某公司煤低溫干餾工藝能效分析

孫　石，?！※i，楊　靜

(1.長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012；2.吉林省建筑能源供應(yīng)與室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春 130012)

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某公司煤低溫干餾工藝能效分析

孫石1，2，牛鵬1，2，楊靜1，2

(1.長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012；2.吉林省建筑能源供應(yīng)與室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春 130012)

對某公司煤低溫干餾生產(chǎn)工藝過程中的能效進行了分析，提出了煙氣余熱回收方案，以及利用螺桿膨脹機回收半焦煤物理潛熱發(fā)電的方案，最后給出了能效分析及提高能效的建議。

低溫干餾；潔凈煤；余熱回收

0　引言

潔凈煤技術(shù)主要是指通過煤的氣化和液化，實現(xiàn)煤的梯級利用和高效利用，并減少對環(huán)境的污染。長春某公司采用低溫干餾技術(shù)，以煤炭為原料，獲得優(yōu)質(zhì)煤氣、低溫煤焦油和半焦提質(zhì)的潔凈煤。經(jīng)過加工后的半焦提質(zhì)煤水分蒸發(fā)后重量減輕，熱值增加，運輸費用降低，這種煤在燃燒時排放的有害氣體也減少了。評價潔凈煤技術(shù)的最終目標就是評價其能效，決定其是否能到達盈利。本文對該項工藝的能耗和余熱回收方法進行了研究。

1　基本工藝介紹

煤低溫干餾，指采用較低的加熱終溫(500～600 ℃)，使煤在隔絕空氣的條件下，受熱分解生成半焦、低溫煤焦油、煤氣和熱解水過程。適合于低溫干餾的煤是無黏結(jié)性的非煉焦用煤、褐煤或高揮發(fā)分煙煤。該公司預(yù)計一年加工15萬t原煤。其中試驗階段得到試驗數(shù)據(jù)見表1。

計算表明100 kg原煤加工后所得收益是0.798元，考慮到人工運行費用，公司實際是虧損的。因此，必須對加熱方法進行改進，同時考慮余熱回收利用。

2　余熱回收方案與分析

2.1煙氣余熱的回收

未經(jīng)余熱回收的煙氣排煙溫度在200 ℃左右，攜帶大量可利用熱量，具有回收價值，可將其溫度降到100 ℃?；厥盏臒崃坑脕韺γ杭訜岫翁峁崃?，從而減少燃料的使用量。

表1　100 kg原煤實驗原始數(shù)據(jù)分析計算結(jié)果

首先對排煙量進行分析。液化石油氣燃燒所需的理論空氣量為：

液化石油氣的成分有CH4、C3H6、C3H8、C4H10、C4H8。則1 m3的液化石油氣完全燃燒所需的空氣量Vk為26.895 m3。

2.1.1煙氣量計算分析

1)三原子氣體體積。液化石油氣燃燒所產(chǎn)生的三原子氣體為CO2，CO2體積可由式(1)計算

VCO2=0.01∑mCmHn。

(1)

計算可知1 m3的液化石油氣完全燃燒所生成的CO2的體積為3.658 m3。

2)水蒸氣體積。水蒸氣體積可按式(2)計算

(2)

式中：dr、dk為標準狀態(tài)下燃氣和空氣的含濕量。計算可知1 m3的液化石油氣完全燃燒所生成的水蒸氣體積為5.765 m3。

3)氮氣體積。液化石油氣中不含有氮氣，因此，氮氣全部來自空氣，體積可由式(3)計算：

VN2=0.79Vk。

(3)

計算可知1 m3的液化石油氣完全燃燒所產(chǎn)生的氮氣體積為21.247 m3。

2.1.2煙氣焓值分析

煙氣的焓值可由式(4)計算：

Iy=VCO2(c?)CO2+VN2(c?)N2+VH2O(c?)H2O，

(4)

式中：(c?)CO2、(c?)N2、(c?)H2O為1 m3的CO2、氮氣和水蒸氣在溫度為? ℃時的焓。計算可知，當煙氣溫度分別為200 ℃和100 ℃時，1 m3的液化石油氣完全燃燒所產(chǎn)生的煙氣的焓值分別為8 582.686 kJ/m3和4 254.485 kJ/m3。焓差為4 328.201 kJ/m3。

每加工100 kg的原煤需消耗液化石油氣5.15 m3共13.03 kg，則可回收的余熱量為22 290.235 kJ，液化石油氣的低位熱值為11 4875 kJ/m3，1 kg的天然氣價格為5.2元，則每加工100 kg的原煤可回收成本2.548元，年加工15萬t原煤時，可回收成本382.2萬元。

2.1.3投入成本與投資回收期分析

若要對煙氣進行回收，還需配備一臺引風機和相應(yīng)的管道設(shè)備。通過計算分析可知公司的煙氣排量為6 591 m3/h，排煙溫度為100 ℃，據(jù)此，對市場上的風機進行選型，最終確定選用型號為11-62的耐高溫離心式風機，單臺售價為1 830元。排風流量為5 500～8 500 m3/h。最高可承受溫度為250 ℃。排風管道選用厚度為1.2 mm，截面尺寸為1 000×2 000 mm外加保溫層的鍍鋅鋼板風管，造價為50元/m2。設(shè)計管道長度為30 m，則管道造價為9 000元。

因此，余熱回收的設(shè)備費用為10 830元，再加上安裝及運輸費用，總投資約為2萬元。余熱回收每年可為公司節(jié)約成本382.2萬元，因此，當年既可回收所有投資。

2.2半焦煤物理潛熱回收

2.2.1半焦煤潛熱發(fā)電

螺桿膨脹動力機是一種低品位熱能動力機，它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換成電能，是一種在當前能源利用領(lǐng)域具有重大突破性的新型動力機。螺桿機發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1　余熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

本次計算螺桿膨脹動力機采用SEPG50-250，其功率范圍為50～250 kW，轉(zhuǎn)速為1 500～4 000 r/min，尺寸為1 500 mm×1 400 mm×1 200 mm，重量為3 000 kg。節(jié)能發(fā)電的進氣參數(shù)設(shè)置為進口設(shè)計壓力0.3 MPa，溫度133.5 ℃；出口設(shè)計壓力0.12 MPa。

2.2.1.1螺桿膨脹機發(fā)電功率

系統(tǒng)發(fā)電功率由下式表示

Wt=qm×(h1-h2)×ηε×ηg，

式中：Wt為系統(tǒng)發(fā)電功率；qm為工質(zhì)質(zhì)量流量；h1、h2為膨脹機入口和出口工質(zhì)比焓；ηe為膨脹機效率；ηg為發(fā)電機效率。

2.2.1.2循環(huán)泵功率

泵的功率與揚程、流量、效率有關(guān)，計算表達式：

式中：Q為質(zhì)量流量；η為泵效率；H為揚程。

2.2.1.3潔凈煤冷卻釋放熱量

Q=m×c×(t2-t1)，

式中：c為煤的比熱；m為質(zhì)量。

2.2.1.4產(chǎn)生蒸汽量

式中：Q1為冷卻水升溫到133.5 ℃所吸收的熱量；Q2為由0.3MPa、133.5 ℃的熱水轉(zhuǎn)化為0.3MPa、133.5 ℃的水蒸氣吸收的熱量。

2.2.1.5利用余熱蒸汽發(fā)電量

煤氣化冷卻過程中，初始煤溫由煤氣化系統(tǒng)決定，實際現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該溫度相對穩(wěn)定，控制在600 ℃左右；冷卻后儲存煤溫控制范圍為120～290 ℃之間；冷卻循環(huán)水初始溫度為60 ℃，計算余熱回收發(fā)電量見表2所示。

通過試驗分析得出，去除循環(huán)泵的自身用電損耗，此臺SEPG50-250螺桿機可發(fā)電51.521 kW，所生產(chǎn)的電可留做公司自用，當設(shè)備年工作小時數(shù)為7 000 h時，生產(chǎn)的總電量為360 647 kW·h，可為公司節(jié)省開支約34萬元。

表2　當冷卻水溫為60℃時產(chǎn)生的電量

2.2.1.6投入成本與投資回收期分析

由圖1可知，若要利用半焦煤的潛熱進行發(fā)電，另需配置冷渣機和螺桿膨脹機，根據(jù)公司的年產(chǎn)量，平均每小時的出渣量為21.43 t，最終確定配置一臺型號為SLG-172型號的冷渣機，其出渣量為5～25 t/h，單臺售價約為35萬元；螺桿膨脹動力機采用SEPG50-250型，單臺售價約為80萬元。因此，余熱發(fā)電的初期投資約為115萬元。

公司年產(chǎn)量為15萬t，年生產(chǎn)的總電量為360 647 kW·h，為公司節(jié)省開支約為34萬元，即4年內(nèi)即可回收所有投資。

2.2.2半焦煤潛熱生產(chǎn)熱水

本方案是通過流水對半焦煤進行降溫，回收熱水，賣給洗浴中心等行業(yè)。將室外1 kg 20 ℃水升到100 ℃水，根據(jù)熱量公式

q=m·c·Δt，

式中：c為工質(zhì)比熱容；Δt為工質(zhì)溫差；m為工質(zhì)質(zhì)量。計算得出，1 kg 20 ℃的水升溫到100 ℃所需的熱量為336 kJ。62 kg 600 ℃半焦煤降溫到60 ℃可放出熱量38.502 MJ，可得到熱水114.59 kg，市場上1 t熱水的價格為25元，則利用潛熱生產(chǎn)熱水每加工100 kg原煤可以回收2.85元，因此，每年可增收入427.5萬。

3　方案經(jīng)濟性對比分析

3.1兩種方案經(jīng)濟性分析

表3　兩種節(jié)能方案全年的經(jīng)濟性分析

3.2方案的改進與建議

由表1可知，在投入的成本中，液化石油氣所占的比重最大，達到了51.17%，每年由液化石油氣所產(chǎn)生的成本費用約為5 081萬。根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，試驗階段采用的是液化石油氣作為熱源，在實際生產(chǎn)中應(yīng)采用廉價的原煤作為熱源更加經(jīng)濟。

分析可知年加工15萬t原煤需要的熱量

Q=Qnte，ar×1 500 000×5.15

式中：Qnte，ar為液化石油氣標態(tài)下的低位熱值。計算知，年所需熱量為8.874×1011kJ。該公司所用原煤的熱值為14 860 kJ，若要用煤達到同等熱量，所需煤量為60 450 t，折合人民幣約為907萬元。

4　結(jié)語

1)相比于用液化石油氣作為熱源，若采用煤作為熱源則更為經(jīng)濟，每年可節(jié)省成本4 174萬元。

2)半焦煤物理潛熱用于發(fā)電還是制備熱水要因地制宜。雖然制備熱水看似收益大，但是應(yīng)根據(jù)周邊是否有穩(wěn)定的熱水用戶再做具體考慮。

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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

孫石(1962-)，男(漢)，吉林梨樹，教授

主要研究動力工程節(jié)能。

TK115

A

1009-8984(2016)03-0042-03