蘭炭生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)與節(jié)能空間探討

趙 杰，申聯(lián)星，陳 陽，宋濤濤，陳曉菲，李朋澤，孫丁武，雷 剛，楊 芊

(1.陜西冶金設計研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.中國煤炭加工利用協(xié)會，北京 100013)

在當今不斷變化的世界格局下，各國對于能源的競爭日益激烈。對于能源的大量需求，同樣也導致非常多的環(huán)境問題，因此，加速能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少二氧化碳排放就成為了世界各國的普遍認知[1]。中共中央、國務院下發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》(中發(fā)【2021】36號)，中明確指出：實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，要堅持“全國統(tǒng)籌、節(jié)約優(yōu)先、雙輪驅(qū)動、內(nèi)外暢通、防范風險”的工作原則，強調(diào)要把節(jié)約能源放在首位，實行全面節(jié)約戰(zhàn)略，持續(xù)降低單位產(chǎn)出能源資源消耗和碳排放，提高投入產(chǎn)出效率，倡導簡約適度、綠色低碳生活方式，從源頭和入口形成有效的碳排放控制閥門。全國蘭炭總產(chǎn)能約1.3億t，如何順應國家發(fā)展趨勢、降低企業(yè)能耗成為蘭炭從業(yè)者的共識。經(jīng)過多年發(fā)展，行業(yè)內(nèi)科研院所、設計、生產(chǎn)等相關(guān)單位均對蘭炭節(jié)能技術(shù)進行摸索和試驗，本文將行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行的各種節(jié)能工藝技術(shù)進行梳理和介紹，并結(jié)合工藝及后期運維對未來節(jié)能降耗的發(fā)展方向進行了分析論證。

1 蘭炭行業(yè)發(fā)展歷程介紹

蘭炭之名最早源于榆林市神木市，因其在燃燒時產(chǎn)生“蘭色火焰”而得名，具有高固定碳、低灰、低硫、低磷、低水、比電阻率高、反應性好、塊度和強度適中、高化學活性等特點，在化學還原反應中，能起到催化作用。與焦炭相比，蘭炭揮發(fā)分含量高，孔隙率大而機械強度低。蘭炭與一氧化碳、蒸汽或氧具有較強的反應活性，是很好的高熱值無煙燃料，目前廣泛應用于鐵合金、電石、活性炭、合成氨和民用無煙燃料等領(lǐng)域，尤其在電爐反應中能起到降低電耗、節(jié)約能源、增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，是電石產(chǎn)品的主要生產(chǎn)原料[2-5]。蘭炭行業(yè)在40多年的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了三個階段[6-12]。

1.1 土法煉焦階段

第一階段為20世紀70年代到1994年土法煉焦階段，是將塊煤在平地堆積后用明火點燃，等燒透后用水熄滅而制取蘭炭，焦油不回收，煙氣直接排空，蘭炭質(zhì)量不穩(wěn)定，資源浪費和環(huán)境污染問題較嚴重。但因此生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，銷售價格低廉，其產(chǎn)品還是為廣大用戶所認可。在此期間，榆林蘭炭產(chǎn)能超過150萬t/a。1993年12月，國務院環(huán)境保護委員會召開了環(huán)?，F(xiàn)場檢查會，要求對土法煉焦進行技術(shù)改造，土法煉焦被全面禁止和取締。

1.2 機制煉焦階段

第二階段為1995—2007年機制煉焦階段。20世紀90年代，治理環(huán)境、減少污染、節(jié)能降耗已經(jīng)成為人們的共識。國家在這方面專門出臺了一系列的法律法規(guī)，采用機械化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)蘭炭已被當?shù)卣岬阶h事日程上來，并且已經(jīng)被大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)所接受，也已逐漸形成規(guī)模。由于用機械操作代替了人工操作，故將此蘭炭產(chǎn)品稱之為“機制蘭炭”。在此期間，榆林蘭炭生產(chǎn)的主要設備及技術(shù)工藝在性能、運行、環(huán)境保護等方面都有了較大的改進和提高。

2007年，榆林市按照“上大關(guān)小、等量置換”的思路，制定了《榆林市蘭炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整意見及發(fā)展規(guī)劃》，頒布了《榆林市蘭炭產(chǎn)業(yè)準入技術(shù)條件(暫行)》，全部關(guān)閉了分散建設、總規(guī)模不到60萬t的271戶小蘭炭企業(yè)，規(guī)劃建設了17個工業(yè)集中區(qū)和5個蘭炭集中生產(chǎn)點，全力推廣陜西冶金設計研究院的SH型為主的單爐產(chǎn)能7.5萬t/a的直立爐，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，煤氣和煤焦油得到了綜合利用。

1.3 轉(zhuǎn)型升級階段

第三階段為2008年至今轉(zhuǎn)型升級階段。2008年9月，陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《蘭炭行業(yè)清潔化生產(chǎn)標準》。2008年12月，國家工業(yè)和信息化部公告修訂的《焦化行業(yè)準入條件(2008年修訂)》，首次將蘭炭(半焦)爐和生產(chǎn)列入其中，為蘭炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策依據(jù)。隨后，國家及地方發(fā)布了一系列規(guī)范、標準對蘭炭產(chǎn)業(yè)的能耗、用煤條件、產(chǎn)品技術(shù)條件等進行了規(guī)定。

在此期間，蘭炭生產(chǎn)工藝進一步提升，所用原料煤可由30～80 mm塊煤改為價格比塊煤便宜的小粒煤(6～30 mm)，對高溫蘭炭的熱量進行回收利用(副產(chǎn)水蒸氣)，蘭炭降溫由水撈焦改為水霧熄焦，提高了蘭炭產(chǎn)品質(zhì)量，顯著減少廢水量。

經(jīng)過多年發(fā)展與技術(shù)積累，我國蘭炭產(chǎn)業(yè)鏈布局不斷完善，行業(yè)發(fā)展也逐漸成熟，目前蘭炭已經(jīng)成為遍布全國的特色產(chǎn)業(yè)。我國已形成煤—蘭炭—電石—聚氯乙烯、煤—蘭炭—硅鐵—金屬鎂、煤—蘭炭—煤焦油—清潔燃料油、煤—蘭炭—煤氣—發(fā)電、煤—蘭炭—煤氣—合成氨、煤—蘭炭—煤氣—陶瓷等六個產(chǎn)業(yè)鏈。

2 蘭炭行業(yè)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)及措施

蘭炭生產(chǎn)是一個能源轉(zhuǎn)換過程，所投入的一次能源為原煤，產(chǎn)出的二次能源為蘭炭、煤氣、焦油、蒸汽等，生產(chǎn)過程中消耗的能源及耗能工質(zhì)有生產(chǎn)用水、電等。耗能工質(zhì)的消耗及能源轉(zhuǎn)換過程中的損失構(gòu)成了蘭炭生產(chǎn)的總能耗。蘭炭行業(yè)從最初的土法煉焦階段發(fā)展到現(xiàn)在現(xiàn)代化生產(chǎn)；從最初的只回收蘭炭產(chǎn)品到現(xiàn)在蘭炭、煤氣和煤焦油都綜合利用；從水撈焦到低水分熄焦或干熄焦……，蘭炭企業(yè)在生產(chǎn)工藝節(jié)能、電氣節(jié)能、通風空調(diào)節(jié)能、建筑節(jié)能等方面已經(jīng)有了極大的提升，在常規(guī)節(jié)能措施方面已經(jīng)基本符合國家現(xiàn)有能耗標準。

2.1 工藝節(jié)能技術(shù)

蘭炭生產(chǎn)過程中最主要的能耗在于生產(chǎn)過程中的能源轉(zhuǎn)換差，主要表現(xiàn)為干餾過程中的干餾所需熱量、熱量損失、以及熄焦過程中的熱量耗散。因此工藝節(jié)能措施在蘭炭生產(chǎn)節(jié)能措施中比較重要的環(huán)節(jié)。蘭炭工藝節(jié)能技術(shù)主要有以下方面：

(1)在炭化爐爐體設計上，合理設計磚型和砌筑方式，提高結(jié)構(gòu)嚴密性，避免爐體煤氣泄漏；

(2)合理設計隔熱結(jié)構(gòu)，采用新型保溫隔熱材料，減少爐內(nèi)熱量損失；

(3)采用單爐產(chǎn)能大的爐型，形成規(guī)模效應，減少單位產(chǎn)品散熱損失；

(4)精準控制入爐空氣量和煤氣量，保持炭化爐合理干餾溫度；

(5)調(diào)整炭化室內(nèi)溫度分布，使爐內(nèi)溫度分布均勻，可有效改善干餾工況，節(jié)約能量；

(6)生產(chǎn)裝置采用了 DCS 系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視和控制，實現(xiàn)工藝條件優(yōu)化，以進一步降低生產(chǎn)能耗

(7)合理設計加煤及出焦方式，減少煤氣泄漏；

(8)控制爐頂溫度，減少荒煤氣帶走熱量及為后續(xù)凈化降低熱負荷；

(9)按不同溫度要求，加強循環(huán)水的利用，節(jié)省工業(yè)用水；

(10)爐底采用余熱鍋爐回收蘭炭余熱，每噸蘭炭可回收約0.2 t飽和蒸汽(壓力為1.0 MPa，折合約20 kg標煤)；

(11)采用低水分熄焦工藝，蘭炭水分可控制在15%左右，節(jié)約水撈焦工藝中設置烘干的能耗損失。

2.2 電氣節(jié)能技術(shù)

(1)選用國家規(guī)定的節(jié)能型機電設備；

(2)各種水泵及風機采用新型節(jié)能設備，風機采用變頻電機；

(3)為提高功率因素，減少無功功率損耗，在變配電室設置低壓靜電電容器柜，對低壓設備集中進行無功功率補償；

(4)低壓電動機一律選用 Y 系列高效節(jié)能型三相異步電動機；

(5)廠房內(nèi)一般照明，選用熒光燈或LED燈等高效光源，DCS操作室及辦公室等選用帶無功補償電子鎮(zhèn)流器的熒光燈具；

(6)配電變壓器盡量安排在靠近負荷中心處，縮短低壓線路的長度；

(7)提高負載功率因數(shù)，減少無功電流，采用無功就地補償和提高負載自然功率因數(shù)，使補償后的功率因數(shù)達到0.92以上，用電設備無功功率補償盡量靠近用電負荷，提高變壓器能效；

(8)選用低能耗節(jié)能型電力變壓器，損耗小、效率高；

(9)所有電器設備及材料采用低損耗的電器設備和材料。

2.3 建筑節(jié)能技術(shù)

(1)建筑物的朝向在滿足工藝布置的前提下采用南北向或接近南北向，主要房間冬季爭取日照和避開冷風，有利于節(jié)能；

(2)建筑設計時考慮自然通風良好，提供室內(nèi)環(huán)境對新鮮空氣的需求，提高舒適度，降低通風及空調(diào)設備的耗能；

(3)建筑設計充分利用自然采光，減少了人工照明的能耗；

(4)屋頂設計，選擇輕質(zhì)高效的保溫隔熱材料和合理的構(gòu)造措施。

2.4 通風空調(diào)技術(shù)

(1)采用保溫性和氣密性較好的節(jié)能型門窗，門縫窗縫均安裝密封條，避免漏風，且選用中空玻璃；

(2)通風空調(diào)設備盡量選用節(jié)能型制冷、排通風設備；

(3)合理確定排風量，減少空調(diào)面積，降低能耗；

(4)鼓、引風機等通風設備考慮選用變頻電機，根據(jù)需要調(diào)節(jié)風量，節(jié)約電能。

2.5 其它節(jié)能技術(shù)

(1)盡量借用場地高差，優(yōu)化工段布置，縮短物料輸送距離，使物料流向符合流程；

(2)按照動力系統(tǒng)盡可能地靠近主要負荷中心的原則進行布置，減少動力消耗和輸送損失；

(3)配備各種高精度能源計量儀表，設置能源計量管理機構(gòu)，對進廠原料、出廠產(chǎn)品及各工段的中間產(chǎn)品、動力消耗均設置計量設施，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全流程能耗管控；

(4)提高職工素質(zhì)，強化節(jié)能意識，通過加強管理、提高操作水平等措施達到節(jié)能降耗的目的。

3 蘭炭行業(yè)節(jié)能空間、方向探討

3.1 定制化生產(chǎn)(分級干餾)

目前，蘭炭生產(chǎn)基本采用一種規(guī)格的入爐煤(10～120 mm)，原料粒度相差較大。由于不同粒度所需干餾時間不同，為了不出現(xiàn)生焦，就不可避免的造成部分粒度較小的煤成焦后依舊滯留在干餾段，此時通入爐內(nèi)的煤氣和空氣不完全是用來作為干餾熱源，會導致爐溫的無效提高，浪費能量。因此，如能根據(jù)用戶需要，實現(xiàn)不同炭化爐生產(chǎn)不同粒度的蘭炭，使用粒度范圍更為均勻的入爐煤，使爐內(nèi)干餾更均衡，所有回爐煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量都用于煤的干餾，可以明顯節(jié)省回爐煤氣量，有效降低能耗。

3.2 無水蘭炭技術(shù)

蘭炭生產(chǎn)采用低水分熄焦(水霧熄焦)，可節(jié)省蘭炭烘干能耗，但是成品蘭炭仍含有約15%的水分，在后續(xù)工段利用中，仍然需要將這部分水分烘干。根據(jù)對蘭炭烘干成本的調(diào)研，烘干1 t蘭炭(含水15%)大約需要60 kg標煤，這部分能耗非常大。如果能夠生產(chǎn)無水蘭炭，便可以為后續(xù)工段節(jié)省大量的能耗。現(xiàn)階段無水蘭炭的生產(chǎn)尚沒有工業(yè)化應用的工藝及技術(shù)。研究方向主要有循環(huán)水間接冷卻熄焦技術(shù)和惰性氣體直接冷卻熄焦技術(shù)兩個方向。

循環(huán)水間接冷卻熄焦技術(shù)是將30 mm以下的熾熱的蘭炭首先通過余熱鍋爐回收高溫余熱，降至250 ℃以下然后將蘭炭送入間接冷卻設備(如回轉(zhuǎn)窯、冷渣機等)，冷卻設備一般內(nèi)設列管，管內(nèi)通循環(huán)冷卻水，通過蘭炭與循環(huán)水的間接換熱，將蘭炭溫度降至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入電石裝置作原料。

惰性氣體直接冷卻技術(shù)是將連續(xù)生產(chǎn)的蘭炭收集在一個集焦倉內(nèi)，采用惰性氣體與蘭炭直接換熱冷卻，將蘭炭冷卻至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入電石裝置作原料。

3.3 加大單爐蘭炭產(chǎn)量形成規(guī)模效應

單爐產(chǎn)量較低時，折合單位蘭炭產(chǎn)品散熱面積就較大，單位產(chǎn)品散熱量就大，相對就不節(jié)能。同時單爐產(chǎn)量較低時，對應凈化等輔助配套設施就比較分散，設備數(shù)量就比較多，同樣不利于節(jié)能。根據(jù)蘭炭爐爐型特點，單爐產(chǎn)量越大，單位產(chǎn)品折合散熱面積就越小，散熱量也就越小。因此，提高單爐蘭炭產(chǎn)量，也是減少單位產(chǎn)品能耗的一種方法。

3.4 富氧干餾

現(xiàn)在蘭炭企業(yè)大多采用內(nèi)燃內(nèi)熱式直立爐進行生產(chǎn)，而在生產(chǎn)過程中需要回爐部分煤氣與空氣在爐內(nèi)進行燃燒為煤的熱解提供干餾熱量。由于空氣中含有大量的氮氣，不僅要求輸送設備加大，且這部分氮氣成為煤氣的一部分(陜北蘭炭煤氣中氮氣含量大約在45%左右)。這部分氮氣的存在不僅大大降低了煤氣的熱值，給后續(xù)煤氣的利用帶來不便，同時還從炭化爐中帶走部分熱量、在煤氣凈化工段中又被冷卻下來，白白浪費熱量的同時又加大了煤氣凈化負荷。

富氧燃燒技術(shù)是以富氧與煤氣配合在爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，作為煤干餾所需的熱源，富氧中氧氣含量控制在30%～100%。富氧燃燒的高溫煙氣溫度較高，如果全部采用富氧會造成爐內(nèi)干餾溫度過高，從而影響低溫干餾過程的進行。因此需要通入部分的循環(huán)冷煤氣與高溫煙氣混合，達到低溫干餾所需的溫度(約650～750 ℃)，使煤在合適的溫度下熱解成蘭炭。根據(jù)試驗結(jié)果，采用富氧燃燒，最多可以使煤氣熱值提高兩倍，達到14 MJ/m3，氮含量可降低至5%左右，氫、甲烷等有效成分的含量也大大提高，而煤氣總產(chǎn)量大大降低[13，14]。通過富氧干餾既提高了煤氣質(zhì)量給后續(xù)煤氣利用提供了便利，同時也給本裝置凈化工段降低了負荷，大大節(jié)省了能源。

4 總 結(jié)

(1)采用低階煤中低溫熱解技術(shù)，可以獲取中高附加值的油氣產(chǎn)品及高碳含量產(chǎn)品(蘭炭)，能實現(xiàn)低階煤的分質(zhì)利用，提高能源利用效率和經(jīng)濟價值。

(2)蘭炭節(jié)能降耗是一個系統(tǒng)工程，需要對整個生產(chǎn)過程，甚至整個產(chǎn)業(yè)進行全面考慮，全面、科學的評估節(jié)能技術(shù)的每一個細節(jié)，從而真正降低蘭炭生產(chǎn)能耗。

(3)我國蘭炭行業(yè)處于轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展期，“碳達峰”和“碳中和”的窗口期要實現(xiàn)行業(yè)的進一步發(fā)展，就必須以科技創(chuàng)新為動力加強新技術(shù)、新工藝、新裝置的研發(fā)節(jié)能降耗，促進蘭炭行業(yè)進一步持續(xù)、健康發(fā)展。