張文博，吳曉琴，雷 楊，郭 立

（武漢科技大學(xué)煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點實驗室，武漢 湖北 430081）

引 言

煉焦過程以配合煤為原料，經(jīng)高溫干餾生產(chǎn)焦炭，同時獲得煤氣、煤焦油及其他化學(xué)品。焦?fàn)t是煉焦的核心熱工設(shè)備，以水平室式結(jié)構(gòu)為主，多應(yīng)用于冶金行業(yè)[1-2]。

現(xiàn)代焦?fàn)t向著設(shè)備大型化、產(chǎn)能高效化、技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展，其中焦?fàn)t大型化的核心問題是實現(xiàn)焦?fàn)t均勻加熱、源頭減排污染物、提高勞動生產(chǎn)率及物質(zhì)和能量的循環(huán)利用率[3]。根據(jù)系統(tǒng)工程觀點，焦?fàn)t是煉焦系統(tǒng)中的核心反應(yīng)器，其性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的優(yōu)化集成是實現(xiàn)焦?fàn)t高水平操作和管理、清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此基于對煉焦過程不同工藝流程和操作方案的分析，并在Aspen Plus 流程模擬平臺上實現(xiàn)多層次模擬，可為焦?fàn)t操作的完善和改進提供理論依據(jù)。

本模擬在分析焦?fàn)t工業(yè)操作參數(shù)的基礎(chǔ)上[4]，在單元尺度上采用兩個反應(yīng)器設(shè)備耦合模擬炭化室和燃燒室，借助靈敏度分析、能量分析、平衡方程實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，通過實際過程參數(shù)和模擬參數(shù)的對比分析[5-6]，提出流程控制要點，優(yōu)化參數(shù)，改進和完善焦?fàn)t操作。

1 流程模擬

1.1 煉焦過程的Aspen Plus 工藝模擬

以武漢科技大學(xué)設(shè)計院設(shè)計的WKD6050D 型焦?fàn)t為模擬對象，其炭化室高度為6 000 mm，平均寬500 mm，加熱水平高度為805 mm，單孔裝煤量為42.22 t。應(yīng)用Aspen Plus 模塊重構(gòu)，基于焦?fàn)t一組炭化室及燃燒室建立模擬煉焦過程[7-8]，其流程圖見圖1。先采用煤調(diào)濕技術(shù)控制混煤的水分，采用化學(xué)計量反應(yīng)器（RStoic，R-101）構(gòu)建煤調(diào)濕反應(yīng)器模型，25 ℃濕煤與132℃氮氣進入煤調(diào)濕反應(yīng)器虛擬反應(yīng)，生成水蒸氣、氮氣和干煤的混合物，然后經(jīng)過兩相閃蒸罐（S-101）分離，得到干煤與濕氮氣，濕氮氣出系統(tǒng)，干煤作為煉焦的原料。采用產(chǎn)率反應(yīng)器（RYield，R-102）模擬炭化室煤干餾過程，炭化室所需熱量由燃燒室提供（見圖1中虛線），應(yīng)用吉布斯反應(yīng)器（RGibbs，R-103）模擬燃燒室，采用高爐煤氣為燃料，其能量輸出至炭化室反應(yīng)器，干煤熱解生成焦油、焦炭、荒煤氣等產(chǎn)物，并通過閃蒸分離器（S-102）分離出氣相和固相，實際工業(yè)過程中氣相由上升管和橋管導(dǎo)入集氣管，固相由焦罐收集送至焦炭處理系統(tǒng)。

圖1 一組炭化室和燃燒室系統(tǒng)的Aspen Plus 模擬流程圖

1.2 流股組分?jǐn)M合

本模擬流程中物流主要有煤、焦炭、荒煤氣，流程的進料組成與狀態(tài)參數(shù)的輸入是模擬的起點。但焦化過程的原料、產(chǎn)物均為復(fù)雜混合物，以產(chǎn)物荒煤氣為例[9]，凈煤氣約占40.34%，焦油約占19.13%，其他雜質(zhì)占40.53%，因此需對物流進行簡化模擬。

煤是以有機質(zhì)為主，由不同分子量、不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的一組“相似化合物”組成的混合物，難以建立起確定的組分組成，因此對煤的模擬采用兩個子物流：NCPSD 與MIXCISLD，且在模擬中選擇MIXNCPSD 流股等級。對煤流股的建模中，采用其Proxanal 工業(yè)分析（見表 1）、Sulfanal 硫分析（見表 2）、Ultanal 元素分析數(shù)據(jù)（見表3），應(yīng)用PSD 粒度分布定義煤粒大小，其中 120 μm～140 μm 占 10%，140 μm～160 μm 占 20%，160 μm～180 μm 占 30%，180 μm～200 μm 占 40%，由此模擬實際工業(yè)流程中的粉碎機等機械裝置，并根據(jù)焦?fàn)t生產(chǎn)量確定煤流股的流率，根據(jù)實際操作參數(shù)設(shè)定溫度和壓力，確定煤流股的進料狀態(tài)參數(shù)。

表1 煤的工業(yè)分析 %

表2 煤中硫分析 %

表3 煤的元素分析

荒煤氣組成簡化模擬見表4。煤焦油主要組分模擬[10-11]見表 5。

1.3 物性狀態(tài)方程模型選擇

煉焦過程溫度在1 000 ℃以上，生成焦炭同時產(chǎn)生大量荒煤氣，后者主要成分是H2、CH4、氨水、焦油。在物性狀態(tài)方程中，RK 方程屬于立方型狀態(tài)方程，適用于含有輕組分氣體的非極性或弱極性的混合體系[12-13]，其中，RK-ASPEN 方程是 RK-SOAVE 狀態(tài)方程的擴展模型，適用于高溫體系，特別適用于富氫體系。根據(jù)煉焦過程物性特征，該模擬選擇RK-ASPEN 狀態(tài)方程模型，模型包括的二元相互作用參數(shù)主要來源于ASPEN 數(shù)據(jù)庫、軟件內(nèi)在估算工具及用戶參數(shù)輸入。

表4 荒煤氣的組成模擬

表5 焦油的主要組成模擬

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器模擬

2.1.1 煤調(diào)濕反應(yīng)器（R-101）

采用煤調(diào)濕預(yù)處理煤料，可穩(wěn)定煤料水分，增加煤的相對密度，減少結(jié)焦時間，提高焦炭質(zhì)量，降低能耗，延長焦?fàn)t組的使用壽命，同時減少剩余氨水量，從源頭減量焦化廢水。采用RStoic 反應(yīng)器（R-101）模擬煤調(diào)濕過程[12]，其參數(shù)設(shè)置為：反應(yīng)物煤（COAL）的化學(xué)計量數(shù)為 1，產(chǎn)物水（H2O）的化學(xué)計量數(shù)為0.056，轉(zhuǎn)化率初始設(shè)定為0.2，以實現(xiàn)控制煤濕度的目的。

模擬中規(guī)定了煤調(diào)濕反應(yīng)器的臨時轉(zhuǎn)化率，通過定義虛擬反應(yīng)和計算，得到水蒸氣和干煤兩種產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)兩相閃蒸罐（S-101）分離，干煤進入下一級反應(yīng)器（R-102）干餾。由于煤干餾過程中水分發(fā)生變化，會改變工業(yè)分析定義的水分屬性值，因此為使煤調(diào)濕過程與干餾過程物料平衡，模擬中應(yīng)用一個計算器模塊建立煤調(diào)濕反應(yīng)器和炭化室反應(yīng)器之間的平衡關(guān)系，進而控制調(diào)濕過程，使得模擬過程更加貼切實際情況。該過程的質(zhì)量守恒模型方程見式（1）和（2）：

式中：C1——濕煤流股中煤的質(zhì)量流量，kg/h；C2——調(diào)濕煤流股中煤的質(zhì)量流量，kg/h；H1——濕煤流股中煤的水分，%；H2——調(diào)濕煤流股中煤的水分，%；w——煤調(diào)濕反應(yīng)器中煤轉(zhuǎn)化為水的轉(zhuǎn)化率，%。

由方程（1）和（2）可得式（3）：

聯(lián)立方程組,建立一個計算器模塊對象，在該模塊中創(chuàng)建這5 個變量后，輸入Fortran 語句：H2=10.0%；w=(H1-H2)/(1-H2)×100%，定義煤料出口水分為10%，由此模塊計算調(diào)濕模塊的轉(zhuǎn)化率。調(diào)濕煤流股模擬結(jié)果中的部分關(guān)鍵參數(shù)見表6。從表6 可計算得到水占調(diào)濕煤流股質(zhì)量的2.78%，調(diào)濕后的煤占該流股質(zhì)量的13.89%，其余為氮氣、氧氣等熱源干風(fēng)氣主要組分。

表 6 R101、R102、S102 出口流股模擬結(jié)果

2.1.2 炭化室反應(yīng)器（R-102）

由于煤的干餾過程為多相反應(yīng)，該反應(yīng)過程的動力學(xué)、化學(xué)計量數(shù)等難以用實驗方式測定，故采用產(chǎn)率反應(yīng)器RYield（R-102）進行模擬。炭化室反應(yīng)器接收來自煤調(diào)濕反應(yīng)器的干煤以及燃燒室反應(yīng)器的熱流股，反應(yīng)生成煤氣、氨水、焦油和焦炭，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件下煤料高溫干餾時各種產(chǎn)物的平均產(chǎn)率（相對干煤的質(zhì)量）數(shù)據(jù)（見表 7[5-6，9，14]），設(shè)定該反應(yīng)器模型的參數(shù)。模型的產(chǎn)物流股部分結(jié)果見表6。從表6 計算得到炭化室反應(yīng)器產(chǎn)物流股中焦炭質(zhì)量流量占75.23%，水分占11.07%，甲烷占4.51%（凈煤氣約占9.83%），焦油占4.61%，氨占0.35%，此結(jié)果與設(shè)定值吻合較好。

表7 工業(yè)生產(chǎn)條件下炭化室高溫干餾產(chǎn)物及產(chǎn)率 %

2.1.3 燃燒室反應(yīng)器（R-103）

焦?fàn)t組耗能是評價焦?fàn)t熱工管理的核心指標(biāo)，嚴(yán)格的RGibbs 反應(yīng)器模型通過吉布斯自由能最小值計算化學(xué)平衡及相平衡，因此為得到優(yōu)化的焦?fàn)t能耗，采用RGibbs 反應(yīng)器模擬燃燒過程。燃燒室反應(yīng)器以高爐煤氣為原料，模擬其燃燒熱量通過爐墻為炭化室提供能量，同時生成焦?fàn)t煙氣。為使模擬結(jié)果更加貼合工廠實際運行狀態(tài)，選取炭化室爐墻熱流密度平均值為5 500 W/m2[15]，據(jù)此初步計算燃燒室反應(yīng)器的輸入條件（計算過程見2.3 節(jié)），并進行后續(xù)的炭化室反應(yīng)器與燃燒室反應(yīng)器的熱力學(xué)耦合計算，以及對兩個反應(yīng)器完成靈敏度分析，實現(xiàn)能量優(yōu)化。該模型的計算模式為以輸入可能出現(xiàn)的產(chǎn)物為依據(jù)，并輸入可能出現(xiàn)的產(chǎn)物：H2O、N2、O2、S、SO2、CO2、C、CO、H2。

2.2 閃蒸罐（S-101、S-102）

閃蒸罐模型的特點是恒壓絕熱，其計算模式是基于物料守恒的，此處用于煤調(diào)濕反應(yīng)器（R-101）和炭化室反應(yīng)器（R-102）產(chǎn)物的分離。兩相閃蒸罐（S-101）與煤調(diào)濕反應(yīng)器共同組成煤調(diào)濕系統(tǒng)模型，氮氣為體系提供干燥熱負(fù)荷；閃蒸分離器（S-102）與炭化室反應(yīng)器組成炭化室系統(tǒng)模型，由燃燒室反應(yīng)器（R-103）為該炭化室模型提供熱負(fù)荷。

2.3 反應(yīng)器耦合模型

炭化室反應(yīng)器（R-102）和燃燒室反應(yīng)器（R-103）耦合符合焦?fàn)t實際生產(chǎn)過程，實現(xiàn)燃燒室向炭化室供熱，完成煤干餾反應(yīng)，是煉焦的主要耗能過程，同時也是焦?fàn)t熱工狀態(tài)優(yōu)化的主要內(nèi)容，是實現(xiàn)焦?fàn)t平穩(wěn)運行和節(jié)能的關(guān)鍵。

該耦合模型定義兩個子域：加熱煙道和炭化室，高爐煤氣（BOG）在燃燒室立火道中燃燒，產(chǎn)生周期性共軛傳熱，在爐壁上形成周期性變化的熱流密度，模擬中，熱流密度以熱流股的形式傳遞至炭化室。選取熱流密度平均值5 500 W/m2[15]，計算燃燒室向單個炭化室的供熱量，方程式見式（4）：

式中：Q——燃燒室向單個炭化室的供熱量，在此模擬程序中為耦合計算中的初始設(shè)定值，kW；q——炭化室爐墻熱流密度平均值，W/m2；S——所選用焦?fàn)t的炭化室面積（炭化室高 6 m，長 15.98 m），m2。

據(jù)此熱負(fù)荷值規(guī)定出燃燒室反應(yīng)器的反應(yīng)溫度與壓力分別為1 854.25 ℃和0.101 MPa。計算得到荒煤氣參數(shù)見表 8。由表 8 可以看出，除 CO、NH3、H2O 含量差異較大之外，模擬結(jié)果與工業(yè)平均值吻合程度較高。造成此差異的主要原因是煤種差別，變質(zhì)程度低的煤種容易造成煤氣中CO2、CO 含量過高[5-6]，在模擬中不能完全模擬煤的真實情況，故造成部分差異，但此差異對后續(xù)熱能耦合計算影響很小。

表8 荒煤氣參數(shù)

2.4 靈敏度分析與優(yōu)化

在模擬的基礎(chǔ)上，基于炭化室與燃燒室之間匹配的熱負(fù)荷為自變量，以產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，對炭化室與燃燒室的耦合過程進行靈敏度分析。選取熱負(fù)荷步長為10 kW，采集變量是焦炭與荒煤氣產(chǎn)率和燃燒室的爐墻溫度，選擇氫氣為關(guān)鍵組分，其產(chǎn)率（相對干煤的質(zhì)量）代表荒煤氣產(chǎn)率，靈敏度分析結(jié)果見圖2。

圖2 靈敏度分析結(jié)果

由圖2 可知，隨著熱負(fù)荷增加，焦化產(chǎn)品產(chǎn)率變大，到達(dá)431 kW 時，焦化產(chǎn)品產(chǎn)率變化趨于平緩，若進一步提升熱負(fù)荷，對爐體強度有更高要求，且隨著BOG 用量增加，炭化室石墨化問題加重，易引起加煤阻力增大、煤餅坍塌等問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)質(zhì)量，故優(yōu)化后單孔炭化室最佳熱負(fù)荷為431.47 kW，此時焦炭產(chǎn)品產(chǎn)率為83%，燃燒室爐墻平均溫度為1 412 ℃，而在實際生產(chǎn)過程中，此條件下不同煤種的焦炭產(chǎn)率平均在80%[16-17]。此模型焦化產(chǎn)品產(chǎn)率高于各煤種產(chǎn)品產(chǎn)率平均值，且具有較好經(jīng)濟效益以及較高的安全系數(shù)。

優(yōu)化后的熱負(fù)荷值低于2.3 節(jié)中耦合計算中的設(shè)定值（527.34 kW），兩者之間存在95.87 kW 的節(jié)能空間（節(jié)能率18.18%），同時有更高的生產(chǎn)效率，可據(jù)此建立焦?fàn)t生產(chǎn)的節(jié)能目標(biāo)，采取相應(yīng)的節(jié)能方法。如加強焦?fàn)t的熱工管理[18]，加強蓄熱室封墻、廢氣開閉器的兩叉部嚴(yán)密性，以提高邊火道溫度；優(yōu)化炭化室底部壓力[19]，使其在整個結(jié)焦周期內(nèi)合理分布，從而減小結(jié)焦初、中期炭化室頂部空間荒煤氣的壓力；減少荒煤氣在炭化室的停留時間；增強筑爐耐火材料和隔熱材料的性能，增加炭化室與燃燒室隔墻材料的導(dǎo)熱率，減少熱損失等。在保證爐墻溫度降低不大的情況下，降低燃燒室內(nèi)煤氣的流量，由此在不損失焦炭質(zhì)量的前提下，降低燃燒室內(nèi)立火道中心最高溫度，降低立火道平均溫度，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

3 結(jié) 論

3.1 構(gòu)建了由煤調(diào)濕工藝、炭化室與燃燒室共同組成的煉焦過程的Aspen Plus 模擬流程，包括單元模塊的建立、流股信息的模擬、反應(yīng)器間平衡方程的控制，其中由RStoic 反應(yīng)器模型所產(chǎn)出的干煤水分為2.78%。

3.2 對炭化室和燃燒室兩個反應(yīng)器進行熱力學(xué)耦合，計算得到產(chǎn)出荒煤氣溫度為751.42 ℃；并通過與實際生產(chǎn)過程中經(jīng)驗數(shù)據(jù)對比，驗證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 以炭化室反應(yīng)器與燃燒室反應(yīng)器之間匹配的熱負(fù)荷為自變量，對焦化產(chǎn)品的收率進行靈敏度分析，得出整個焦化過程中單孔炭化室最佳平均熱負(fù)荷為431.47 kW，此時焦炭產(chǎn)品產(chǎn)率為83%，燃燒室爐墻平均溫度為1 412 ℃，最高節(jié)能效果可達(dá)18.18%。

3.4 該模型同時還可用于焦化過程中熱負(fù)荷、焦炭和濕煤的成分與質(zhì)量流量等數(shù)值的模擬計算。