焦化煤调湿技术节能效果分析

向顺华

(宝钢集团中央研究院，能源与环境所，201900)

摘 要：采用焦炉烟气余热的流化床煤调湿技术(第三代煤调湿技术)是焦化工序一项显著降低工序能耗的新技术。本文通过系统理论能量平衡计算，确定出影响该技术节能效率的3个主要因素：煤调湿后煤中水分含量，系统设备投资和余热热源的焦炉烟气温度。这3个因素构成了煤调湿技术节能效率区域边界：煤调湿后煤中水分含量≤6％，设备投资≤6000万元，余热热源的烟气温度≥180℃。超出该边界，则系统的节能效果不明显，甚至会提高系统能耗，增大生产成本。

关 键 词：焦炉煤，煤调湿，焦化

炼铁工序可分为四大部分：炼铁、焦化、烧结和球团。2012年国内炼铁工序能耗为：炼铁401．82kgce(kg标准煤)，焦化102．72kgce，烧结50．6kgce，球团28．75kgce[1]。焦化能耗占的比重甚大，减少焦化能耗对降低炼铁工序整体能耗有着举足轻重的作用。图1示出焦炉热平衡之一例[2]。从图中可以看出，水蒸汽潜热、显热消耗的能量占到17．12％。水蒸汽来源主要是煤的含水量。在入焦炉前去除煤中的水分，即可减少该部分的能耗，文献报道装炉煤中水分超过8％时，水分每增加1％，焦炉能耗提高1．2~1．49%[2]。即降低煤的水分含量，具有明显的节能效果，这就是炼焦行业正在推行的煤调湿技术。煤调湿技术从1983年开始，新日铁采用导热油将焦炉烟道烟气余热和上升管慌煤气余热用于干燥湿煤(第一代)，随后又开发了用干熄焦蒸汽发电的后的低压蒸汽余热干燥湿煤(第二代)，已发展到直接用焦炉烟气的流化床煤调湿技术(第三代)[3-6]。

煤调湿技术的节能效果与煤中水分含量，系统装备配置，热量来源等因素直接相关，需从系统整体进行分析。本文从理论计算出发，就煤中水分减少量、加热烟气的热含量以及装备投资等几个方面分析第三代煤调湿技术节能效果的工况范围，以期为该技术的推广应用提供参考依据。

1 焦炉理论能耗计算

为了计算方便，将焦炉炼焦热过程简化为：入焦炉物料仅为干煤和水，出焦炉物料仅为焦炭和水蒸气，即仅考虑水含量变化对炼焦过程能耗的影响。以1000kg湿煤为基准，计算出煤中水分含量变化时炼焦过程理论能耗和减少煤中水分含量时焦炉的理论节能效率。计算结果(图2)表明，煤中水分含量在11％时，焦炉理论能耗为85kgce／图。煤中水分每减少1％，则焦炉能耗降低1．8％。此结果与文献[2]中报道值是一直的。也就是说，煤调湿技术的节能整体效果应在此范围内。这里没有计算煤调湿后，可以缩短结焦时间，增加弱粘性煤的添加量等带来的效益。

2 煤调湿运行工况及投资费用对节能效果的影响

煤调湿系统运行涉及到的主要工况有2个：提供热源的烟气温度和供给烟气的风机功率。其节能效果还与系统装备投资费用有直接关系。本文从这3个方面探讨煤调湿技术节能效果。

(1)煤调湿用烟气温度对节能效果的影响

第三代煤调湿技术是以焦炉烟气余热为热源干燥湿煤。烟气温度高，则烟气热焓大，煤调湿产能一定时，使用烟气量将减小，引风机功率相对较小，能够保证整体节能效果。否则，需要的烟气量大，则引风机功率增加，会抵消其节能效果。图3示出烟气温度对引风机运行能耗的影响。其计算条件为煤调湿产能设计300t/h，煤中水分从11％干燥到6％，风机能耗是鼓风机与排风机能耗之和。从图中可见，随烟气温度降低，风机能耗大幅度上升。烟气温度从280℃降到180℃，风机能耗从5．7MJ上升到12．2MJ。上升了113．2％。因此要保持煤调湿的节能效果，烟气温度不能太低。

(2)煤调湿后煤中水分含量对风机能耗的影响

煤中水分含量减少越多，需要的热风量越大，则风机能耗也越大。图4计算了不同烟气温度条件下，脱除煤中水分量与风机能耗的关系。仅从节能效果考虑，则烟气温度变化与脱除煤中水分含量变化将组成一个煤调湿节能正能量的区域。在该区域内有节能效果，超出该区域，则没有节能效果。

(3)煤调湿系统设备投资对节能效果的影响

第三代煤调湿系统主要装备组成有引风机，排风机，流化床装备，烟气除尘与蒸发水分离和处理装置，相应的管道和检测系统。本次计算将这些装备投资费用统一按照标准煤价格折合成能耗，设备投资回收期按10年计算。图5给出煤中水分含量从11％降到6％时，设备投资对系统节能效果的影响。从图中看出系统设备投资额度对系统节能效果影响甚大。在水分含量从11％降低到6％条件下，投资额度大于7500万元人民币时，系统基本上无节能效果。因此，煤调湿系统要获得明显的节能效果，则必须降低装备投资费用。

图6示出当烟气温度为230℃时(通常焦炉烟气温度在200～260℃之间)，系统装备投资额度及调湿后煤中水分含量对系统节能效果的影响。结果表明，设备投资额度与煤调湿水分含量共同影响系统节能效果。当投资额度大于6000万元时，进入焦炉的煤中水分含量小于7％，系统才有节能效果。入焦炉煤中水分含量与焦化工艺相关，同时影响到粉尘排放量，需要综合考虑。当工艺要求入焦炉煤水分含量不能低于6％，则装备投资额度要控制在6000万元以内。这是采用煤调湿技术的一个决策判断参考。

(4)煤调湿系统节能效果分布区域

调湿后煤中的水分含量、设备投资、余热热源的烟气温度是影响煤调湿技术节能效果的主要因素影响。表1列出了3个因素对煤调湿节能效果影响的分布区域。理论计算表明，仅从节能效果考虑，煤调湿技术节能的系统参数范围应为：煤调湿后煤中水分含量≤6％，设备投资≤6000万元，余热热源的烟气温度≥180℃。在此，没有考虑煤调湿后，焦炉产能提高和增加弱黏性煤比例带来的效益。这两项效益与生产过程运行条件密切相关，很难从理论上进行精确计算。

3 结论

采用焦炉烟气余热的流化床法煤调湿技术(第三代煤调湿技术)是焦化工序中一项能够显著降低工序能耗的新技术。仅从该技术本身节能效果考虑，影响其能耗有3个主要因素：调湿后煤中的水分含量，设备投资和余热热源的烟气温度。理论计算表明，3个因素组成了煤调湿技术节能效率区域边界：煤调湿后煤中水分含量≤6％，设备投资≤6000万元，余热热源的烟气温度≥180℃。超出该边界，则其节能效率不会明显，甚至可能不仅不会节能，反而增加系统的能耗，增大生产成本。

参 考 文 献：

[1]   王维兴，重点钢企炼铁技经指标艰难提升，中国冶金报，2013年3月7日．

[2]   姚照章，炼焦学(第二版)，冶金工业出版社，2004年3月．

[3]   黄智斌，焦化第三代煤调湿技术及其应用，冶金能源，2010年1月，v01．29№．1，P11．

[4]   张国庆，张琼芳，刘勇刚，焦炉烟道废气一流化床式煤调湿技术的应用，燃料与化工，2010年11月，P9

[5]   朱德升，陈海文，煤调湿工艺及其经济效益分析，燃料与化工，2004年3月，P7．