某公司煤低温干馏工艺能效分析

孙　石，牛　鹏，杨　静

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012；2.吉林省建筑能源供应与室内环境控制工程研究中心，长春 130012)



某公司煤低温干馏工艺能效分析

孙石1，2，牛鹏1，2，杨静1，2

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012；2.吉林省建筑能源供应与室内环境控制工程研究中心，长春 130012)

对某公司煤低温干馏生产工艺过程中的能效进行了分析，提出了烟气余热回收方案，以及利用螺杆膨胀机回收半焦煤物理潜热发电的方案，最后给出了能效分析及提高能效的建议。

低温干馏；洁净煤；余热回收

0　引言

洁净煤技术主要是指通过煤的气化和液化，实现煤的梯级利用和高效利用，并减少对环境的污染。长春某公司采用低温干馏技术，以煤炭为原料，获得优质煤气、低温煤焦油和半焦提质的洁净煤。经过加工后的半焦提质煤水分蒸发后重量减轻，热值增加，运输费用降低，这种煤在燃烧时排放的有害气体也减少了。评价洁净煤技术的最终目标就是评价其能效，决定其是否能到达盈利。本文对该项工艺的能耗和余热回收方法进行了研究。

1　基本工艺介绍

煤低温干馏，指采用较低的加热终温(500～600 ℃)，使煤在隔绝空气的条件下，受热分解生成半焦、低温煤焦油、煤气和热解水过程。适合于低温干馏的煤是无黏结性的非炼焦用煤、褐煤或高挥发分烟煤。该公司预计一年加工15万t原煤。其中试验阶段得到试验数据见表1。

计算表明100 kg原煤加工后所得收益是0.798元，考虑到人工运行费用，公司实际是亏损的。因此，必须对加热方法进行改进，同时考虑余热回收利用。

2　余热回收方案与分析

2.1烟气余热的回收

未经余热回收的烟气排烟温度在200 ℃左右，携带大量可利用热量，具有回收价值，可将其温度降到100 ℃。回收的热量用来对煤加热段提供热量，从而减少燃料的使用量。

表1　100 kg原煤实验原始数据分析计算结果

首先对排烟量进行分析。液化石油气燃烧所需的理论空气量为：

液化石油气的成分有CH4、C3H6、C3H8、C4H10、C4H8。则1 m3的液化石油气完全燃烧所需的空气量Vk为26.895 m3。

2.1.1烟气量计算分析

1)三原子气体体积。液化石油气燃烧所产生的三原子气体为CO2，CO2体积可由式(1)计算

VCO2=0.01∑mCmHn。

(1)

计算可知1 m3的液化石油气完全燃烧所生成的CO2的体积为3.658 m3。

2)水蒸气体积。水蒸气体积可按式(2)计算

(2)

式中：dr、dk为标准状态下燃气和空气的含湿量。计算可知1 m3的液化石油气完全燃烧所生成的水蒸气体积为5.765 m3。

3)氮气体积。液化石油气中不含有氮气，因此，氮气全部来自空气，体积可由式(3)计算：

VN2=0.79Vk。

(3)

计算可知1 m3的液化石油气完全燃烧所产生的氮气体积为21.247 m3。

2.1.2烟气焓值分析

烟气的焓值可由式(4)计算：

Iy=VCO2(cϑ)CO2+VN2(cϑ)N2+VH2O(cϑ)H2O，

(4)

式中：(cϑ)CO2、(cϑ)N2、(cϑ)H2O为1 m3的CO2、氮气和水蒸气在温度为ϑ ℃时的焓。计算可知，当烟气温度分别为200 ℃和100 ℃时，1 m3的液化石油气完全燃烧所产生的烟气的焓值分别为8 582.686 kJ/m3和4 254.485 kJ/m3。焓差为4 328.201 kJ/m3。

每加工100 kg的原煤需消耗液化石油气5.15 m3共13.03 kg，则可回收的余热量为22 290.235 kJ，液化石油气的低位热值为11 4875 kJ/m3，1 kg的天然气价格为5.2元，则每加工100 kg的原煤可回收成本2.548元，年加工15万t原煤时，可回收成本382.2万元。

2.1.3投入成本与投资回收期分析

若要对烟气进行回收，还需配备一台引风机和相应的管道设备。通过计算分析可知公司的烟气排量为6 591 m3/h，排烟温度为100 ℃，据此，对市场上的风机进行选型，最终确定选用型号为11-62的耐高温离心式风机，单台售价为1 830元。排风流量为5 500～8 500 m3/h。最高可承受温度为250 ℃。排风管道选用厚度为1.2 mm，截面尺寸为1 000×2 000 mm外加保温层的镀锌钢板风管，造价为50元/m2。设计管道长度为30 m，则管道造价为9 000元。

因此，余热回收的设备费用为10 830元，再加上安装及运输费用，总投资约为2万元。余热回收每年可为公司节约成本382.2万元，因此，当年既可回收所有投资。

2.2半焦煤物理潜热回收

2.2.1半焦煤潜热发电

螺杆膨胀动力机是一种低品位热能动力机，它能够回收低品位热能并直接转换成电能，是一种在当前能源利用领域具有重大突破性的新型动力机。螺杆机发电系统图如图1所示。

图1　余热发电系统示意图

本次计算螺杆膨胀动力机采用SEPG50-250，其功率范围为50～250 kW，转速为1 500～4 000 r/min，尺寸为1 500 mm×1 400 mm×1 200 mm，重量为3 000 kg。节能发电的进气参数设置为进口设计压力0.3 MPa，温度133.5 ℃；出口设计压力0.12 MPa。

2.2.1.1螺杆膨胀机发电功率

系统发电功率由下式表示

Wt=qm×(h1-h2)×ηε×ηg，

式中：Wt为系统发电功率；qm为工质质量流量；h1、h2为膨胀机入口和出口工质比焓；ηe为膨胀机效率；ηg为发电机效率。

2.2.1.2循环泵功率

泵的功率与扬程、流量、效率有关，计算表达式：

式中：Q为质量流量；η为泵效率；H为扬程。

2.2.1.3洁净煤冷却释放热量

Q=m×c×(t2-t1)，

式中：c为煤的比热；m为质量。

2.2.1.4产生蒸汽量

式中：Q1为冷却水升温到133.5 ℃所吸收的热量；Q2为由0.3MPa、133.5 ℃的热水转化为0.3MPa、133.5 ℃的水蒸气吸收的热量。

2.2.1.5利用余热蒸汽发电量

煤气化冷却过程中，初始煤温由煤气化系统决定，实际现场采集数据发现该温度相对稳定，控制在600 ℃左右；冷却后储存煤温控制范围为120～290 ℃之间；冷却循环水初始温度为60 ℃，计算余热回收发电量见表2所示。

通过试验分析得出，去除循环泵的自身用电损耗，此台SEPG50-250螺杆机可发电51.521 kW，所生产的电可留做公司自用，当设备年工作小时数为7 000 h时，生产的总电量为360 647 kW·h，可为公司节省开支约34万元。

表2　当冷却水温为60℃时产生的电量

2.2.1.6投入成本与投资回收期分析

由图1可知，若要利用半焦煤的潜热进行发电，另需配置冷渣机和螺杆膨胀机，根据公司的年产量，平均每小时的出渣量为21.43 t，最终确定配置一台型号为SLG-172型号的冷渣机，其出渣量为5～25 t/h，单台售价约为35万元；螺杆膨胀动力机采用SEPG50-250型，单台售价约为80万元。因此，余热发电的初期投资约为115万元。

公司年产量为15万t，年生产的总电量为360 647 kW·h，为公司节省开支约为34万元，即4年内即可回收所有投资。

2.2.2半焦煤潜热生产热水

本方案是通过流水对半焦煤进行降温，回收热水，卖给洗浴中心等行业。将室外1 kg 20 ℃水升到100 ℃水，根据热量公式

q=m·c·Δt，

式中：c为工质比热容；Δt为工质温差；m为工质质量。计算得出，1 kg 20 ℃的水升温到100 ℃所需的热量为336 kJ。62 kg 600 ℃半焦煤降温到60 ℃可放出热量38.502 MJ，可得到热水114.59 kg，市场上1 t热水的价格为25元，则利用潜热生产热水每加工100 kg原煤可以回收2.85元，因此，每年可增收入427.5万。

3　方案经济性对比分析

3.1两种方案经济性分析

表3　两种节能方案全年的经济性分析

3.2方案的改进与建议

由表1可知，在投入的成本中，液化石油气所占的比重最大，达到了51.17%，每年由液化石油气所产生的成本费用约为5 081万。根据实验室现有条件，试验阶段采用的是液化石油气作为热源，在实际生产中应采用廉价的原煤作为热源更加经济。

分析可知年加工15万t原煤需要的热量

Q=Qnte，ar×1 500 000×5.15

式中：Qnte，ar为液化石油气标态下的低位热值。计算知，年所需热量为8.874×1011kJ。该公司所用原煤的热值为14 860 kJ，若要用煤达到同等热量，所需煤量为60 450 t，折合人民币约为907万元。

4　结语

1)相比于用液化石油气作为热源，若采用煤作为热源则更为经济，每年可节省成本4 174万元。

2)半焦煤物理潜热用于发电还是制备热水要因地制宜。虽然制备热水看似收益大，但是应根据周边是否有稳定的热水用户再做具体考虑。

[1] 姚岩峰.我国新能源开发利用现状及未来发展趋势研究分析[J].中国市场，2010(2)：16-17.

[2] 韩建光.洁净煤新工艺技术[J].煤矿现代化，2009(1)：38-40.

[3] 孙石.螺杆膨胀机在煤气化余热回收中的应用[J].节能技术，2011，29(1)：83-84.

[4] 张洪伟.洁净煤气化与分布式能源系统[J].煤气与热力，2006(7)：54-56.

[5] 孟敏.洁净煤转化技术研究现状及进展[J].科技情报开发与经济，2010(29)：186-188.

The Energy and Efficiency Analysis to the Process of Low Temperature Carbonization of Coal on a Company

SUN Shi，etc.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，

ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this paper，the energy and efficiency of low temperature carbonization of coal on a company has been analyzed，the proposals of flue gas waste heat recovery have been put forward，and the physical latent heat power generation project by using of screw expander to recycle half carbonizing coal has also been put forward.Finally it gives the energy and efficiency analysis，and the suggestions for the improvement on energy and efficiency.

low temperature carbonization；clean coal；waste heat recovery

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.010

2016-06-07

孙石(1962-)，男(汉)，吉林梨树，教授

主要研究动力工程节能。

TK115

A

1009-8984(2016)03-0042-03