CN110804446A - 一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工工程技术领域，具体公开了一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置，包括回转炉，回转炉内设有热风列管，热风列管通过固定架固定在回转炉的炉内壁上，进料口侧设置有热风出口，出料口侧设置有热风出口，回转炉内壁上沿炉长方向设置有若干个扬料板，回转炉的热风列管的外表面设置有与壁面自成一体的肋片，热风列管内部增设有麻花形的金属插入件，回转炉的筒壁内侧设置有夹套圆筒，夹套圆筒与回转炉的内壁之间形成夹套，回转炉外设置有一台炉气循环风机，循环风机的风口与进料口和出料口连接；达到了提高了煤炭干馏产品的产量和质量，解决了煤热解挥发份在输送管道中焦油、萘等液体析出、防止管道的结垢堵塞问题。

Description

一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置及方法

技术领域

本发明属于化工工程技术领域，具体涉及一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置及方法。

背景技术

煤炭的组分和结构比较复杂，煤中分子结构以碳和氢为主，含少量氧、氮、硫等。煤炭在热解时，煤中氢元素以脂肪类和芳香类化合物或者以含碳的气体分子形式产出，产生较多的挥发分。不同种类煤炭其气体组份和反应性差异较大。

低阶煤作为一种低变质程度的劣质煤，是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物的初期产物。由于低阶煤的煤化程度低，其强度低、热稳定性差、含水量较高、含氧量高、热值较低，在空气中容易风化变质，直接燃烧时热效率较低，环境污染大，限制了低阶煤的开采和利用。

煤的热解是将煤在隔绝空气下加热，使之发生一系列的物理和化学变化，从而得到一种或多种产品的过程。煤热解的发生是由于煤受热温度高于煤中弱键结构断裂的温度，使煤中弱键结构受热断裂，生成小分子自由基碎片。煤热解的前期以裂解反应为主，主要包括：桥键断裂后生成自由基、脂肪侧链的裂解、含氧官能团的裂解和煤中小分子化合物的裂解；后期以缩聚反应为主，主要包括胶质体固化的缩聚反应、从半焦到焦炭的缩聚反应、多环芳香之间的缩合。煤在加热升温过程中，从350℃开始干馏，随着温度的升高，其热解速度迅速提高，至430℃煤的热解速率达到最大，这个过程煤的热解吸热量逐渐提高，需要的时间较长，煤炭的升温速度缓慢；煤从430℃继续升温，随着温度的升高，其热解速度迅速降低，至550℃煤的热解速率大大降低，这个过程煤的热解吸热量逐渐降低，需要的时间较长，煤炭的升温速度缓慢；煤炭从600℃以后再升温，其热解过程越来越缓慢，至900℃热解过程中基本停止。煤在热解炉内进行热解时，生成热解煤气、焦油和半焦。煤气可作为燃料或合成其他化学品的原料，焦油可进行下一步加工，以获取附加值较高的组分；剩余的反应性较差的半焦可用于燃烧发电、制取活性炭或冶炼金属。

煤热解产物的产率及成份组成与原料煤的性质、加热终温、升温速率、热解压力等因素有关。随着煤阶的升高，半焦产率升高，焦油产率降低，水产率降低，煤气产率降低；随着煤热解温度的升高，煤中更多的具有高活化能的有机物挥发出来，裂解反应加剧，缩聚反应也随之加剧；随着煤热解终温的提高，煤中更多的具有高活化能的有机物挥发出来，裂解反应加剧，缩聚反应也随之加剧。

煤炭干馏回转炉的主体是一个卧式回转筒体，筒体内沿炉长方向以同心圆方式排列2-5圈贯穿于整个筒体的加热管，加热管通过固定架固定在筒壁上，并随筒体一起转动。筒体按照进料端高、出料端低的倾斜方式进行安装。煤炭加入筒体内后随着筒体的旋转，煤炭不断被提升、滚落，并与加热管之间进行热量传递。煤炭干馏回转炉利用高温烟气对煤炭进行间接传热，高温烟气从回转炉出料端通入到列管内，煤炭从回转炉入料端加入到筒体内，在筒体内高温烟气走列管内侧煤炭走列管外侧，煤炭与高温烟气管壁进行接触换热。在回转炉筒体转动过程中，煤炭在向出料端方向移动过程中，煤炭吸热后进行干馏，当煤炭流动到回转炉出料端时煤炭热解过程结束，热解后的煤炭从回转炉出料端排出并进入下一工序继续进行处置。图1为回转炉现有结构图。

在回转炉内，当加热管处于煤层以内时，热源与物料煤层之间的传热过程包括以下几个方面：①热量首先由管内的热源通过冷凝或对流的方式传递至加热管内壁；②热量由加热管内壁通过热传导传递至加热管外壁；③热量通过对流传热、碰撞接触传热及福射传热等形式，由加热管外壁传递至接近壁面料层中的颗粒及气体；④接近壁面料层中的颗粒通过福射传热及接触传热等方式将热量传递给料层中远离壁面的颗粒；⑤热量由颗粒表面经热传导传递至颗粒内部。

在煤炭间接干馏的回转炉中，煤炭与加热介质不直接接触，高温介质通过固体壁面向煤炭间接传递热量。根据回转炉内换热壁面结构形式的不同，回转炉可分为外热式回转炉和列管式回转炉两大类。外热式回转炉一般采用高温烟气加热回转炉筒体外壁，通过筒壁对回转筒体内的煤炭进行加热干馏；列管式回转炉是外热式回转炉的一种结构形式，通过设置在回转炉筒体内的若干加热列管对筒体内的煤炭进行加热。由于回转炉的筒体内壁上没有扬料板，煤炭在回转炉筒体旋转过程中不断翻转，并在翻转过程中进行传热，煤炭表面与炉气接触面积小，传热效率低。

从回转炉内气体流动及传热情况来看，要提高煤炭的干馏质量，需要高温炉气充满炉膛或贴附煤炭表面流动。但在煤炭干馏回转炉内，煤炭干馏过程所产生的挥发份气体量较小，当干馏气从入窑端抽取时，容易使高温炉气不能充满炉膛空间，造成高温炉气靠近炉顶位置流动，并在高温炉气与煤炭之间形成低温气层，低温气层对炉顶管壁、高温炉气向煤炭的传热起着一种“隔绝”的作用。低温气层的存在，大大降低了炉内的传热量。回转炉内气层分布如图2所示。

在回转炉内，炉气与煤炭未接触的加热管相对运动时，因气相与管壁之间存在相对速度，将在管壁周围形成一定厚度的气体附面层，附面层的存在增大了管壁向炉气的传热热阻，从而使炉内传热效率下降。附面层的厚度与气体的速度有关，附面层厚度越厚其热阻越大。管壁对流传热的附面层情况如图3所示。

在煤炭干馏回转炉内，一般沿炉长方向设置多个高温烟气列管，多个烟气列管沿回转炉圆周方向呈星形分布。由于加热管的内壁和外壁呈光管结构，加热列管与煤炭和炉气之间的传热系数较小，影响回转炉内高温烟气向煤炭的传热。图4为回转炉现有加热列管布置图。

煤炭干馏回转炉内高温干馏产生的挥发份一般从入窑端的抽取口抽出，生产中常因入炉煤炭的温度较低，造成抽取的挥发份温度一般为300～350℃，较低的挥发份抽取温度容易使挥发份中的焦油、萘等液体析出，液体粘附在挥发份输送管道内壁，容易产生管道的结垢堵塞问题。

目前，煤炭干馏回转炉采用高温烟气作为热源时，煤炭的热解温度一般只有500～550℃，煤的热解终温较低，这是造成煤炭热解产物较低的重要原因之一。

发明内容

本发明针对现有煤炭干馏回转炉存在的煤炭干馏温度低、煤炭与炉气换热效率低、列管内侧及外侧热阻大、回转炉内气流速度低、回转炉筒壁温度低等问题，提供了一种提高煤炭在回转炉内的干馏温度、提高传热效率，的煤炭干馏回转炉提高干馏质量的方法及装置。

为了满足上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置，包括回转炉，所述回转炉的一端为进料口，所述回转炉的另一端为出料口，所述回转炉内沿炉长方向以同心圆方式排列2-5圈贯穿于整个筒体的热风列管，所述热风列管通过固定架固定在回转炉的炉内壁上，所述进料口侧设置有热风出口，所述出料口侧设置有热风出口，所述回转炉沿炉长方向设置有若干个扬料板，所述扬料板的一侧焊接在回转炉的圆筒内壁上，所述回转炉的热风列管的外表面设置有与壁面自成一体的肋片，所述热风列管内部增设有麻花形的金属插入件，所述回转炉的筒壁内侧设置有夹套圆筒，所述夹套圆筒与回转炉的内壁之间形成夹套，所述回转炉外设置有一台炉气循环风机，所述循环风机的风口与进料口和出料口连接。

优选的，所述肋片的扩展表面积为光表面的2-7倍。

优选的，一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的方法为：

（1）将回转炉生产的1/3的500～550℃高温半焦通过链式输送机返装入炉；

（2）将回转炉产生的1/4挥发份在炉外通过换热器升温到850～900℃，再将高温挥发份从入炉端鼓入炉内；

（3）在回转炉预热段沿炉长方向增加一排直径为40～50mm高温烟气列管，此列管不与物料接触，只对入炉端挥发份进行预热；

（4）将直径为40～50mm 、温度900～1000℃高温热载体从回转炉入炉端加入到回转炉内，高温热载体的加入提高了入炉端的整体温度；

（5）将列管及夹套的高温烟气与煤炭的顺流换热改造为逆流换热，可有效提高入炉端温度；

（6）将加热列管材质由碳钢更换为外镀陶瓷耐磨层的铜管，可减少管壁传导传热过程的热阻，提高回转炉整体温度。

本发明的有益效果为：

（1）通过将回转炉生产的高温半焦返装入炉、回转炉产生的挥发份在炉外预热后从入炉端鼓入炉内、回转炉预热段沿炉长方向增加高温烟气列管、高温热载体从入炉端加入到回转炉内，可将煤炭的干馏温度提高到600℃左右、回转炉内挥发份的抽取温度提高到450～500℃；

（2）在煤炭干馏回转炉内，通过在炉体内侧的筒壁上设置扬料板、列管内侧设置插入件、列管外侧设置肋片，强化了煤炭的传热效率，提高了煤炭的干馏质量；

（3）通过在回转炉外设置炉气循环风机，将回转炉出炉端产生的挥发份经循环风机加压后，从回转炉的入炉端鼓入，提高了煤炭的对流传热量及回转炉入口处抽出的挥发份温度。

附图说明

图1为回转炉现有结构图；

图2为回转炉内气层分布；

图3为管壁对流传热的附面层情况；

图4为回转炉现有加热列管布置图；

图5为回转炉内扬料板结构图；

图6为回转炉改造示意图；

图7为列管外壁导热肋片的轴测图；

图8为列管内插入件的剖视图；

图9为列管外壁导热肋片和管内插入件结构图；

图中：1.回转炉，2.进料口，3.出料口，4.热分列管， 6. 扬料板，7. 夹套圆筒，8. 夹套，9. 肋片，10. 金属插入件，11.热风出口，12.热风入口。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明做进一步描述：

在煤炭干馏回转炉内，当加热列管在回转炉内处于煤层以内时，管壁与煤炭之间的传热过程包括：①热量首先由管内高温烟气以对流和辐射的传热方式将热量传递给加热管内壁；②加热管内壁将接受的热量以热传导方式传递给加热管外壁；③加热管外壁再将热量以传导传热及辐射传热的形式，由加热管外壁传递给接近壁面料层中的煤炭及气体；④接近壁面料层中的煤炭通过辐射传热及传导传热等方式将热量传递给料层中远离壁面的煤炭；⑤壁面附近煤炭再将热量由表面经传导传热传递给远离壁面的煤炭。

在煤炭烟气干馏回转炉内，当加热列管处于煤层以上时，其传热过程包括：①列管内的高温烟气将自身热量以对流及辐射的传热方式传递给加热管内壁；②加热管内壁将接受的热量通过热传导方式传递给加热管外壁；③加热管外壁再将热量以传导传热及辐射传热的形式传递给炉气、未与煤炭接触的炉壁、料层表面煤炭；④炉气、未与煤炭接触的炉壁将接受的热量以对流和辐射的形式传递给料层表面煤炭；⑤表面煤炭再将热量由表面经传导传热、辐射传热传递给内部煤炭。

一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置，包括回转炉1，回转炉1的一端为进料口2，回转炉1的另一端为出料口3，所述回转炉1内沿炉长方向以同心圆方式排列2-5圈贯穿于整个筒体的热风列管4，热风列管4通过固定架固定在回转炉1的炉内壁上，进料口2侧设置有热风出口11，出料口3侧设置有热风出口12，所述回转炉1沿炉长方向设置有若干个扬料板6，扬料板6的一侧焊接在回转炉1的圆筒内壁上，回转炉1的热风列管4的外表面设置有与壁面自成一体的肋片9，热风列管4内部增设有麻花形的金属插入件10，回转炉1的筒壁内侧设置有夹套圆筒7，夹套圆筒7与回转炉1的内壁之间形成夹套8，环形的夹套8内通入热风，通过夹套8内热风的余热向回转炉内进行传热，使得回转炉1的内壁温度增高，回转炉1外设置有一台炉气循环风机，所述循环风机的风口与进料口2和出料口3连接。

为强化高温烟气对煤炭的传热，采用的方法为：

（1）在回转炉1筒体的内壁上增设扬料板6，扬料板6呈圆弧片状结构，沿长度方向一侧焊接在筒体内壁上，扬料板6可将回转炉底部的煤炭扬起从炉内顶部抛下，扬料板6的设置可起到如下作用：①扬料板6扬起的煤炭从炉内顶部往下抛，这部分煤在从顶部下落过程中，与回转炉1内的温度较高气体充分接触，增加了这部分煤炭与炉气的对流换热量；②扬料板6焊接在炉内筒体的内壁上，增加了煤炭与高温传热体的接触面积，同时在生产过程中扬料板6的温度较高，提高了煤炭的传热量；③扬料板6的设置使部分煤炭扬起，减薄了炉内底部月牙形物料的厚度，使煤层内部的挥发分容易从煤炭内部排出，加快了煤裂解过程的进行。图5为回转炉内设置扬料板结构。

（2）在回转炉1外设置1台炉气循环风机，将回转炉出炉端产生的挥发份1/2左右气体量经循环风机加压后，从回转炉的入炉端鼓入，其主要作用有：①提高回转炉内气流速度，从而提高煤炭的对流传热量；②均匀回转炉内气流温度分布，防止回转炉内低温气层的存在；③提高从回转炉入口处抽出的挥发份温度。

（3）为将回转炉内挥发份的抽取温度提高到450～500℃，同时提高单炉煤炭干馏产量，可采取以下方法：①将回转炉生产的1/3左右500～550℃高温半焦通过链式输送机返装入炉；②将回转炉产生的1/4左右挥发份在炉外通过换热器升温到850～900℃，再将高温挥发份从入炉端鼓入炉内；③在回转炉预热段沿炉长方向增加一排直径为40～50mm高温烟气列管，此列管不与物料接触，只对入炉端挥发份进行预热。④将直径为40～50mm 、温度900～1000℃高温热载体从回转炉入炉端加入到回转炉内，高温热载体的加入提高了入炉端的整体温度。⑤将列管及夹套的高温烟气与煤炭的顺流换热改造为逆流换热，可有效提高入炉端温度。⑥将加热列管材质由碳钢更换为外镀陶瓷耐磨层的铜管，可减少管壁传导传热过程的热阻，提高回转炉整体温度。图6为回转炉改造示意图。

（4）加热列管外侧传热的强化

在煤炭干馏回转炉内，加热列管外侧的气体介质主要是H2、CO、N2等双原子气体，即无辐射力又不吸收辐射，所以只有对流传热。因此，回转炉内列管外侧的传热强化主要是减小气体流动的附面层热阻和强化传热。本发明通过在列管外表面增设与壁面自成一体的肋片9，肋片9的扩展表面积为光表面的2-7倍，可显著提高列管散热的扩展表面。这种带肋片9的列管即能增加传热面积，又能增加气流扰动，从而提高列管外表面的传热量。图7为列管外壁设置导热肋片结构图，图9为列管外壁导热翅片和管内插入件结构图。

（5）加热列管内侧传热的强化

在煤炭干馏回转炉内，列管内部的换热效率直接关系到回转炉的整体换热性能，同时列管在长时间运行后内都会产生结垢，污垢沉积在换热管表面上，会使流体的流动阻力增加，从而导致列管传热效率下降。本发明在列管内设置插入麻花形金属插入件10，其作用有：①增加气流的流速和行程，在管内产生连续不断的旋转涡流，从而减薄或破坏管内壁面的附面层；②增加管内换热面积，强化管内传热，清除管内污垢。图8为列管内设置插入件图，图9为列管外壁导热翅片和管内插入件结构图。

本发明采用以上措施后，可将煤炭的干馏温度提高到600℃左右，在提高单炉产量的同时，可使煤炭中90%以上的焦油得到了回收利用。

Claims (3)

1.一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置，包括回转炉，所述回转炉的一端为进料口，所述回转炉的另一端为出料口，所述回转炉内沿炉长方向以同心圆方式排列2-5圈贯穿于整个筒体的热风列管，所述热风列管通过固定架固定在回转炉的炉内壁上，其特征在于：所述进料口（2）侧设置有热风出口（11），所述出料口（3）侧设置有热风出口（12），所述回转炉（1）沿炉长方向设置有若干个扬料板（6），所述扬料板（6）的一侧焊接在回转炉（1）的圆筒内壁上，所述回转炉（1）的热风列管（4）的外表面设置有与壁面自成一体的肋片（9），所述热风列管（4）内部增设有麻花形的金属插入件（10），所述回转炉（1）的筒壁内侧设置有夹套圆筒（7），所述夹套圆筒（7）与回转炉（1）的内壁之间形成夹套（8），所述回转炉（1）外设置有一台炉气循环风机，所述循环风机的风口与进料口（2）和出料口（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的装置，其特征在于：所述肋片（9）的扩展表面积为光表面的2-7倍。

3.一种煤炭干馏回转炉提高干馏质量的方法，其特征在于方法为：

（1）将回转炉生产的1/3的500～550℃高温半焦通过链式输送机返装入炉；

（2）将回转炉产生的1/4挥发份在炉外通过换热器升温到850～900℃，再将高温挥发份从入炉端鼓入炉内；

（3）在回转炉预热段沿炉长方向增加一排直径为40～50mm高温烟气列管，此列管不与物料接触，只对入炉端挥发份进行预热；

（4）将直径为40～50mm 、温度900～1000℃高温热载体从回转炉入炉端加入到回转炉内，高温热载体的加入提高了入炉端的整体温度；

（5）将列管及夹套的高温烟气与煤炭的顺流换热改造为逆流换热，可有效提高入炉端温度；

（6）将加热列管材质由碳钢更换为外镀陶瓷耐磨层的铜管，可减少管壁传导传热过程的热阻，提高回转炉整体温度。

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