别是：在传统炼焦工艺中焦炉煤气向炭化室供给热量的方式有两种：燃烧火焰的辐射传热和生成的高温烟气辐射、对流传热。改造后炼焦工艺主要靠高温烟气在传热单元向炭化室传递热量。由于高温烟气的温度相对均匀，从而可以有效避免局部过热，提高高温烟气的平均温度，缩短炼焦周期。
本发明提供的蓄热式余热回收单元(4)和间壁式余热回收单元(5)与传统余热回收单元的区别是：传统余热回收单元仅采用蓄热式换热。而本发明提供的余热回收单元采用蓄热式与间壁式换热相结合的方式交换热量。采用蓄热式换热时，换向末期烟气温度较高，空气侧蓄热体温度相对较低，从而导致空气的预热温度较低。此时在蓄热式换热器后加间壁式换热器，可以在蓄热式的基础上进一步降低烟气温度，提高空气预热温度。在换向初期，烟气排放温度相对较低但还是要比空气温度高很多，采用间壁式换热器，可以对空气进行初步预加热，从而提高空气预热温度，进一步降低烟气的排放温度。总之，采用蓄热式和间壁式换热器相结合的办法可以缓解由蓄热式换热的换向而造成的温度波动，使得空气最终预热温度相对均匀；可以使烟气的平均排放温度降得更低；可以适当增长换向周期，从而减少换向时引起的漏气损失。
由于本发明采用的设备基本为公知设备。所以不对设备作进一步的描述。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
请参见图1，本发明提供的以煤炭外燃替代焦炉煤气等气体燃料燃烧的炼焦工艺，主要由燃烧单元(1)、传热单元(2)、炭化单元(4)、蓄热式余热回收单元(5)和间壁式余热回收单元(6)组成。煤与经蓄热式余热回收单元(5)和间壁式余热回收单元(6)预热后的高温空气在燃烧单元(1)中燃烧生成高温烟气，并对高温烟气进行粗除尘后，送入传热单元(2)，高温烟气通过隔墙(3)向炭化单元(4)释放高温热量后，被送往余热回收单元(5)、(6)，并向蓄热式余热回收单元(5)和间壁式余热回收单元(6)放热。放热后的烟气被排放到大气。在炭化单元(4)内炼焦煤吸收热量在高温下热解，经过粘结过程(包括：干燥脱吸，开始分解，形成胶质体，和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成焦炭(16)、焦炉煤气(17)、焦油(18)等化工产品。
图2为本发明的燃烧单元流程图。本系统采用气流床气化工艺中最为成熟的一种技术K-T法(也称柯柏斯-托切克气化法)。不过在这里将气化剂氧气与水蒸汽的混合物替换为预热空气。粉煤与预热空气由气化室相对两侧的炉头送入，瞬间着火，进行反应。炉头内火焰温度可以高达2000℃，在火焰末端，即燃烧炉中部，粉煤被几乎完全燃烧。由于两股相对气流的作用，使炉内反应物的气流形成高度湍流因此大大增加了燃烧速度。此时的灰渣呈液态，其中大部分灰渣由炉体底部排出。出炉粗烟气(21)可以根据工艺要求调整至1400～1700℃。出炉烟气经重力沉降室(22)粗除尘后，被送往传热单元(2)。
图3为本发明提供的蓄热式余热回收单元(5)和间壁式余热回收单元(6)的流程图。在传热单元放热后的高温烟气(9)(1150℃左右)通过蓄热室a(24)，向蓄热室a内的蓄热体a放热，放热后的废气温度(10)在300℃左右；而空气通过吸收被烟气加热后的蓄热室b(25)内蓄热体b的热量后，温度上升到1000℃左右，然后被送入燃烧室燃烧。在下一个换热周期，通过换向阀(26)，改变烟气和空气的流向，使得蓄热体a放热，蓄热体b吸热，如此反复换向，达到换热目的。烟气通过蓄热体放热后仍有较高的温度，采用间壁式换热器(6)进一步放热。
本发明提供的以煤炭外燃替代焦炉煤气等气体燃料燃烧的炼焦工艺，与传统的用焦炉煤气等气体燃料燃烧的炼焦工艺相比，具有以下特点：1、利用廉价的煤炭替代炼焦过程部分气化得到的焦炉煤气，节约了宝贵的气体燃料焦炉煤气；2、燃烧室与炭化室分离，从而增加了燃料的适应性，便于组织燃烧；3、在余热回收过程中采用蓄热式换热和间壁式换热两种换热方式结合的方法，缓解预热空气的温度波动，进一步降低平均排烟温度，提高炉子热利用效率。
综上所述，在煤炭资源的产地，凭借原料的价格优势，采用本发明所述的以煤炭外燃替代焦炉煤气等气体燃料燃烧的新型炼焦工艺，将会使焦炭的生产成本大幅度降低，而且节约焦炉煤气，是非常有实用前景的。
实施例1：
以煤炭外燃代替焦炉煤气等气体燃料燃烧的炼焦工艺：用燃烧单元(图2)替换焦炭生产流程图(图1)中的燃烧单元，即为一种以煤炭外燃代替焦炉煤气燃烧的新型炼焦工艺流程图。燃烧单元的操作条件为：炉内压力取微正压，烟气出炉温度为1400～1700℃，根据换热周期适度的调整。为了比较煤炭外燃替代焦炉煤气燃烧工艺与原工艺，采用相同的排烟温度278℃，将年产200万吨焦炭的焦炉热平衡数据列于表4。取煤炭向气体燃料转化的效率80％，则节省出的360MNm3焦炉煤气相当于29.8万吨燃煤，如表5所示，而本工艺中燃料用煤炭量为24.2万吨，可见采用此工艺相当于比原工艺节省18.5％的燃料用煤炭。
假设原工艺燃烧掉的焦炉煤气和新工艺中燃烧掉的煤炭均用来发电，其中焦炉煤气联合循环系统的发电效率为55％，IGCC系统的发电效率为43％，采用此发电效率将燃料折算为电，即燃料折电量。原工艺和新工艺中消耗掉燃料的折电量如表5所示。可见从燃料折电量上看，以煤炭外燃代替焦炉煤气等气体燃料燃烧的新工艺相对节能率为20.5％。
实施例2：
间壁式换热与蓄热式换热相结合的以煤炭外燃代替焦炉煤气等气体燃料燃烧的新型炼焦工艺：用燃烧单元(图2)，蓄热式余热回收单元与间壁式余热回收单元(图3)分别替换焦炭生产流程图(图1)中的燃烧单元和蓄热式余热回收单元与间壁式余热回收单元，即为一种以煤炭外燃代替焦炉煤气燃烧的新型炼焦工艺流程图。燃烧单元的操作条件为：炉内压力取微正压，烟气出炉温度为1400～1700℃，根据换热周期适度的调整。余热回收采用了蓄热式换热器和间壁式换热器相结合的方式，在蓄热室出口处烟气的温度为600℃，烟气的实际排放温度为180℃。
本实施例中，节省出的385MNm3的焦炉煤气相当于29.8万吨燃煤，实际燃料用煤量为22.7万吨，因此采用此工艺可以比原工艺节省23.5％的燃料用煤量；从燃料折电量上看，间壁式换热与蓄热式换热相结合的以煤炭外燃代替焦炉煤气等气体燃料燃烧的新工艺相对节能率为25.5％。
表1：入炉炼焦煤数据
  煤干燥基挥发分％   煤干燥基灰分％     煤的水分％    煤的温度℃
  26.0   10.8     8.88    25
表2：实施例1物流温度参数
   物流序号     温度(℃)     物流序号     温度(℃)
   7高温烟气     1400-1700     11空气     25
   8蓄热室顶部烟气     1150     13高温空气     1030
   9经蓄热室放热后的烟气     278     15焦饼中心温度     1014
表3：实施例2物流温度参数
   物流序号     温度(℃)    物流序号     温度(℃)
   7高温烟气     1400-1700    11空气     25
   8蓄热室顶部烟气     1150    12经间壁式换热器预热后的空气     498
   9经蓄热室放热后的烟气     600    13高温空气     1116
   10废气     180    15焦饼中心温度     1014
表4实施例1、2年产200万吨焦炭的炼焦炉热量平衡表
项目     原工艺   新工艺1   新工艺2
  能量(109kcal)    比例(％)   能量(109kcal)    比例(％)    能量(109kcal)    比例(％)
输入 燃料用焦炉气能量    1551(360MNm3)     94.5     0     0     0     0
燃料用煤炭能量     0     0     1583     94.5     1480     94.2
漏入煤气能量     90.9     5.5     90.9     5.5     90.9     5.8
合计     1642     100     1674     100     1571     100
输出 产品带走的显潜热 焦炭     724     44.1     724     43.4     724     46.0
焦炉气     228     13.9     228     13.6     228     14.5
其它产品     345     21.0     345     20.7     345     22.0
废气带走热量     238.9     14.6     241.5     14.5     146     9.3
灰渣带走热量     0     0     23.0     1.4     21.6     1.4
焦炉炉体散热量     107     6.5     107     6.4     107     6.8
合计     1642     100     1668     100     1571     100
表5：实施例1、2中焦炉新工艺与原工艺所用燃料的折合煤量及折电量比较
    项目   原工艺   实施例1   实施例2
焦炉用燃料量 净焦炉煤气(MNm3)     359.7     0     0
煤炭(万吨)     0     24.3     22.8
燃料折合煤量1(万吨)     29.8     24.3     22.8
相对变化率(％)     0     1 8.5     23.5
燃料折电量2(亿度)     9.9     7.9     7.4
相对变化率(％)     0     20.4     25.5
注：1.燃料折煤量-采用煤气化方式，得到与传统焦炉消耗掉的焦炉煤气具有相同热值的合成气燃料所需要消耗的煤炭量(气化效率80％)。
2.燃料折电量-焦炉消耗掉的燃料如果用来发电，可以生产出的电量(燃煤发电效率43％，焦炉煤气发电效率55％)。

Claims (7)

1、一种以煤炭外燃代替气体燃料燃烧的炼焦工艺，该炼焦工艺的设备主要由燃烧单元、传热单元、炭化单元、蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元组成；其特征在于：将高温空气与煤炭于外置燃烧单元燃烧后，产生的高温烟气通过传热单元向炭化单元供入热量后，继续向蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元释放余热。
2、按照权利要求1所述的炼焦工艺，其特征在于：高温烟气粗除尘后向炭化单元供入热量。
3、按照权利要求2所述的炼焦工艺，其特征在于：除尘采用重力沉降净化方式，以除去烟气中颗粒较大的悬浮物。
4、按照权利要求1所述的炼焦工艺，其特征在于：余热回收采用蓄热式换热和间壁式换热相结合的方式换热，在高温段采用蓄热式换热，在中低温段采用间壁式换热。
5、按照权利要求1所述的炼焦工艺，其特征在于：采用将部分废气引入燃烧室或过量空气消耗系数的方式控制烟气温度。
6、按照权利要求1所述的炼焦工艺，其特征在于：炭化单元为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。
7、按照权利要求1所述的炼焦工艺，其特征在于：所述气体燃料为焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气或混合煤气。
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