趙 杰，申聯(lián)星，陳 陽，宋濤濤，陳曉菲，李朋澤，孫丁武，雷 剛，楊 芊

(1.陜西冶金設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.中國煤炭加工利用協(xié)會，北京 100013)

在當(dāng)今不斷變化的世界格局下，各國對于能源的競爭日益激烈。對于能源的大量需求，同樣也導(dǎo)致非常多的環(huán)境問題，因此，加速能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少二氧化碳排放就成為了世界各國的普遍認(rèn)知[1]。中共中央、國務(wù)院下發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》(中發(fā)【2021】36號)，中明確指出：實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，要堅持“全國統(tǒng)籌、節(jié)約優(yōu)先、雙輪驅(qū)動、內(nèi)外暢通、防范風(fēng)險”的工作原則，強(qiáng)調(diào)要把節(jié)約能源放在首位，實行全面節(jié)約戰(zhàn)略，持續(xù)降低單位產(chǎn)出能源資源消耗和碳排放，提高投入產(chǎn)出效率，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳生活方式，從源頭和入口形成有效的碳排放控制閥門。全國蘭炭總產(chǎn)能約1.3億t，如何順應(yīng)國家發(fā)展趨勢、降低企業(yè)能耗成為蘭炭從業(yè)者的共識。經(jīng)過多年發(fā)展，行業(yè)內(nèi)科研院所、設(shè)計、生產(chǎn)等相關(guān)單位均對蘭炭節(jié)能技術(shù)進(jìn)行摸索和試驗，本文將行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行的各種節(jié)能工藝技術(shù)進(jìn)行梳理和介紹，并結(jié)合工藝及后期運維對未來節(jié)能降耗的發(fā)展方向進(jìn)行了分析論證。

1 蘭炭行業(yè)發(fā)展歷程介紹

蘭炭之名最早源于榆林市神木市，因其在燃燒時產(chǎn)生“蘭色火焰”而得名，具有高固定碳、低灰、低硫、低磷、低水、比電阻率高、反應(yīng)性好、塊度和強(qiáng)度適中、高化學(xué)活性等特點，在化學(xué)還原反應(yīng)中，能起到催化作用。與焦炭相比，蘭炭揮發(fā)分含量高，孔隙率大而機(jī)械強(qiáng)度低。蘭炭與一氧化碳、蒸汽或氧具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性，是很好的高熱值無煙燃料，目前廣泛應(yīng)用于鐵合金、電石、活性炭、合成氨和民用無煙燃料等領(lǐng)域，尤其在電爐反應(yīng)中能起到降低電耗、節(jié)約能源、增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，是電石產(chǎn)品的主要生產(chǎn)原料[2-5]。蘭炭行業(yè)在40多年的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了三個階段[6-12]。

1.1 土法煉焦階段

第一階段為20世紀(jì)70年代到1994年土法煉焦階段，是將塊煤在平地堆積后用明火點燃，等燒透后用水熄滅而制取蘭炭，焦油不回收，煙氣直接排空，蘭炭質(zhì)量不穩(wěn)定，資源浪費和環(huán)境污染問題較嚴(yán)重。但因此生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，銷售價格低廉，其產(chǎn)品還是為廣大用戶所認(rèn)可。在此期間，榆林蘭炭產(chǎn)能超過150萬t/a。1993年12月，國務(wù)院環(huán)境保護(hù)委員會召開了環(huán)?，F(xiàn)場檢查會，要求對土法煉焦進(jìn)行技術(shù)改造，土法煉焦被全面禁止和取締。

1.2 機(jī)制煉焦階段

第二階段為1995—2007年機(jī)制煉焦階段。20世紀(jì)90年代，治理環(huán)境、減少污染、節(jié)能降耗已經(jīng)成為人們的共識。國家在這方面專門出臺了一系列的法律法規(guī)，采用機(jī)械化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)蘭炭已被當(dāng)?shù)卣岬阶h事日程上來，并且已經(jīng)被大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)所接受，也已逐漸形成規(guī)模。由于用機(jī)械操作代替了人工操作，故將此蘭炭產(chǎn)品稱之為“機(jī)制蘭炭”。在此期間，榆林蘭炭生產(chǎn)的主要設(shè)備及技術(shù)工藝在性能、運行、環(huán)境保護(hù)等方面都有了較大的改進(jìn)和提高。

2007年，榆林市按照“上大關(guān)小、等量置換”的思路，制定了《榆林市蘭炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整意見及發(fā)展規(guī)劃》，頒布了《榆林市蘭炭產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入技術(shù)條件(暫行)》，全部關(guān)閉了分散建設(shè)、總規(guī)模不到60萬t的271戶小蘭炭企業(yè)，規(guī)劃建設(shè)了17個工業(yè)集中區(qū)和5個蘭炭集中生產(chǎn)點，全力推廣陜西冶金設(shè)計研究院的SH型為主的單爐產(chǎn)能7.5萬t/a的直立爐，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，煤氣和煤焦油得到了綜合利用。

1.3 轉(zhuǎn)型升級階段

第三階段為2008年至今轉(zhuǎn)型升級階段。2008年9月，陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《蘭炭行業(yè)清潔化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》。2008年12月，國家工業(yè)和信息化部公告修訂的《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件(2008年修訂)》，首次將蘭炭(半焦)爐和生產(chǎn)列入其中，為蘭炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策依據(jù)。隨后，國家及地方發(fā)布了一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對蘭炭產(chǎn)業(yè)的能耗、用煤條件、產(chǎn)品技術(shù)條件等進(jìn)行了規(guī)定。

在此期間，蘭炭生產(chǎn)工藝進(jìn)一步提升，所用原料煤可由30～80 mm塊煤改為價格比塊煤便宜的小粒煤(6～30 mm)，對高溫蘭炭的熱量進(jìn)行回收利用(副產(chǎn)水蒸氣)，蘭炭降溫由水撈焦改為水霧熄焦，提高了蘭炭產(chǎn)品質(zhì)量，顯著減少廢水量。

經(jīng)過多年發(fā)展與技術(shù)積累，我國蘭炭產(chǎn)業(yè)鏈布局不斷完善，行業(yè)發(fā)展也逐漸成熟，目前蘭炭已經(jīng)成為遍布全國的特色產(chǎn)業(yè)。我國已形成煤—蘭炭—電石—聚氯乙烯、煤—蘭炭—硅鐵—金屬鎂、煤—蘭炭—煤焦油—清潔燃料油、煤—蘭炭—煤氣—發(fā)電、煤—蘭炭—煤氣—合成氨、煤—蘭炭—煤氣—陶瓷等六個產(chǎn)業(yè)鏈。

2 蘭炭行業(yè)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)及措施

蘭炭生產(chǎn)是一個能源轉(zhuǎn)換過程，所投入的一次能源為原煤，產(chǎn)出的二次能源為蘭炭、煤氣、焦油、蒸汽等，生產(chǎn)過程中消耗的能源及耗能工質(zhì)有生產(chǎn)用水、電等。耗能工質(zhì)的消耗及能源轉(zhuǎn)換過程中的損失構(gòu)成了蘭炭生產(chǎn)的總能耗。蘭炭行業(yè)從最初的土法煉焦階段發(fā)展到現(xiàn)在現(xiàn)代化生產(chǎn)；從最初的只回收蘭炭產(chǎn)品到現(xiàn)在蘭炭、煤氣和煤焦油都綜合利用；從水撈焦到低水分熄焦或干熄焦……，蘭炭企業(yè)在生產(chǎn)工藝節(jié)能、電氣節(jié)能、通風(fēng)空調(diào)節(jié)能、建筑節(jié)能等方面已經(jīng)有了極大的提升，在常規(guī)節(jié)能措施方面已經(jīng)基本符合國家現(xiàn)有能耗標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 工藝節(jié)能技術(shù)

蘭炭生產(chǎn)過程中最主要的能耗在于生產(chǎn)過程中的能源轉(zhuǎn)換差，主要表現(xiàn)為干餾過程中的干餾所需熱量、熱量損失、以及熄焦過程中的熱量耗散。因此工藝節(jié)能措施在蘭炭生產(chǎn)節(jié)能措施中比較重要的環(huán)節(jié)。蘭炭工藝節(jié)能技術(shù)主要有以下方面：

(1)在炭化爐爐體設(shè)計上，合理設(shè)計磚型和砌筑方式，提高結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性，避免爐體煤氣泄漏；

(2)合理設(shè)計隔熱結(jié)構(gòu)，采用新型保溫隔熱材料，減少爐內(nèi)熱量損失；

(3)采用單爐產(chǎn)能大的爐型，形成規(guī)模效應(yīng)，減少單位產(chǎn)品散熱損失；

(4)精準(zhǔn)控制入爐空氣量和煤氣量，保持炭化爐合理干餾溫度；

(5)調(diào)整炭化室內(nèi)溫度分布，使?fàn)t內(nèi)溫度分布均勻，可有效改善干餾工況，節(jié)約能量；

(6)生產(chǎn)裝置采用了 DCS 系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視和控制，實現(xiàn)工藝條件優(yōu)化，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)能耗

(7)合理設(shè)計加煤及出焦方式，減少煤氣泄漏；

(8)控制爐頂溫度，減少荒煤氣帶走熱量及為后續(xù)凈化降低熱負(fù)荷；

(9)按不同溫度要求，加強(qiáng)循環(huán)水的利用，節(jié)省工業(yè)用水；

(10)爐底采用余熱鍋爐回收蘭炭余熱，每噸蘭炭可回收約0.2 t飽和蒸汽(壓力為1.0 MPa，折合約20 kg標(biāo)煤)；

(11)采用低水分熄焦工藝，蘭炭水分可控制在15%左右，節(jié)約水撈焦工藝中設(shè)置烘干的能耗損失。

2.2 電氣節(jié)能技術(shù)

(1)選用國家規(guī)定的節(jié)能型機(jī)電設(shè)備；

(2)各種水泵及風(fēng)機(jī)采用新型節(jié)能設(shè)備，風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)；

(3)為提高功率因素，減少無功功率損耗，在變配電室設(shè)置低壓靜電電容器柜，對低壓設(shè)備集中進(jìn)行無功功率補償；

(4)低壓電動機(jī)一律選用 Y 系列高效節(jié)能型三相異步電動機(jī)；

(5)廠房內(nèi)一般照明，選用熒光燈或LED燈等高效光源，DCS操作室及辦公室等選用帶無功補償電子鎮(zhèn)流器的熒光燈具；

(6)配電變壓器盡量安排在靠近負(fù)荷中心處，縮短低壓線路的長度；

(7)提高負(fù)載功率因數(shù)，減少無功電流，采用無功就地補償和提高負(fù)載自然功率因數(shù)，使補償后的功率因數(shù)達(dá)到0.92以上，用電設(shè)備無功功率補償盡量靠近用電負(fù)荷，提高變壓器能效；

(8)選用低能耗節(jié)能型電力變壓器，損耗小、效率高；

(9)所有電器設(shè)備及材料采用低損耗的電器設(shè)備和材料。

2.3 建筑節(jié)能技術(shù)

(1)建筑物的朝向在滿足工藝布置的前提下采用南北向或接近南北向，主要房間冬季爭取日照和避開冷風(fēng)，有利于節(jié)能；

(2)建筑設(shè)計時考慮自然通風(fēng)良好，提供室內(nèi)環(huán)境對新鮮空氣的需求，提高舒適度，降低通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備的耗能；

(3)建筑設(shè)計充分利用自然采光，減少了人工照明的能耗；

(4)屋頂設(shè)計，選擇輕質(zhì)高效的保溫隔熱材料和合理的構(gòu)造措施。

2.4 通風(fēng)空調(diào)技術(shù)

(1)采用保溫性和氣密性較好的節(jié)能型門窗，門縫窗縫均安裝密封條，避免漏風(fēng)，且選用中空玻璃；

(2)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備盡量選用節(jié)能型制冷、排通風(fēng)設(shè)備；

(3)合理確定排風(fēng)量，減少空調(diào)面積，降低能耗；

(4)鼓、引風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備考慮選用變頻電機(jī)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量，節(jié)約電能。

2.5 其它節(jié)能技術(shù)

(1)盡量借用場地高差，優(yōu)化工段布置，縮短物料輸送距離，使物料流向符合流程；

(2)按照動力系統(tǒng)盡可能地靠近主要負(fù)荷中心的原則進(jìn)行布置，減少動力消耗和輸送損失；

(3)配備各種高精度能源計量儀表，設(shè)置能源計量管理機(jī)構(gòu)，對進(jìn)廠原料、出廠產(chǎn)品及各工段的中間產(chǎn)品、動力消耗均設(shè)置計量設(shè)施，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全流程能耗管控；

(4)提高職工素質(zhì)，強(qiáng)化節(jié)能意識，通過加強(qiáng)管理、提高操作水平等措施達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 蘭炭行業(yè)節(jié)能空間、方向探討

3.1 定制化生產(chǎn)(分級干餾)

目前，蘭炭生產(chǎn)基本采用一種規(guī)格的入爐煤(10～120 mm)，原料粒度相差較大。由于不同粒度所需干餾時間不同，為了不出現(xiàn)生焦，就不可避免的造成部分粒度較小的煤成焦后依舊滯留在干餾段，此時通入爐內(nèi)的煤氣和空氣不完全是用來作為干餾熱源，會導(dǎo)致爐溫的無效提高，浪費能量。因此，如能根據(jù)用戶需要，實現(xiàn)不同炭化爐生產(chǎn)不同粒度的蘭炭，使用粒度范圍更為均勻的入爐煤，使?fàn)t內(nèi)干餾更均衡，所有回爐煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量都用于煤的干餾，可以明顯節(jié)省回爐煤氣量，有效降低能耗。

3.2 無水蘭炭技術(shù)

蘭炭生產(chǎn)采用低水分熄焦(水霧熄焦)，可節(jié)省蘭炭烘干能耗，但是成品蘭炭仍含有約15%的水分，在后續(xù)工段利用中，仍然需要將這部分水分烘干。根據(jù)對蘭炭烘干成本的調(diào)研，烘干1 t蘭炭(含水15%)大約需要60 kg標(biāo)煤，這部分能耗非常大。如果能夠生產(chǎn)無水蘭炭，便可以為后續(xù)工段節(jié)省大量的能耗?，F(xiàn)階段無水蘭炭的生產(chǎn)尚沒有工業(yè)化應(yīng)用的工藝及技術(shù)。研究方向主要有循環(huán)水間接冷卻熄焦技術(shù)和惰性氣體直接冷卻熄焦技術(shù)兩個方向。

循環(huán)水間接冷卻熄焦技術(shù)是將30 mm以下的熾熱的蘭炭首先通過余熱鍋爐回收高溫余熱，降至250 ℃以下然后將蘭炭送入間接冷卻設(shè)備(如回轉(zhuǎn)窯、冷渣機(jī)等)，冷卻設(shè)備一般內(nèi)設(shè)列管，管內(nèi)通循環(huán)冷卻水，通過蘭炭與循環(huán)水的間接換熱，將蘭炭溫度降至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入電石裝置作原料。

惰性氣體直接冷卻技術(shù)是將連續(xù)生產(chǎn)的蘭炭收集在一個集焦倉內(nèi)，采用惰性氣體與蘭炭直接換熱冷卻，將蘭炭冷卻至80 ℃以下，并打包外售或者直接送入電石裝置作原料。

3.3 加大單爐蘭炭產(chǎn)量形成規(guī)模效應(yīng)

單爐產(chǎn)量較低時，折合單位蘭炭產(chǎn)品散熱面積就較大，單位產(chǎn)品散熱量就大，相對就不節(jié)能。同時單爐產(chǎn)量較低時，對應(yīng)凈化等輔助配套設(shè)施就比較分散，設(shè)備數(shù)量就比較多，同樣不利于節(jié)能。根據(jù)蘭炭爐爐型特點，單爐產(chǎn)量越大，單位產(chǎn)品折合散熱面積就越小，散熱量也就越小。因此，提高單爐蘭炭產(chǎn)量，也是減少單位產(chǎn)品能耗的一種方法。

3.4 富氧干餾

現(xiàn)在蘭炭企業(yè)大多采用內(nèi)燃內(nèi)熱式直立爐進(jìn)行生產(chǎn)，而在生產(chǎn)過程中需要回爐部分煤氣與空氣在爐內(nèi)進(jìn)行燃燒為煤的熱解提供干餾熱量。由于空氣中含有大量的氮氣，不僅要求輸送設(shè)備加大，且這部分氮氣成為煤氣的一部分(陜北蘭炭煤氣中氮氣含量大約在45%左右)。這部分氮氣的存在不僅大大降低了煤氣的熱值，給后續(xù)煤氣的利用帶來不便，同時還從炭化爐中帶走部分熱量、在煤氣凈化工段中又被冷卻下來，白白浪費熱量的同時又加大了煤氣凈化負(fù)荷。

富氧燃燒技術(shù)是以富氧與煤氣配合在爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，作為煤干餾所需的熱源，富氧中氧氣含量控制在30%～100%。富氧燃燒的高溫?zé)煔鉁囟容^高，如果全部采用富氧會造成爐內(nèi)干餾溫度過高，從而影響低溫干餾過程的進(jìn)行。因此需要通入部分的循環(huán)冷煤氣與高溫?zé)煔饣旌希_(dá)到低溫干餾所需的溫度(約650～750 ℃)，使煤在合適的溫度下熱解成蘭炭。根據(jù)試驗結(jié)果，采用富氧燃燒，最多可以使煤氣熱值提高兩倍，達(dá)到14 MJ/m3，氮含量可降低至5%左右，氫、甲烷等有效成分的含量也大大提高，而煤氣總產(chǎn)量大大降低[13，14]。通過富氧干餾既提高了煤氣質(zhì)量給后續(xù)煤氣利用提供了便利，同時也給本裝置凈化工段降低了負(fù)荷，大大節(jié)省了能源。

4 總 結(jié)

(1)采用低階煤中低溫?zé)峤饧夹g(shù)，可以獲取中高附加值的油氣產(chǎn)品及高碳含量產(chǎn)品(蘭炭)，能實現(xiàn)低階煤的分質(zhì)利用，提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)價值。

(2)蘭炭節(jié)能降耗是一個系統(tǒng)工程，需要對整個生產(chǎn)過程，甚至整個產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面考慮，全面、科學(xué)的評估節(jié)能技術(shù)的每一個細(xì)節(jié)，從而真正降低蘭炭生產(chǎn)能耗。

(3)我國蘭炭行業(yè)處于轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展期，“碳達(dá)峰”和“碳中和”的窗口期要實現(xiàn)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，就必須以科技創(chuàng)新為動力加強(qiáng)新技術(shù)、新工藝、新裝置的研發(fā)節(jié)能降耗，促進(jìn)蘭炭行業(yè)進(jìn)一步持續(xù)、健康發(fā)展。