低阶煤兰炭干馏炉热工特性研究及工艺参数优化 - 图文

西安建筑科技大学硕士论文

低阶煤兰炭干馏炉热工特性研究及工艺参数优化

专 业：材料加工工程 硕 士 生：陈海波 指导教师：华建社 教授

摘 要

陕北榆林地区的煤炭资源丰富，煤种属于弱粘、不粘的低阶长焰煤，具有低灰、低硫、低磷、高碳、高挥发分的特点，是优质的低温干馏煤种。目前榆林地区主要采用内热式低温干馏获得兰炭（半焦）、焦油、煤气，该工艺具有设备简单，投资低，生产率高等特点，在陕北榆林地区应用广泛。因此，积极开展低阶长焰煤干馏综合利用技术的研究，开发煤低温干馏新工艺、新技术，尽快形成适合低阶煤加工生产成套装备与技术，将对煤炭源综合利用具有重要意义。

本文针对陕北榆林地区煤低温干馏技术的生产现状，介绍了JS方型低温干馏炉炉型结构、低温干馏工艺过程。通过入炉物料（原煤）与出炉物料（半焦、焦油、煤气等）测量，进行长焰煤干馏实验。分析了原煤质量、入煤气炉成分以及兰炭质量对干馏工艺的影响。利用温度、流量、压力、红外等检测仪表对JS 低温干馏炉进行热工测试，分析了炉内温度分布、压力分布、炉内气体气氛对干馏工艺的影响，说明了JS方型低温干馏炉的热工特点。通过干馏炉物料平衡和热平衡的测算，得出 JS干馏炉热工效率为83.87%。

研究结果表明，JS干馏炉适合于长焰煤的低温干馏工艺，炉型结构简单、干馏耗热量低、生产率高；将原煤粒度控制在20~150mm，可使干馏炉内各煤层气流压力分布合理、加热温度均匀、反应充分；将干馏带温度控制在600~680℃，可以确保兰炭质量，提高焦油产率。根据企业的生产条件，可采用煤气富氧燃烧加热方法提高煤气热值，实现长焰煤内热低温干馏综合利用。

关键词：SJ-兰炭干馏炉；低温干馏；物料平衡；热平衡；热效率

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The Thermal Evaluation and Parameters Optimization of

Low Temperature Coal Carbonization Furnace

Specialty: Materials Processing Engineering Name:Chen Haibo Instructor: Hua Jianshe

Abstract

The North Shanxi area is rich in coal resources. In North Shanxi area, the long flame coal (weakly caking or non-stick) has the main features: high carbon content, high volatility, high activity; low sulfur, low phosphorus, and low ash coal mostly. Using this coal as a raw material for pyrolysis reaction, and the products includes charcoal blue, gas and tar. The low-temperature carbonization has the advantages of high efficiency, simple structure,and easy operation . In order to creat a new technology and production equipment,the low-temperature carbonization utilization technology research should develops fast .It has made a outstanding contributions to comprehensive utilization of coal .

For SJ-low-temperature carbonization production status, the theory of low-temperature carbonization furnace structure features were analyzed and summarized. In view of the coal ingredients ,the gas composition ingredients and the semi-coke ingredients，the thermal evaluation and analysis is introduced. Discussion on the factors influencing the process of low temperature carbonization about the temperature distribution,the pressure distribution and the furnace atmosphere. Through the thermal measurement system get the material balance and the thermal balance calculation .The results showed that the thermal efficiency is 83.87％.

The study showed that the low-temperature carbonization has the advantages of, low heat consumption,simple structure,and high efficiency .Keep the raw coal grain size in 20 ~ 150mm can be effective in improving the the gas pressure distribution value and the carbonization reaction. Keep the temperature in 600~680℃ is good to the gas calorific value and tar yield. Combined with the actual production situation, using the

oxygen enriched carbonization can be effective in combustible component content of the gas, and

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improve the level of comprehensive utilization of low temperature carbonization. Keywords: SJ-ow-temperature carbonization furnace; low-temperature carbonization；

heat balance; material balance; thermal efficiency

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目 录

1绪论...............................................................................................................................1 1.1引言.........................................................................................................................1 1.2低温干馏技术发展情况.........................................................................................2 1.2.1国外低温干馏技术研究现状..........................................................................2 1.2.2国内低温干馏技术研究现状..........................................................................3 1.3课题研究的背景、意义及内容.............................................................................5 1.3.1陕北地区煤低温干馏技术应用现状..............................................................5 1.3.2陕北地区低温干馏技术存在的问题..............................................................5 1.3.3课题研究内容..................................................................................................6 2煤低温干馏基础...........................................................................................................7 2.1煤干馏.....................................................................................................................7 2.1.1煤的干馏过程..................................................................................................7 2.1.2煤低温干馏过程中的化学反应......................................................................8 2.1.3煤干馏的影响因素........................................................................................10 2.2煤的低温干馏.......................................................................................................13 2.2.1低温干馏产品的性质....................................................................................14 2.2.2煤低温干馏工艺设备....................................................................................14 2.3干馏炉炉型结构与工艺.......................................................................................15 2.3.1干馏炉设计基础............................................................................................15 2.3.2JS型干馏方炉内部结构.................................................................................16 2.3.3JS型干馏方炉低温干馏生产工艺.................................................................17 3. 兰炭干馏炉实验.......................................................................................................18 3.1实验介绍...............................................................................................................18 3.2实验装置...............................................................................................................18 3.3实验方案...............................................................................................................19 3.4实验数据整理.......................................................................................................19 3.4.1煤气及助燃空气实验....................................................................................19

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3.4.2干馏炉主要工艺参数.....................................................................................19 3.5入炉煤气实际燃烧量测算...................................................................................21 3.5.1 煤气的热值计算............................................................................................21 3.5.2 煤气密度的计算............................................................................................21 3.5.3 煤气实际燃烧量............................................................................................21 3.6荒煤气测算...........................................................................................................23 3.6.1荒煤气实验数据.............................................................................................23 3.6.2荒煤气流速.....................................................................................................24 3.6.3荒煤气流量.....................................................................................................24 3.7炉墙表面温度及散热测算...................................................................................24 3.7.1表面温度实验.................................................................................................25 3.7.2表面散热量测算.............................................................................................26 3.8炉内温度测试.......................................................................................................27 3.8.1温度测点分布.................................................................................................27 3.8.2 测点温度........................................................................................................28 3.8.3炉内温度变化趋势.........................................................................................28 3.9炉顶压力测试.......................................................................................................28 3.9.1炉顶压力实验数据.........................................................................................29 4. 兰炭干馏炉物料平衡................................................................................................30 4.1兰炭干馏炉物料平衡...........................................................................................30 4.2 物料平衡收入项的计算......................................................................................30 4.2.1煤量.................................................................................................................30 4.2.2煤气量.............................................................................................................30 4.2.3空气量.............................................................................................................31 4.3 物料平衡支出项计算..........................................................................................31 4.3.1 全焦量............................................................................................................31 4.3.2 焦油量............................................................................................................32 4.3.3 粗苯量............................................................................................................32 4.3.4 氨量................................................................................................................33 4.3.5 全煤气量........................................................................................................33 4.3.6 水量................................................................................................................34

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4.3.7 差值...............................................................................................................35 5. 兰炭干馏炉热平衡...................................................................................................36 5.1兰炭干馏炉热平衡...............................................................................................36 5.2热平衡收入项计算...............................................................................................36 5.2.1煤气的燃烧热................................................................................................36 5.2.2煤气的显热....................................................................................................36 5.2.3空气的显热....................................................................................................37 5.2.4煤的显热........................................................................................................38 5.3热平衡支出项计算...............................................................................................38 5.3.1兰炭带走的热量............................................................................................38 5.3.2煤气带走的热量............................................................................................39 5.3.3水分带走的热量............................................................................................40 5.3.4焦油带走的热量............................................................................................40 5.3.5粗苯带走的热量............................................................................................41 5.3.6氨带走的热量................................................................................................41 5.3.7炉体散热量....................................................................................................41 5.3.8差值................................................................................................................41 5.4热平衡汇总...........................................................................................................42 5.5干馏炉的热工效率...............................................................................................43 5.6干馏炉耗热量.......................................................................................................43 5.6.1湿煤耗热量....................................................................................................43 5.6.2干煤耗热量....................................................................................................44 5.7煤焦比（干）.......................................................................................................44 5.8主要技术指标汇总...............................................................................................44 5.9干馏炉热工分析...................................................................................................44 6.干馏工艺影响因素分析与讨论.................................................................................48 6.1干馏煤气成分及对干馏工艺影响.......................................................................48 6.2干馏兰炭质量分析...............................................................................................49 6.3入炉煤质量对干馏工艺影响...............................................................................49 6.4入炉煤粒度对干馏工艺影响...............................................................................50

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6.5温度分布及对干馏工艺影响...............................................................................50 6.6炉顶压力对干馏工艺影响...................................................................................51 6.7干馏气氛对干馏工艺影响...................................................................................52 7. 结论与展望................................................................................................................53 致 谢.............................................................................................................................54 参考文献.........................................................................................................................55 附 录.............................................................................................................................58

IV

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1绪论

1.1引言

伴随着我国国民经济的迅速发展，能源与经济消费的日益增加，煤炭的地位显得日趋重要，在我国能源生产与消费结构中发挥着不可代替的作用。因此，煤炭洁净生产、合理开发以及充分有效的利用将会是国家工业发展的又一重要的课题[1,2]。

全世界的低阶褐煤地质储量大约有4万多亿吨，大约占到全球煤炭总储量的40%，其主要分布在亚洲、北美洲和欧洲、[3-5]。我国的褐煤资源相比于其他国家较

[3]

为丰富，资源总量3194.38亿吨，占煤炭总量的12.69%，其主要分布于内蒙古、

云南等地。特别是陕西低阶长焰煤资源丰富，如渭北侏罗纪煤田属于弱粘结性长焰煤，其主要分布于黄陵、彬县、榆林、府谷、横山、靖边等地[6-8]。

低阶煤的缺点是易风化，水分含量较高，容易发生自燃，在煤质的分选与储存中比较复杂，最终使得其有效的利用率受到了很大限制。由于低阶煤具有独特的化学利用价值像如化学的活性高、化学反应性强，很大的提升了其附加值产品的加工与利用价值。因此，如何有效而合理的利用、开发丰富的低阶煤资源，使其生产效益发挥出最大的价值，一直是科技工作者们研究煤深加工技术的课题。常见的低阶煤干馏技术主要有以下几种：入炉煤的直接加热、原料煤的冷加工与热加工，还包括在低阶煤热加工技术的基础上研发新的化工产品、提炼成分等技术。

近年来低阶煤技术的有效利用得到了长足的发展，主要在煤液化、煤汽化以

[9]

及电厂依托原煤发电项目。煤干馏通常是指原煤在隔绝空气或惰性气氛条件下，

进行持续的加热升温并且保证没有催化作用，在这一过程中发生的一系列物理和化学的变化。煤经过干馏反应，生产的化工产品包括干馏的煤气、焦油或酚类产物、焦炭或者兰炭[10]。研究表明，原煤在干馏反应中通常要经历三个阶段。包括干燥段、第一热阶段、第二干馏段。干馏过程的初期温度较低，水分容易受热而蒸发。当温度达到500℃左右时，主要发生大分子缩聚和分解反应，当温度达到800℃左右时会发生脱氢反应

[11，12]

。

在低阶煤的加工技术中，煤的低温干馏技术是一种行之有效的方法。煤的干馏包括煤的低温干馏、中温干馏和高温干馏，最终得到的干馏化学产品有半焦（又称兰炭）、焦油和煤气产品[13,14]。经研究表明，低阶煤的成分中氧元素含量较高，

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干馏后可以得到含量较多的酚类化合物，同时干馏煤产生的煤气可以作为品质优良的燃料或者是化工生产中的原料，而且干馏产生的半焦孔隙比较发达，可以作为吸附材料和过渡材料在化学工艺中使用。所以说低温干馏技术的发展使得低阶煤技术转化的产品呈现出种类多样、用途广泛等特点。

1.2 低温干馏技术发展情况

1.2.1 国外低温干馏技术研究现状

煤的低温干馏技术最早开始于18世纪初，主要是英国和德国为了制取方便、高效的家用燃料，以及初期的煤气照明，开发的烟煤和褐煤干馏技术。随着时间的发展在19世纪中后期，科学家发明了直立式干馏炉和新的干馏技术，煤气在这一时期被广泛的当作燃料气使用。同一时期煤的干馏工艺也相继出现在法国、俄国、美国等国家。20世纪初至20世纪40年代，由于液体燃料的需求量迅速增大，煤的低温干馏工艺实现了空前的发展，人们也开始进一步探索如何用煤干馏的方法制取可用的燃料油，这时候相继出现了德国的Lurgi—Spuelgas、Lurgi—Ruhrlgas、美国的Disco和前苏联的固体热载体快速干馏等工艺[15，16]。在20世纪70年代，较为典型的是美国的Toscoal、COED、Coalcon、Schroeder以及澳大利亚的CSIRO等干馏工艺[17，18]。以下为国外常见的干馏技术：

（1）Lurgi—Ruhrlgas法

Lurgi-Ruhrgas法最早是由德国Lugi GmbH公司与美国一家公司联合开发并用于实际生产。最初的研发目的是为了从低阶煤中提炼焦油。主要工艺特点：在干馏过程中为了避免焦油的凝聚，干馏实验的煤种一般选取弱粘的褐煤或者型煤，原煤的粒度控制在低于5mm以内。干馏反应装置主要由提升管、收集仓、搅拌器、干馏器、分离器、废热回收系统和冷凝分离系统组成。入炉的原煤经过预热后与加热的半焦在干馏反应器中发生干馏反应。反应器中压力为常压态。产生的半焦与热空气混合以后再次进入分离器中，按照固有的反应模式依次进行循环反应。一般为了得到热值较高的煤气，将干馏反应中的挥发物送入净化除尘系统进行除尘、冷却[19]。

（2）德国的Lurgi—Spuelgas法

Lurgi—Spuelgas是由德国Lugi GmbH公司研发的一种低温干馏工艺。原料煤一般选取粒度在20至60mm之间的烟煤和褐煤。干馏工艺中干燥段与干馏段区分明显，上下两段各有燃烧器混合空气与循环气。燃烧产生的烟气至下而上流动，

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与入炉煤接触以后加热使其分解，在500℃左右时发生干馏反应。生成的半焦被冷气体冷却，最后经过冷却与洗涤后得到焦油

（3）Toscoal法

70年代初期美国油页岩公司（Oil Shale Crop）和Rocky Flats研究中心为了研究油页岩低温干馏工艺，建立了20t/d试验示范基地，最终发明了Toscoal法，全名为美国Toscoal瓷球固体热载体干馏工艺。主要工艺特点：干馏原煤选用弱粘或者不粘的烟煤。瓷球加热器中产生的高温烟气对制备好的原煤进行预热、加热，原煤受热分解发生干馏反应。瓷球与产生的半焦机械分离后，再次进入提升管进行循环加热。最后对干馏产物进行净化、回收。干馏反应装置主要由原料槽、提升管、分离器、洗涤器、瓷球加热器、干馏炉、筛、半焦冷却器和油气分离器组成[21]。

（4）LFC法

在80年代末至90年代初美国的SGI公司与SMG公司在科罗拉多州建立了第一座以LFC法为干馏基础的1000t/d示范厂。LFC法属于一种温和汽化干燥干馏工艺。主要特点：干馏炉的中部有一个细格子转鼓，将入料煤与热循环气体进行对流混合。原煤经过干燥后在干馏器中发生干馏反应。干馏产物经过冷却、洗涤进入回收系统[22，23]。

（5）CSIRO法

CSIRO法是一种由澳大利亚科学家发明的流化床快速干馏工艺，于上世纪70年代由澳大利亚联邦学院与工业学院联合开发并在实践中推广使用。反应器中的流化床层由1mm厚的砂粒组成，入炉的原煤经过液化氮气由水喷的冷煤气喷入干馏反应器中，经过预热的氮气由反应器底部进入流化床。原料煤粉末在干馏反应中受热膨胀，加热前需要进行除尘处理，经过多次实验后利用石油焦、加氢流化替代砂粒层

[24]

[20]

。

。

1.2.2国内低温干馏技术研究现状

我国低温干馏技术的发展最自始于20世纪50年代，在研究初期研究者只是对煤干馏工艺的基础进行研究。在50年代末建造了上吸式炉、水平铁甑等干馏装置，随着干馏技术的进一步发展相应的出现了流化床快速干馏工艺，并且进行了10t/d规模的中间试验[25,26]。

60年代中期，大连工业大学的科研工作者们开发了辐射炉快速煤干馏工艺，于1979年建立了15t/d规模的工业示范厂。

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80年代，大连工学院研究出了固体热载体煤干馏工艺，在内蒙古地区建起了新的干馏工艺生产基地，开展褐煤干馏技术的研究和新型工艺的开发。固定床干馏实验在华东理工大学的实验室中有序开展。北京化工研究部门开展了MRF干馏工艺的研究，并在内蒙古海拉尔建立起了2×104t/d规模的褐煤MRF干馏工业示范厂。下面介绍几种国内常见的干馏技术：

（1）MRF干馏工艺

MRF干馏工艺是由中国煤科总院研发的多段回转低温干馏工艺。原料煤以低变质的褐煤为主，入炉煤粒度控制在6～30mm。主要干馏设备包括：燃烧炉、干馏炉、干燥炉和半焦冷却炉。工艺特点：入料煤经过干燥器干燥以后，首先在外热式干馏炉中发生低温干馏反应，干馏温度控制在600～700℃。得到的半焦以及其他干馏产物经过脱灰、除尘、冷却以后进行回收储存。

（2）固体热载体干馏工艺

大连理工大学于1981年开始研究提升管固体热载体干馏工艺，于1990年在平庄建成了5.5万t/a褐煤固体热载体工业试验基地。工艺流程：入炉的褐煤首先经过提升管干燥，与加热的半焦混合后在500℃时发生低温干馏反应，热载体半焦的温度可以达到800℃。主要特点：实验操作简单，易于控制，焦油产量高。

（3）HPU干馏工艺

HPU热压成型干馏工艺是由神华集团与中国矿业大学联合研究开发的一种新型干馏方法。破碎的入炉褐煤经过气流干燥和旋风分离器，在反应器中发生干馏反应，最后由成型机压制成型。目前已经建立了50万t/a的工业示范基底。

（4）神华固体热载体干馏工艺

该工艺是由神华集团煤制油化工研究院研发的，属于模块化的固体热载体干馏方法，目前已经建立了6000t/a的实验示范基地。主要工艺流程：将符合粒度要求的入炉褐煤送入煤回转干燥器，与经过半焦加热回转窑的热半焦混合后进入干馏器中发生干馏反应。主要特点：入料粒度宽；采用固体载热加热；干馏产率高；

近年来我国煤干馏技术的发展趋势主要有以下两种：

（1）研究低阶煤干馏的基本变化规律，对干馏工艺进行优化。

（2）煤干馏设备的大型化。通过设备大型化，提高煤干馏的生产效率，实现低阶煤干馏的燃烧。

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1.3 课题研究的背景、意义及内容

1.3.1 陕北地区煤低温干馏技术应用现状

陕北地区有着丰富的煤炭资源优势，近年来煤干馏工艺技术的发展速度非常快，同时也带动了金属镁冶炼以及相关化工产业的发展，对当地的经济建设做出了突出的贡献。在陕北地区，煤种多属于长焰煤（弱粘或者不粘）主要特点就是三高三低：含碳量高、挥发性高、活性高，低硫、低磷、低灰

[29]

。利用低阶煤作

为原料进行干馏反应，将得到的化工产品包括兰炭、煤气和焦油进行有效利用。

在榆林地区低温干馏技术的发展中JS 方形干馏炉已经成为主要的干馏生产炉。JS 方形干馏炉主要采用内热式燃烧工艺，炉内为大空腔结构，炉体主要由干燥段、干馏段、冷却段三部分组成。原料煤主要来自榆林地区的低阶煤。燃烧时利用支管混合器输入助燃空气与燃气，采用水封冷却熄焦技术。榆林地区低温干馏技术经过近年来的长足发展已经形成60万t/a兰炭生产基地，低温干馏技术也得到了有效地推广。

由于榆林地区的兰炭企业起步较晚，发展中遇到了一系列的问题。首先污染比较严重，荒煤气得不到有效利用。企业的生产效率相比国外先进水平偏低，部分中小企业兰炭的质量不达标，干馏后产生的荒煤气热值偏低，不能有效地回收利用，这些问题都直接影响着榆林地区能源化工项目的发展与建设[30,31]。 1.3.2陕北地区低温干馏技术存在的问题

JS 方形干馏炉具有炉体结构简单易于操作、炉内加热均匀，热工效率高等特点，但是由于采用内热式加热方法，炉型结构需要进一步优化改进，热工参数有待于进一步优化处理。

（1）内热式低阶煤低温干馏，采用了助燃空气和煤气混合燃烧加热的方式，助燃空气中含有大量的N2，燃烧后的热气体进入出炉煤气中，由于煤气中含有大量的N2和CO2，煤气的有效成分相对含量较低，使得煤气热值偏低，煤气合理利用受到限制，所以煤气以直接燃烧排放为主，造成资源浪费，环境污染严重。 （2）由于对低阶煤干馏过程及机理研究不够深入，有些工艺参数的确定及控制主要是依据经验制定，很难保证合理的干馏工艺参数，这样使得干馏工艺参数控制及设备操作系统也很难优化运行。

（3）在内热式低阶煤低温干馏工艺中焦油产率受到冷却水洗涤的影响，不能有效的分离焦油

[32]

。

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1.3.3课题研究内容

（1）煤气内燃烧加热的条件下，研究低阶煤干馏基础与JS干馏炉特点。 ①研究在内燃烧加热条件下，低阶煤低温干馏过程。

②研究在内燃烧加热条件下，干馏温度、加热速率、干馏压力等因素对低阶长焰煤干馏产物半焦、焦油、煤气产率与性质的影响规律；

③研究JS干馏炉炉型结构特点与低温干馏生产工艺过程；

（2）在JS干馏炉稳定生产的状态下进行低温干馏炉实验，进行热工测试。 （3）进行干馏炉物料平衡测算，通过低温干馏产物量的分析，讨论干馏过程的影响因素。

（4）进行热平衡测算，分析干馏炉热工参数及工艺特性，提出有效的节能减排措施。

（5）通过干馏炉实验，分析入炉煤和兰炭的成分、入炉气体的成分以及入炉煤粒度对干馏工艺的影响；通过干馏炉实验对干馏炉炉内温度分布、压力分布规律和炉内干馏气氛的研究分析干馏工艺的影响因素；

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2 煤低温干馏基础

2.1 煤干馏

煤干馏（干馏）是指煤在隔绝空气中加热后发生的一系列的物理和化学反应。煤的低温干馏过程按照温度可分为三种（1）低温干馏（450~750℃）；（2）中温干馏（750~950℃）；（3）高温干馏（950~1150℃）。

煤的低温干馏产物与生产效率主要由原煤的质量、干馏炉的炉型结构和低温干馏过程中的各项热工参数决定。通常情况下，低温干馏的焦油生产效率高，生产的焦块颜色较黑，内部结构呈疏松态。煤的高温干馏主要产生工业芳烃，成为冶金用焦的重要来源；煤的中温干馏生产效率在高温和低温干馏之间。作为工业燃料的H2和CH4是干馏煤气的重要组成部分。 2.1.1 煤的干馏过程

煤在无氧的的情况下进行加热，发生一系列的物理和化学变化，生成干馏煤气，焦油，兰炭等。通常情况下典型烟煤的干馏过程如下图所示。

图2.1 传统的烟煤干馏变化图

煤的干馏过程一般经历三个阶段：

第一阶段（常温~300℃）：在这一阶段中，原煤的结构没有发生较大的变化，在120℃左右时发生脱水反应，随着温度的升高，气体会被蒸发掉。

第二阶段（300~600℃）：第二阶段为兰炭的生成过程。包括焦油、干馏煤气的产生。在300~450℃中，通过系列的物理和化学反应生产出焦油和煤气。在

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450~600℃时生产的气体量会越来越多。一般干馏煤气的热值较高，主要原因在于干馏煤气的成分中不仅含有CO、CO2和干馏的水分，还有大量的气态烃。而烟煤在这一阶段发生了一系列的特殊变化，包括软化、熔融和膨胀，一直到再固化，最终生成了由三相（气、液、固）共存的胶质体。液晶存在于液相中。原煤粘结性和成焦性的好坏对胶质体的质量和数量有着较大的影响。固体产物兰炭和原煤作比较，部分物理性能指标没有发生变化，可见在低温干馏的过程中，生成兰炭的缩聚反应发生不够彻底。

第三阶段（600~1000℃）：在最后一个阶段中开始向半焦发生转变，干馏过程中主要的反应为缩聚反应。这一阶段焦油的析出量很少，主要的挥发成分为煤气，当温度高于700℃时H2的含量占有较大的比例。当温度达到最高值时就会产生石墨化的碳素材料。在干馏煤气产生的同时，兰炭的内部结构也在发生变化，半焦的内部开始收缩，最终产生了小的块状物质，形成大量的裂纹[33]。 2.1.2 煤低温干馏过程中的化学反应

煤在干馏的过程中会发生一系列的干馏反应，随着温度的升高，不同的阶段有着不同的裂解过程[37]。

（1）煤化学裂解过程

1）主要的自由基有以下的化学成分组成： —CH2—、—CH2—CH2—、

—CH2—O—、—O—、—S—、—S—S—等。

2）甲烷等烃类气体会在温度达到一定程度时，随着脂肪链的分解产生。 3）在裂解反应的过程中基体裂解的顺序为：

OH

4）在干馏工艺的入炉煤中一些挥发性的物质会随着温度增高而产生。 （2）干馏产物的反应过程

一般的干馏产物中发生两次干馏反应，主要经过以下的过程： 1）裂解反应

C2H6

C2H4CH4

C2H5

>

CO

>

COOHC2H4+H2 CH4+C C+2H2

C2H4

2）脱氢反应

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C6H12

CH23H2

H2

CH2

3）加氢反应

OH

H2

CH3

H2O

H2CH4

NH2

H2NH3

4）缩合反应

C4H6

2H2

C4H6

2H2

5）桥键分解

C2H2+H2OCH2+O

CO+2H2 CO+H2

（3）煤干馏中的缩聚反应

干馏反应主要以裂解和缩聚反应为主。裂解反应主要发生在干馏的前期，缩聚反应主要在干馏的后期，其中缩聚反应对煤的低温干馏产物质量的影响较大。

1）兰炭的生成：在煤的干馏反应中，胶质体在固化的过程中发生了缩聚反应，主要包括自由基的缩聚与反应。

2）兰炭的分解：兰炭的形成过程中发生了缩聚反应，一般都是在残留物间的反应。

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1

123

234H2

4

4

2

H22H2

3）半焦的加成反应

H2C

HC

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH

R

HCCH2

CH2CHR

2.1.3 煤干馏的影响因素

影响煤低温干馏的因素有很多，主要包括煤的干馏程度、煤的加热温度、干馏的压力和以及干馏过程中的环境影响条件[34]。

（1）煤的干馏程度 煤干馏过程中煤的干馏程度对煤化产品的质量有着重要的影响。对于煤的干馏反应活性和粘结性、结焦性、煤化产品、入炉煤的温度都有着重要的影响。不同的煤种在在不同的干馏开始温度下，煤化程度发生变化，如2-1所示。C1~C3的烃类产率先随碳化程度升高而增加，大约在碳含量87%左右达到最大值，然后随碳化程度继续增加而减小。

表2-1 不同煤种的干馏开始温度

煤种 干馏开始温度/℃

泥煤

褐煤

烟煤

无烟煤

190~200 230~260 300~390 390~400

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由表2-1可知无烟煤的干馏开始温度最高达到了400℃左右，而泥煤的干馏开始温度最低只有200℃左右。

（2）干馏的最终温度影响 在煤的低温干馏、中温干馏和高温干馏三种加热条 件下的干馏产物性质，由于干馏温度的不同，使得产品组成率发生变化，见表2-2。

表2-2 不同干馏温度下干馏产品的产率与性质

产品产率与性质

固体产物

低温干馏 半焦

中温干馏 中温焦

高温干馏 高温焦

焦炭/% 80~82 75~77 70~72

焦油/% 9~10 6~7 3~5

煤气/（m3/t） 120 200 320

焦炭着火点/℃ 450 490 700

比重 <1 1 >1

中性油/% 60 50.5 35~40 焦 油

酚类/% 25 15~20 1.5

焦油盐基/% 1~2 1~2 1~2

沥青/% 12 30 57

游离碳/% 1~3 1~5 4~10 中性油成分

脂肪烃、芳烃

脂肪烃、芳烃

芳烃

H2/% 31 45 55 煤 气

CH4/% 55 38 25 发热量/（kJ×103/m3） 31 25 19

产率/% 1.0 1.0 1.0~1.5 组成

脂肪烃为主

芳烃50%

芳烃90%

由表2-2可见，在温度的不断增加过程中，酚类和脂肪烃开始下降，干馏煤气的产量在增加，发热量降低。从煤气的成分中可以看出，煤气中H2的含量不断增加，CH4的含量有所下降。

（3）煤的升温速度 干馏的升温速度能够影响煤的粘结性。见表2-3。

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表2-3 升温速度对煤胶质体温度范围的影响

升温速度/（K/min）

开始软化温度/℃

开始固化温度/℃

胶质体温度范围/℃

3 348 424 76 5 344 450 106 7 378 474 96

从表2-3中可以看出，升温速度变大时，原煤中胶体温度的范围不断增加，但是焦炭强度受到影响，随着裂纹的产生降低了收缩度。在热动力学反应中，煤在干馏反应中吸热。当温度增加时内部结构没有得到完全分解，只有逐渐加大升温速度，才能达到完全干馏的效果。所以胶体温度会随着温度升高的方向扩大。还有随着升温速度的提高，在一定条件下挥发和分解速度较低，使得胶体难以收缩。一些烃类物质会随着温度升高而产生，从而提高了焦油的生产率。

（4）干馏压力 从化学反应的热力学平衡过程来看，当炉内压力增大时煤内气体成分中H2和CO的含量会下降，CH4的含量会增加，随之煤气的热值相应提高。研究表明，在较高的压力下进行干馏反应，原煤的粘结性也会发生改变。表2-4为不同的压力下不同煤种的G指数的关系。

表2-4 G与热加压力的关系

压力/MPa

常压 0.5 1.0 1.5 2.0 2.9 4.0

伊兰 0 6.2 14.4 16.3 17.8 19.3 21.8 窑街 0.8 3.0 11.9 13.1 16.0 16.1 17.1 大同 9.0 16.2 16.5 —— 17.0 —— 17.3 王庄 17.5 34.5 39.8 —— 42.4 52.2 —— 淮北 55.7 66.9 —— —— 73.1 —— ——

煤种

分析表明，热键压力和G指数成正比例关系，通常情况下加压气化也是煤气化发展的一种趋势。研究表明，原煤的粘结性会随着干馏压力的增加而增加，只适用于若粘结性或者没有粘结性的煤种，因为对于不黏的煤种，压力再大仍然保持粉末状态，例如褐煤。由于原煤的堆放地点大多是在露天的条件下，这时部分原煤就会发生缓慢的风化作用，从而大大的降低了原煤的黏结性，更严重的会发生完全破坏。通常情况下会使用煤的预氧化技术来改变原煤的黏结性。

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（5）干馏气氛

在不同的干馏气氛中，产生的挥发产物也不同，例如在干馏气氛下加氢，仅仅需要较短的时间就会产生较多的挥发产物，见表2-5。

表2-5 某烟煤干馏与加氢干馏产率比较

产率/%

气氛

H2 6.9MPaH2 0.1MPa H2 6.9MPa

CO 2.4 2.5 —— CO2 1.2 1.7 1.3 H2O 6.8 9.5 —— CH4 2.5 3.2 23.2 C2H4 0.8 0.5 0.4 C2H6 0.5 0.9 2.3 C3H6+C3H8 1.3 0.7 0.7 其他烃类 1.3 1.6 2.0 轻质油 2.4 2.0 5.3 焦油 23 12 12 焦炭 53.0 62.4 40.2

从表2-5中可以看出，生产效率增加最快的是轻质油，生产率增加较明显的是CH4，产率有着明显降低的是干馏生产中剩余的残炭。造成上述现象的主要原因有两点：第一，干馏过程中由裂解生成的碳增加了活性；第二，在加氢反应中，当加氢压力增加时，加氢的反应速率会相应的提高；所以工业分析值远远低于加氢干馏的挥发分产率，当加氢压力为6.90Mpa时，干馏温度为1000℃时，他的挥发分生产率为所测工业分析挥发分的150％。研究表明，加氢干馏的条件下干馏产物总量（气态和液态）要高于常压下的产物，国外的研究员已经尝试着用煤值来取代天然气或者轻质油，并且已经有了一定的进展。研究表明，加氢干馏的条件下干馏产物总量（气态和液态）要高于常压下的产物，国外的研究员已经尝试着用煤值来取代天然气或者轻质油，并且已经有了一定的进展[35]。

2.2 煤的低温干馏

煤低温干馏是在隔绝空气的条件下，将煤加热到600℃左右，使其分解，生成焦油、半焦和干馏煤气。低温干馏生产出“低温”半焦,可广泛用于铁合金、电石、化肥造气等行业；“低温焦油”可用作燃料油组分及炼油厂的原料；“低温干馏”煤气可用作燃料、发电等。

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2.2.1低温干馏产品的性质

通过前面的描述已知煤的低温、中温、高温干馏的干馏过程有着较大的区别，包括产品的结构和性质，干馏反应的温度和压力，以及煤气的产量和组成部分，详见表2-2。表2-6显示了常见煤种的兰炭和焦炭性能的不同。

表2-6 半焦和焦炭的性质

反应性

炭料名称

孔隙率/%

/[ml/（g·s）]

比电阻 /（?·cm）

强度/%

褐煤中温焦 36~45 13.0 —— 70 苏联列库厂半焦 38 8.0 0.921 61.8 长焰煤半焦 50~55 7.4 6.014 66~80 英国气煤半焦 48.3 2.7 —— 54.5 60%气煤配煤焦炭 49.8 2.2 —— 80 冶金焦（10~25mm） 44~53 0.5~1.1 0.012~0.015 77~85

从表2-6中可以看出，半焦的比电阻与反应性比冶金焦高出很多，随着煤变质程度的变化，比电阻与反应性也随着改变，呈反比例增长；半焦的孔隙率比焦炭高出10个百分点；但是冶金焦的强度比半焦高；由于原煤的含硫量较高，反应性随着下降；半焦有着较高的比电阻特性，较高的反应性，不仅可以用作铁合金生产的优质原料、活性较好的燃料，而且还可以作为还原剂制造活性炭。 2.2.2 煤低温干馏工艺设备

近年来干馏炉已经广泛的用于低温干馏工艺的生产。常见的干馏炉为内部大空腔结构，采用三段式燃烧，满足炉内加热均匀，操作方便，容易控制。常见的原煤品种较多，原煤粒度的大小也有差异，保证干馏产物的质量也是衡量干馏炉的重要指标。按照炉型结构可以分为三段式和两段式干馏炉。按照不同的加热方式，又可以分为内热式干馏炉和外热式干馏炉。

（1）外热式炉

外热式低温干馏炉主要特点就是燃烧室和干馏室并不连通，燃烧室中产生的高温气体对原煤进行间接加热，使入炉煤发生干馏反应。直立的外热式炉炉顶装有下料仓，炉体底部有排焦口，燃烧室的内部有挡火的墙体，烧嘴一般设在燃烧的两侧，燃烧室有出风口。常见的如考伯斯炉，特点就是加热方式为上下交替的蓄热式加热，炭化室和燃烧室相隔，加热速度快，易于操作，炉体在运行的过程中没有卡料和悬料现象，投资低、产量大。缺点在于：干馏段低向温度不均匀，

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半焦的质量不稳定，焦油的生产效率较低，当炉内透气性不好时加热不均匀。

（2）内热式炉

内热式干馏炉的主要特点就是干馏室和燃烧室没有明显的界限，通常为一个大空腔结构。典型的内热式炉如鲁奇三段炉，基本原理是助燃空气和煤气从燃烧室的一层混合进入，经过燃烧后产生的高温烟气由下至上向炉顶扩散，同时原煤经过入料仓由上至下在炉体内自由下落，相遇后发生原煤的干馏反应。优点在于结构简单，易于操作，燃烧充分，热效率高。主要的缺点：入炉煤的粒度不能太低范围在15~80mm；只适用于粘结性较低的煤种；产生的干馏煤气热值较低。 在我国，常见的煤低温干馏炉主要有以下四种：

（1）外热式直立炭化炉 依据外热炉的特点，提供居民生活用煤气作生活燃料；

（2）内热式直立炭化炉 主要产品以兰炭为主，焦油和干馏煤气作为副产品被集中利用。山西、内蒙东胜等地主要采用该工艺进行低温干馏工艺的生产。近年来由陕西冶金设计研究院设计的内热式直立炭化炉在陕西省神木县和府谷县得到了广泛使用。

（3）直立不完全气化炉 主要生产城区生活用煤气，以供市民需要。 （4）小型炭化炉 该炉型结构简单，易于操作，投资小，产量大。主要产品为兰炭，副产品为焦油和其他化工产品。

综上所述，对低阶煤干馏目前多采用直立竖式外热炉或内热炉，干馏温度主要以中温（温度范围700～900℃）、低温（温度范围400～700℃）工艺居多。典型干馏技术的有西方干馏法、COED法、TOSCOAL法和鲁奇－鲁尔煤气法等

[34]

。

在我国竖式炭化炉一般以不粘煤为主，主要的炉型代表为考伯斯外热式直立炭化炉，这种炉型主要用来生产城市生活中所需的煤气；二是内热式直立炭化炉，该炉的干馏产品主要是兰炭，回收的化学副产品主要以焦油为主；三是一种直立的汽化炉，主要的化工产品仍是半焦和焦油；还有一种小型炭化炉看作是内热式直立炭化炉的简化炉型。

2.3 干馏炉炉型结构与工艺

2.3.1 干馏炉设计基础

JS型干馏方炉由神木三江煤化公司设计发明，结合了国内外常见的炉型如鲁奇炉、两段炉和温克勒炉等。鲁奇炉最早发明于德国，操作压力高，通常用来制作发生煤气。两段炉典型的代表有法国的GI炉、英国的WD炉等，主要特点就是

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常压操作，炉内上下两部分产生的煤气热值不同，上部热值较高，下端的煤气热值偏中。

2.3.2JS型干馏方炉内部结构

JS 方形干馏炉是在鲁奇式三段炉的基础上，结合榆林地区低温干馏工艺的生产特点，通过炉型优化、改造设计出的一种新型干馏炉，主要采用内热式燃烧工艺。方形干馏炉的具体结构特征如下图所示。方形干馏炉的主要组成包括炉体上方的入料仓、集气阵伞；炉体中部为空型炉腔，空煤气管由炉体侧方通入炉内，花墙设在炉体的下部，每排花墙中插入支管混合器；炉体的下部为排焦装置，包括刮焦机、导焦槽，炉体的最低部是水封槽。

图2.2 JS干馏炉结构示意

1—料仓；2—阵伞；3—炉体空腔；4—空煤气管； 5—花墙；6—干馏段；7—刮焦机；8—熄焦池

炉顶的集气阵伞主要有主伞、付伞和上升管组成。付伞的作用是收集低温干馏过程中产生的荒煤气，最后汇合于主伞中，上升管的主要作用是将荒煤气排出干馏炉炉体外部；支管混合器由内管、外管组成，内外管属于复合钢管结构，旋流叶片位于内外管的接口处对高速入口的煤气进行旋转分流，最后与入炉的空气混合进入炉内燃烧；推焦机一般位于炉长方向，导焦口与排焦箱一一并联，导焦口设在水封装置的下部，兰炭下落后通过刮焦板刮出。

JS 方形干馏炉的主要特点: ①炉体结构简单，内部为大空腔结构，主要由入料口、炉体干馏段、炉底出焦装置3部分构成；②炉内加热均匀，利用内热式燃烧技术，入炉气体通过支管混合器供入、通过花墙布气；③炉体上部设有集气阵伞，集气均匀；

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2.3.3 JS型干馏方炉低温干馏生产工艺

图2.3 干馏工艺流程图

1—入料仓；2—干馏炉体；3—熄焦池；4—刮焦机；5—文氏塔； 6—旋流塔；7—鼓风机；8—分离池；9—焦油泵；10—氨水泵； 11—焦油池；12—斗式提升机；13—排空管；

陕北地区JS干馏炉主要采用内热式低温干馏工艺，主要的工艺流程如图所示。干馏工艺的第一步是入炉煤的选取，目前神府地区主要采用不粘或者弱粘的长焰煤作为低温干馏的原料，一般入炉煤的粒度要求为10至100mm之间。利用斗式提升机将原煤通过运煤箱送入炉顶的入料仓。入炉的原煤在通过集气阵伞时进行入炉分料，同时保证入料的均匀。依靠入炉煤自身的重力，入炉煤在炉体的空腔中自由下落，分别经过干燥段和干馏段，最后落入熄焦槽中冷却。在干燥段，下落的原煤与干馏产生的高温烟气接触，原煤中部分水蒸气被蒸发掉。这时候产生的荒煤气主要包括干馏产生的煤气、加热的废气、冷却水煤气，在对原料煤预热以后通过集气阵伞排出炉体。随着原煤的下落逐渐进入干馏区，干馏区内加热温度逐渐变大，在601.8~677.9℃之间发生干馏过程的干馏反应，依次生成半焦、析出焦油。原煤在经过加热区域后进入冷却段，生成的半焦直接落入水封的导焦槽中，依靠水冷的作用导焦槽中会产生大量的水煤气，温度较高的水煤气对炉料进行加热。荒煤气离开炉体后在文氏塔与旋流塔中逐步降温冷却。焦油泵将沉淀的焦油抽入焦油池进行脱水，最后依并储存

[37、38]

。

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3 兰炭干馏炉实验

3.1 实验介绍

将助燃空气与煤气在炉内混合燃烧，对入炉煤块进行加热，使其发生干馏反应，实现煤的低温干馏成焦。在干馏反应的过程中，要确保各项热工参数的稳定运行，合理调整煤块的下落速度、入口空气和煤气的进入速度，以及低温干馏炉内的干馏温度、压力等。在实现低温干馏过程，制定合理的工艺参数、实现设备及设备操作系统优化。低温干馏工艺流程见图3.1。

燃 气 干馏炉 空 气 荒煤气 焦油捕收 富余煤气 净煤气图3.1 低温干馏工艺流程图

3.2 实验装置

神木县三江煤化工有限公司JS-Ⅲ型4#兰炭干馏炉，见图2.2和2.3。

图3.2 低温干馏炉结构示意图

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3.3 实验方案

（1）本次实验以兰炭干馏炉炉子本体（即炉顶荒煤气出口至出焦口）作为物料及热平衡一个体系；

（2）当兰炭干馏炉运行到稳定状态后测定炉内温度和压力分布；

（3）兰炭干馏炉在正常稳定的工况下进行运行，确保炉子各项运行参数稳定，操作正常，进行兰炭干馏炉物料进入量、流出量的测定，物料平衡测算和热平衡测算。

3.4 实验数据整理

3.4.1 煤气及助燃空气实验

兰炭干馏炉燃烧室供给煤气量、燃烧所用助燃空气供给量、压力的实验数据如表3-1所示[39，40]。

表3-1 煤气及助燃空气测试值

时间 平均值

空气压力 回炉煤气压力 空气流量 回炉煤气流量

3

(Kpa) (Kpa) (m/h) (m3/h)

6.738 2.477 3004 5135

3.4.2干馏炉主要工艺参数

兰炭干馏炉小时装煤量、煤温；回炉煤气流量、温度、压力；兰炭干馏炉燃烧室燃烧煤气量及相关参数测算如表3-2。煤气的干湿成分如表3-3、3-4所示。原煤工业成分分析结果如表3-5所示。兰炭工业成分分析结果如表3-6所示。 主要工

艺参数见表3-7。

表3-2 煤气物性参数

项 目

助燃空气流量/ （Nm3/h） 入炉煤气流量/ （Nm3/h）

数 据

3004 2867.6 5135 4588.3

备 注

工况 标况 工况 标况

煤气密度/（kg/m3） 0.77

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表3-3 煤气干湿成分分析值

g

CO2

Og2 Os2

COg

g

H2 g

CH4 g

N2

8.9 1.7 10.3 36.2 14.2 30.1

s

CO2

COg

s

H2 s

CH4 Ns2

8.24 1.57 9.53 33.5 13.15 27.85

表3-4 煤的工业分析值

全水

项目 含量/%

10.01 4.03

3.54

33.35

59.09

水分

空干基灰分

空干基挥发分

固定碳

表3-5 兰炭的工业分析值

项目 含量/%

全水

水分

空干基灰分

7.24

空干基挥发分

8.25

固定碳 83.09

9.1 1.42

表3-6 干馏炉主要工艺参数

项目

工艺参数

备注

小时装煤量/（t/h） 11.6

入炉煤温度/℃ 25 荒煤气出炉温度/℃ 67 入炉煤气入炉温度/℃ 40 入炉煤气流量/（m3/h） 5135

入炉煤气压力/kpa 2.477 表压 助燃空气入炉温度/℃ 32 助燃空气流量/（m3/h） 3004

助燃空气压力/kpa 6.738 表压

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3.5 入炉煤气实际燃烧量测算

3.5.1 煤气的热值计算

s

QDW=126.3COs+107.9Hs2+358.4CH4 （3-1）

式中 QDW?入炉气体燃料低位发热值，kJ/m3

COs、Hs %； 2—进入炉体的气体燃料中可燃成分所占体积燃成数，

107.9—可燃成分相对应的发热值，kJ/ m3 126.3、

利用上式中得到的数据代入公式（3-1）

QDW=1 26.3×9.53+107.9×33.5+358.4×13.15

33

=8.53×10kJ/m3.5.2 煤气密度的计算

sssSS

28Ns2+32O2+28CO+44CO2+H2+CH4

ρmq= （3-2）

22.4×100

式中 ρmq—气体的密度，kg/m3；

28、32—氮气、氧气等相对应的分子量；

s

Ns%； 2、O2—各成分所占体积百分数，

ssss

利用表3-3中Ns2、O2、CO、H2、CH4的数据通过公式（3-1）计算出：

ρmq=0.77 kg/m3；

3.5.3 煤气实际燃烧量

1

CO+O2??→CO2

21

H2+O2??→H2O

2

?→CO2+2H2O CH4+2O2?

利用以上的反应方程式，可以计算出煤气燃烧理论需氧量

11ssCOs+Hs2+2CH4?O2

2 （3-3） Ly=2100式中 Ly——煤气燃烧理论需氧量，m3/m3。

将表3-6中的相关数据代入式（3-3）可得

11

×9.53+×33.5+2×13.15?1.57

2Ly=2=0.46m3/m3

100

所以，此时煤气燃烧所需的理论氧气流量

Qy=LyQmq （3-4） 式中 Qy——煤气燃烧所需的理论氧气流量，m3/h；

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Qmq——煤气流量，m3/h。

由表3-2可知， Qmq=4588.3m3/h，将以上数据其代入式（3-4）可得

Qy=0.46×4588.3=2110.62m3/h

由表3-2可知实际助燃空气2867.6m3/h中含氧气流量为602m3/h小于理论氧气流量，则此次燃烧为不完全燃烧。

实际所需的煤气流量

Qsmq=Qmq

QsyQy

（3-5）

式中 Qsmq—实际所需煤气流量，m3/h；

Qsy—实际氧气流量，m3/h；

表3-2中显示Qsmq=4588.3m3/h， Qy=2110.62 m3/h，Qsy=2867.6ⅹ0.21=602.m3/h，利用以上数据通过公式（3-5）可以算出

最终得到实际的燃烧煤气流量：

Qsmq=4588.3×

602.0

=1246.74m3/h

2110.62

实际的吨煤燃烧煤气流量：

Qsmq1246.74

==107.48m3/t Vsmq=G11.6Q1246.74

Gsmq=ρmqsmq=0.77×=110.96.kg/t

G11.6式中 Qsmq——煤气实际燃烧量m3/t；

Gsmq——煤气实际燃烧量 kg/h

G——小时入炉煤量 t/h；由表3-2可知，G=11.6t/h

多余煤气流量

Qymq=Qmq?Qsmq （3-6）

由表3-2可知，Qmq=4588.3m3/h，已知Qsmq=1246.74m3/h，代入公式（3-6）可得

Qymq=4588.3?1246.74=3341.56m3/h

表3-7 入炉煤气际实燃烧量计算结果表

煤气流量／Qmq（m3/h）

理论需氧量

Ly／ （m3/m3）

理论氧流 Qy／（m3/h）

实际氧气量／Qsy（m3/h）

燃烧煤气量／Qsmq（m3/h）

未燃烧煤气 量／Qymq （m3/h）

107.48 吨煤燃烧煤气量／Vsmq（m3/t）

4588.3 0.46 2110.62 573.5 1246.74 3341.56

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3.6 荒煤气测算

荒煤气的测量中主要是对荒煤气流速与流量的测量。常用的流速计主要有流体瞬时的检测或者流量累计的检测。在一般工业生产和实验中常用的流量计有节流装置（喷嘴、孔板、文丘利管）、电磁流量计、涡街流量计、质量流量计和超声波流量计。在流量计的使用前要了解被测介质的基本情况和仪表的性能，同时也要考虑综合的流量范围、压力的损失情况、工基本的工况以及被测对象的适应性等其他因素。

兰炭干馏炉炉顶煤气总管处的荒煤气流速、荒煤气流量，以及荒煤气温度实验数据结果如表3-9所示。荒煤气温度随时间的变化如图3.3所示。荒煤气流速、流量随时间的变化如图3.1、3.2所示。 3.6.1荒煤气实验数据

表3-8 荒煤气实验数据

时间

荒煤气流速 (m/s)

荒煤气流量 (m3/h)

荒煤气温度

(℃)

8：00 7.7 13480 67 8：30 7 12233 67 9：00 6.9 12079 67 9：30 7.1 12422 67 10：0 6.4 11113 67 10：30 7.3 12683 67 11：00 6.4 11132 67 11：30 6.6 11471 67 平均 6.9 12076.6 67

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3.6.2 荒煤气流速

图3.1 荒煤气流速随时间变化趋势

3.6.3 荒煤气流量

图3.2 荒煤气流量随时间变化 图3.3 荒煤气温度随时间变化图

3.7 炉墙表面温度及散热测算

兰炭干馏炉炉体表面的散热部分，包括炉体的周围4面以及各则墙体和炉顶。各个表面的散热量计算如表3-19、3-10、3-11、3-12、3-13、3-14所示，表3-14为炉体各部分表面散热量的汇总表。

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3.7.1 表面温度实验

东侧墙表面温度（℃）

表3-9 炉墙表面温度表

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 39 39 39 40 39 42 46 53 59 49 38 43 41 42 39 42 48 59 64 50 41 42 43 45 40 43 51 63 71 52

39 41 41 42 39 42 48 58 65 50 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 49 61 74 89 58 48 56 63 88 46 49 66 75 91 61 49 53 56 63 50 52 69 71 92 65 50 47 48 54 49

50 65 73 91 61 49 52 56 68 48

序号 温度 平均 序号 温度 平均

西侧墙表面温度（℃）

序号 温度 平均 序号 温度 平均

表3-10 炉墙表面温度

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 38 45 52 39 37 58 73 69 62 50 40 49 55 45 39 60 72 73 68 51 38 50 57 49 40 61 76 78 73 54

39 48 55 44 39 60 74 73 68 52 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 65 88 96 78 57 53 77 90 81 51 67 86 105 80 55 51 67 80 70 49 67 87 102 81 51 50 53 59 54 48 66 87 101 80 54 51 66 76 68 49

南侧墙表面温度（℃）

序号

温度 平均 序号 温度 平均 序号 温度 平均

表3-11 炉墙表面温度

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 36 37 38

34 38 41

36 37 39

34 34 36

33 34 36

34 34 36

35 36 37

34 36 37

33 35 36

43 45 48

42 48 55

39 41 48

37 38 37 35 34 35 36 36 35 45 48 43 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 37 40 41 44 42 45 48 62 64 72 73 97 42 42 44 49 45 48 49 71 70 85 73 99 56 45 51 52 48 49 49 72 75 86 75 138 45 42 45 48 45 47 49 68 70 81 74 111 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 90 96 125

66 70 67

58 55 52

49 45 44

58 57 56

77 64 63

87 66 63

89 101 90

165 155 111

138 90 88

69 65 62

55 53 49 25

104 68 55 46 57 68 72 93 144 105 65 52

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（1） 北侧墙表面温度（℃）：

表3-12 炉墙表面温度 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

36 43 54 52 48 50 52 46 49 43 57 60

温度 39 47 55 54 52 51 52 49 50 46 58 58

41 52 57 56 54 54 54 51 52 56 66 56

平均 39 47 55 54 51 52 53 49 50 48 60 58 序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

55 48 48 55 59 53 58 69 62 62 69 77

温度 60 53 49 54 63 54 61 76 80 78 72 83

72 55 53 57 66 57 62 91 91 98 76 90

平均 62 52 50 55 63 55 60 79 78 79 72 83 序号 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

84 83 60 58 85 10214389 88 93 81 60

温度 92 84 63 53 87 10411785 74 82 70 58

93 83 62 52 80 92 10285 69 69 61 57

平均 90 83 62 54 84 99 12186 77 81 71 58

（2） 炉顶墙表面温度（℃）

序号 温度 平均温度

表3-13 炉墙表面温度

1 2 3 4 5 35 36 34 38 38 38 36 37 37 36 38 39 35 40 35

37 37 35 38 36

3.7.2 表面散热量测算

不同的炉子，炉膛内热损失所包括的热损失就会不同。一般情况下，炉膛的热损失包括：通过炉体砌台的散热损失，炉子各部件的冷却水带走的热量，运料工具的热量，炉门附近的辐射损失的热量，炉门口冒出的热气所带走的热量等。

一般炉墙炉门向外散失的热量所占比重较大，很不少炉子的炉墙缺少绝热砖，使得外壁温度过高。这就使得工人的工作条件进一步恶化，而且也浪费了燃料。

表3-14 表面散热量测算表

部位

炉体表面

散热量 右侧墙 左侧墙 前侧墙 后侧墙 炉顶部 合计 3

30.64 49.0 73.46 83.54 4.0 240.64 ×10kJ/h

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3.8 炉内温度测试

本次试验利用k型热电偶对炉体的温度进行实验。分别将10支热电偶安装在炉侧墙一侧进行炉内温度实验，10支热电偶的安装位置如下图所示。最终炉内各部位的温度实验值如表3-18所示，各部分温度随时间变化如图3.7所示。本次实验中分别选取两个静态时刻点记录了炉内温度的变化。在实验周期内，开始1小时、3小时的时刻，炉内各部分温度的变化分别如图3.8、3.9所示。 3.8.1 温度测点分布

(1)炉膛左、右侧

1、2、5、6——加热段炉膛东侧测点 4、8、3、7——加热段炉膛西侧测点

9、10——加热段炉顶测点

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3.8.2 测点温度

表3-15 测点温度 /℃

测点 8：00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 584.2

606.3

313.3

580.7

601.8612.9615.0664.5678.7677.9661.8662.1665.2

606.2617.0626.7625.5621.2619.2620.0623.2619.8

500.5488.0481.8488.6485.3478.5470.6471.8483.13

583.8580.2575.4581.2576.6581.2579.5578.1579.5

577.8 572.8

250.9 256.1

8：30 585.2 600.49：00 588.1 598.59：30

588.8

601.6602.7

313.7 578.3313.5 574.7314.7 314.3 313.9

574.5576.4574.4

544.9 217.2 540.3 222.3 529.6

194.7

10：00 584.1

10：30 589.5 592.711：00 591.9 573.311：30 591.6 575.1平均 587.7 518.4

522.6 176.9 512.2 163.8 506.2 159.5 538.3 205.1

313.5 575.9314.5 579.2313.7 576.75

3.8.3 炉内温度变化趋势

图3.8 1h时炉内温度变化趋势图 图3.9 实验3h 时炉内温度变化趋势

3.9 炉顶压力测试

压力测量在工业炉热工测量中占有重要的作用，像如空气的压力、煤气的压力、炉膛的压力以及烟道的抽力等。常用的测量工具为压力仪表，也是在工业生产的过程和实验中测量各项物体压力和差压的仪表。在压力计的使用中一般要满足如下的要求：

（1）压力的测量要满足生产过程的基本要求，例如测量的精度、被测压力的范围以及其他装置的要求；

（2）满足被测介质温度的大小、粘度的大小、被腐蚀的程度、脏污的程度、以及易燃易爆的情况等；

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（3）满足实际的现场环境条件，如腐蚀、振动、高温等一系列的工作条件。 特别是弹性的压力计，它的最大压力测量值应该低于整个量程的3/4~2/3,取上限值的时候应该要保持被测压力稳定；压力的最小值不能低于整个量程的1/3。

本次实验中主要记录了干馏炉炉顶的压力变化情况，以及回炉煤气的压力变化记录。炉顶煤气压力实验数据如表3-16所示，压力变化趋势如图3.10所示。 3.9.1 炉顶压力实验数据

表3-16 炉顶压力实验数据

时间 8：00

回炉煤气压力(Kpa)

2.646

炉顶部压力(Pa)

626.0

8：30 2.629 638.0 9：00

2.633

624.0

9：30 2.617 611.0 10：0 10：30 11：00

2.648 2.662 2.702

614.0 616.0 700.0

11：30 2.728 700.0 平均值 2.658 641.1

3.9.2 炉顶压力变化趋势

图3.10 炉顶及压力变化趋势

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4 兰炭干馏炉物料平衡

4.1 兰炭干馏炉物料平衡

物料平衡计算的依据是物质间进入和支出的守恒定律，利用进入和支出总量不发生变化。在工业生产中，干馏炉的入炉量有入炉煤量、煤气量、空气量，出炉量为包括全焦量、焦油量、粗苯量、氨量、全煤气量和水量。热平衡是以物料平衡为基础进行计算的，所以物料平衡的准确性直接影响着整个热平衡的计算结果。通常在工业生产中，为了使物料平衡能够更好的反应实际的干馏生产效率，可以将入炉原料与各项化工产品的生产量进行直接测定。

4.2 物料平衡收入项的计算

4.2.1 煤量

本次物料平衡的计算中，将1000kg入炉煤量作为计算的基准。其中入炉煤量又包括入炉的干煤量和带入的水量两部分。 （1）入炉的干煤量

Gm=1000×

100?W

（4-1） 100

式中 Gm—入炉的干煤量，kg/t；

W—入炉煤的水分，%；

从表3-4可知，W=10.01%，将其代入公式（4-1）可以得到：

Gm=1000×

100?10.01

=899.90kg/t

100

（2）入炉煤的水量

Gs=1000×

W

（4-2） 100

将W=10.01%代入式（4-2）可得：

Gs=1000×

4.2.2 煤气量

Gmq=ρmqVmq （4-3）

10.01

=100.10kg 100

式中 kg/tGmq—入炉的煤气量，；

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n993.html