兰炭生产节能技术与节能空间探讨

赵 杰，申联星，陈 阳，宋涛涛，陈晓菲，李朋泽，孙丁武，雷 刚，杨 芊

(1.陕西冶金设计研究院有限公司，陕西 西安 710032；2.中国煤炭加工利用协会，北京 100013)

在当今不断变化的世界格局下，各国对于能源的竞争日益激烈。对于能源的大量需求，同样也导致非常多的环境问题，因此，加速能源结构转型，减少二氧化碳排放就成为了世界各国的普遍认知[1]。中共中央、国务院下发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》(中发【2021】36号)，中明确指出：实现碳达峰、碳中和目标，要坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的工作原则，强调要把节约能源放在首位，实行全面节约战略，持续降低单位产出能源资源消耗和碳排放，提高投入产出效率，倡导简约适度、绿色低碳生活方式，从源头和入口形成有效的碳排放控制阀门。全国兰炭总产能约1.3亿t，如何顺应国家发展趋势、降低企业能耗成为兰炭从业者的共识。经过多年发展，行业内科研院所、设计、生产等相关单位均对兰炭节能技术进行摸索和试验，本文将行业内现行的各种节能工艺技术进行梳理和介绍，并结合工艺及后期运维对未来节能降耗的发展方向进行了分析论证。

1 兰炭行业发展历程介绍

兰炭之名最早源于榆林市神木市，因其在燃烧时产生“兰色火焰”而得名，具有高固定碳、低灰、低硫、低磷、低水、比电阻率高、反应性好、块度和强度适中、高化学活性等特点，在化学还原反应中，能起到催化作用。与焦炭相比，兰炭挥发分含量高，孔隙率大而机械强度低。兰炭与一氧化碳、蒸汽或氧具有较强的反应活性，是很好的高热值无烟燃料，目前广泛应用于铁合金、电石、活性炭、合成氨和民用无烟燃料等领域，尤其在电炉反应中能起到降低电耗、节约能源、增加产量、提高产品质量的作用，是电石产品的主要生产原料[2-5]。兰炭行业在40多年的发展过程中，经历了三个阶段[6-12]。

1.1 土法炼焦阶段

第一阶段为20世纪70年代到1994年土法炼焦阶段，是将块煤在平地堆积后用明火点燃，等烧透后用水熄灭而制取兰炭，焦油不回收，烟气直接排空，兰炭质量不稳定，资源浪费和环境污染问题较严重。但因此生产工艺简单，生产成本低，销售价格低廉，其产品还是为广大用户所认可。在此期间，榆林兰炭产能超过150万t/a。1993年12月，国务院环境保护委员会召开了环保现场检查会，要求对土法炼焦进行技术改造，土法炼焦被全面禁止和取缔。

1.2 机制炼焦阶段

第二阶段为1995—2007年机制炼焦阶段。20世纪90年代，治理环境、减少污染、节能降耗已经成为人们的共识。国家在这方面专门出台了一系列的法律法规，采用机械化生产工艺生产兰炭已被当地政府提到议事日程上来，并且已经被大多数生产企业所接受，也已逐渐形成规模。由于用机械操作代替了人工操作，故将此兰炭产品称之为“机制兰炭”。在此期间，榆林兰炭生产的主要设备及技术工艺在性能、运行、环境保护等方面都有了较大的改进和提高。

2007年，榆林市按照“上大关小、等量置换”的思路，制定了《榆林市兰炭产业结构调整意见及发展规划》，颁布了《榆林市兰炭产业准入技术条件(暂行)》，全部关闭了分散建设、总规模不到60万t的271户小兰炭企业，规划建设了17个工业集中区和5个兰炭集中生产点，全力推广陕西冶金设计研究院的SH型为主的单炉产能7.5万t/a的直立炉，实现了规模化生产，煤气和煤焦油得到了综合利用。

1.3 转型升级阶段

第三阶段为2008年至今转型升级阶段。2008年9月，陕西省质量技术监督局发布了《兰炭行业清洁化生产标准》。2008年12月，国家工业和信息化部公告修订的《焦化行业准入条件(2008年修订)》，首次将兰炭(半焦)炉和生产列入其中，为兰炭产业的发展提供了政策依据。随后，国家及地方发布了一系列规范、标准对兰炭产业的能耗、用煤条件、产品技术条件等进行了规定。

在此期间，兰炭生产工艺进一步提升，所用原料煤可由30～80 mm块煤改为价格比块煤便宜的小粒煤(6～30 mm)，对高温兰炭的热量进行回收利用(副产水蒸气)，兰炭降温由水捞焦改为水雾熄焦，提高了兰炭产品质量，显著减少废水量。

经过多年发展与技术积累，我国兰炭产业链布局不断完善，行业发展也逐渐成熟，目前兰炭已经成为遍布全国的特色产业。我国已形成煤—兰炭—电石—聚氯乙烯、煤—兰炭—硅铁—金属镁、煤—兰炭—煤焦油—清洁燃料油、煤—兰炭—煤气—发电、煤—兰炭—煤气—合成氨、煤—兰炭—煤气—陶瓷等六个产业链。

2 兰炭行业现有节能技术及措施

兰炭生产是一个能源转换过程，所投入的一次能源为原煤，产出的二次能源为兰炭、煤气、焦油、蒸汽等，生产过程中消耗的能源及耗能工质有生产用水、电等。耗能工质的消耗及能源转换过程中的损失构成了兰炭生产的总能耗。兰炭行业从最初的土法炼焦阶段发展到现在现代化生产；从最初的只回收兰炭产品到现在兰炭、煤气和煤焦油都综合利用；从水捞焦到低水分熄焦或干熄焦……，兰炭企业在生产工艺节能、电气节能、通风空调节能、建筑节能等方面已经有了极大的提升，在常规节能措施方面已经基本符合国家现有能耗标准。

2.1 工艺节能技术

兰炭生产过程中最主要的能耗在于生产过程中的能源转换差，主要表现为干馏过程中的干馏所需热量、热量损失、以及熄焦过程中的热量耗散。因此工艺节能措施在兰炭生产节能措施中比较重要的环节。兰炭工艺节能技术主要有以下方面：

(1)在炭化炉炉体设计上，合理设计砖型和砌筑方式，提高结构严密性，避免炉体煤气泄漏；

(2)合理设计隔热结构，采用新型保温隔热材料，减少炉内热量损失；

(3)采用单炉产能大的炉型，形成规模效应，减少单位产品散热损失；

(4)精准控制入炉空气量和煤气量，保持炭化炉合理干馏温度；

(5)调整炭化室内温度分布，使炉内温度分布均匀，可有效改善干馏工况，节约能量；

(6)生产装置采用了 DCS 系统，对生产过程进行集中监视和控制，实现工艺条件优化，以进一步降低生产能耗

(7)合理设计加煤及出焦方式，减少煤气泄漏；

(8)控制炉顶温度，减少荒煤气带走热量及为后续净化降低热负荷；

(9)按不同温度要求，加强循环水的利用，节省工业用水；

(10)炉底采用余热锅炉回收兰炭余热，每吨兰炭可回收约0.2 t饱和蒸汽(压力为1.0 MPa，折合约20 kg标煤)；

(11)采用低水分熄焦工艺，兰炭水分可控制在15%左右，节约水捞焦工艺中设置烘干的能耗损失。

2.2 电气节能技术

(1)选用国家规定的节能型机电设备；

(2)各种水泵及风机采用新型节能设备，风机采用变频电机；

(3)为提高功率因素，减少无功功率损耗，在变配电室设置低压静电电容器柜，对低压设备集中进行无功功率补偿；

(4)低压电动机一律选用 Y 系列高效节能型三相异步电动机；

(5)厂房内一般照明，选用荧光灯或LED灯等高效光源，DCS操作室及办公室等选用带无功补偿电子镇流器的荧光灯具；

(6)配电变压器尽量安排在靠近负荷中心处，缩短低压线路的长度；

(7)提高负载功率因数，减少无功电流，采用无功就地补偿和提高负载自然功率因数，使补偿后的功率因数达到0.92以上，用电设备无功功率补偿尽量靠近用电负荷，提高变压器能效；

(8)选用低能耗节能型电力变压器，损耗小、效率高；

(9)所有电器设备及材料采用低损耗的电器设备和材料。

2.3 建筑节能技术

(1)建筑物的朝向在满足工艺布置的前提下采用南北向或接近南北向，主要房间冬季争取日照和避开冷风，有利于节能；

(2)建筑设计时考虑自然通风良好，提供室内环境对新鲜空气的需求，提高舒适度，降低通风及空调设备的耗能；

(3)建筑设计充分利用自然采光，减少了人工照明的能耗；

(4)屋顶设计，选择轻质高效的保温隔热材料和合理的构造措施。

2.4 通风空调技术

(1)采用保温性和气密性较好的节能型门窗，门缝窗缝均安装密封条，避免漏风，且选用中空玻璃；

(2)通风空调设备尽量选用节能型制冷、排通风设备；

(3)合理确定排风量，减少空调面积，降低能耗；

(4)鼓、引风机等通风设备考虑选用变频电机，根据需要调节风量，节约电能。

2.5 其它节能技术

(1)尽量借用场地高差，优化工段布置，缩短物料输送距离，使物料流向符合流程；

(2)按照动力系统尽可能地靠近主要负荷中心的原则进行布置，减少动力消耗和输送损失；

(3)配备各种高精度能源计量仪表，设置能源计量管理机构，对进厂原料、出厂产品及各工段的中间产品、动力消耗均设置计量设施，实现生产过程全流程能耗管控；

(4)提高职工素质，强化节能意识，通过加强管理、提高操作水平等措施达到节能降耗的目的。

3 兰炭行业节能空间、方向探讨

3.1 定制化生产(分级干馏)

目前，兰炭生产基本采用一种规格的入炉煤(10～120 mm)，原料粒度相差较大。由于不同粒度所需干馏时间不同，为了不出现生焦，就不可避免的造成部分粒度较小的煤成焦后依旧滞留在干馏段，此时通入炉内的煤气和空气不完全是用来作为干馏热源，会导致炉温的无效提高，浪费能量。因此，如能根据用户需要，实现不同炭化炉生产不同粒度的兰炭，使用粒度范围更为均匀的入炉煤，使炉内干馏更均衡，所有回炉煤气燃烧产生的热量都用于煤的干馏，可以明显节省回炉煤气量，有效降低能耗。

3.2 无水兰炭技术

兰炭生产采用低水分熄焦(水雾熄焦)，可节省兰炭烘干能耗，但是成品兰炭仍含有约15%的水分，在后续工段利用中，仍然需要将这部分水分烘干。根据对兰炭烘干成本的调研，烘干1 t兰炭(含水15%)大约需要60 kg标煤，这部分能耗非常大。如果能够生产无水兰炭，便可以为后续工段节省大量的能耗。现阶段无水兰炭的生产尚没有工业化应用的工艺及技术。研究方向主要有循环水间接冷却熄焦技术和惰性气体直接冷却熄焦技术两个方向。

循环水间接冷却熄焦技术是将30 mm以下的炽热的兰炭首先通过余热锅炉回收高温余热，降至250 ℃以下然后将兰炭送入间接冷却设备(如回转窑、冷渣机等)，冷却设备一般内设列管，管内通循环冷却水，通过兰炭与循环水的间接换热，将兰炭温度降至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入电石装置作原料。

惰性气体直接冷却技术是将连续生产的兰炭收集在一个集焦仓内，采用惰性气体与兰炭直接换热冷却，将兰炭冷却至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入电石装置作原料。

3.3 加大单炉兰炭产量形成规模效应

单炉产量较低时，折合单位兰炭产品散热面积就较大，单位产品散热量就大，相对就不节能。同时单炉产量较低时，对应净化等辅助配套设施就比较分散，设备数量就比较多，同样不利于节能。根据兰炭炉炉型特点，单炉产量越大，单位产品折合散热面积就越小，散热量也就越小。因此，提高单炉兰炭产量，也是减少单位产品能耗的一种方法。

3.4 富氧干馏

现在兰炭企业大多采用内燃内热式直立炉进行生产，而在生产过程中需要回炉部分煤气与空气在炉内进行燃烧为煤的热解提供干馏热量。由于空气中含有大量的氮气，不仅要求输送设备加大，且这部分氮气成为煤气的一部分(陕北兰炭煤气中氮气含量大约在45%左右)。这部分氮气的存在不仅大大降低了煤气的热值，给后续煤气的利用带来不便，同时还从炭化炉中带走部分热量、在煤气净化工段中又被冷却下来，白白浪费热量的同时又加大了煤气净化负荷。

富氧燃烧技术是以富氧与煤气配合在炉内燃烧产生高温烟气，作为煤干馏所需的热源，富氧中氧气含量控制在30%～100%。富氧燃烧的高温烟气温度较高，如果全部采用富氧会造成炉内干馏温度过高，从而影响低温干馏过程的进行。因此需要通入部分的循环冷煤气与高温烟气混合，达到低温干馏所需的温度(约650～750 ℃)，使煤在合适的温度下热解成兰炭。根据试验结果，采用富氧燃烧，最多可以使煤气热值提高两倍，达到14 MJ/m3，氮含量可降低至5%左右，氢、甲烷等有效成分的含量也大大提高，而煤气总产量大大降低[13，14]。通过富氧干馏既提高了煤气质量给后续煤气利用提供了便利，同时也给本装置净化工段降低了负荷，大大节省了能源。

4 总 结

(1)采用低阶煤中低温热解技术，可以获取中高附加值的油气产品及高碳含量产品(兰炭)，能实现低阶煤的分质利用，提高能源利用效率和经济价值。

(2)兰炭节能降耗是一个系统工程，需要对整个生产过程，甚至整个产业进行全面考虑，全面、科学的评估节能技术的每一个细节，从而真正降低兰炭生产能耗。

(3)我国兰炭行业处于转型升级和高质量发展期，“碳达峰”和“碳中和”的窗口期要实现行业的进一步发展，就必须以科技创新为动力加强新技术、新工艺、新装置的研发节能降耗，促进兰炭行业进一步持续、健康发展。