本发明属于煤低温干馏检测装置领域，具体涉及一种内热式低温干馏热态模拟检测装置及方法。
背景技术：
我国低变质煤资源丰富，低温干馏可以得到煤气、兰炭和焦油，是一种低变质煤分质利用的有效方法，近年得到快速的发展。目前主要采用直立内热炉，存在的主要问题有几个方面：(1)低温干馏目前低热值煤气量大质低，缺乏有效的利用途径，易带来环保问题；(2)水盆浸泡熄焦，水和热耗量大，产品水分含量高，易引起污染无组织排放；(3)粉煤(现行工艺只利用了块煤)和兰炭碎屑仍未实现分质综合利用；(4)焦油和粉尘形成的油渣难以有效分离。
针对问题(1)，其主要原因是内热干馏采用了空气和煤气燃烧加热，燃烧废气混入了煤气中，降低了煤气的热值，增大了净化系统的处理压力，不利于综合利用。
目前，已经开发了富氧干馏技术，即利用煤气富氧燃烧，和冷煤气配合鼓入干馏炉循环，从而提高干馏过程的半焦、煤气质量和焦油产出率。但在工业应用中，存在火眼(高温气体进入炉内的通道)末端(炉内一侧)易结渣的问题，直接导致炉子正常运行受到影响。到目前为止，煤低温干馏炉出现的该类问题不仅会出现在富氧干馏工艺中，也会在以空气助燃的低温干馏过程中发生；一旦在生产过程发生，摸索、改进和调整需要较长时间，不仅生产会受到影响，而且会造成巨大的经济损失。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种内热式低温干馏热态模拟检测装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明通过离线的试验，可模拟反映内热式低温干馏炉内的物理化学过程，进而可为解决工业生产中出现的问题提供理论指导，可减少解决问题所需的时间，且不会影响生产，同时可降低经济损失。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种内热式低温干馏热态模拟检测装置，包括：加热单元、助燃风机、煤气风机、供氧装置和炉体；助燃风机、煤气风机和供氧装置的出口均通过管路分别与加热单元的助燃气入口、煤气入口和氧气入口相连通，每条管路上均设置有调节监测控制装置；炉体的顶部设置有排烟筒，炉体的底部设置有排焦口，炉体的内部设置有火道，火道的壁面上设置有若干火眼，加热单元的高温气体输出口通入火道内；炉体的内部填充有兰炭，兰炭处于火道的外部；炉体上设置有若干检测装置，检测装置的检测端通入火道的内部，或检测装置的检测端通入炉体内部的兰炭中。
进一步地，所述调节监测控制装置包括流量调节监测装置、压力调节监测装置和通断阀。
进一步地，助燃风机和煤气风机上设置有风机变频器，或助燃风机和煤气风机由变频电机驱动；火道由花墙构成，花墙上的镂空为火眼；火道通过火道支撑固定设置在炉体的内部。
进一步地，加热单元为烧嘴，烧嘴与待测实际生产过程中用烧嘴保持一致；火道的内部设置的检测装置包括若干火道测温热电偶及取压管；火道的外部的上方设置的检测装置包括若干多点煤气分布取样管及取压管；火道的外部的侧方设置的检测装置包括若干测温热电偶及取压管。
进一步地，填充兰炭的粒度与待测实际生产过程中用兰炭的粒度保持一致；填充的兰炭的上表面在布气道以上300-400mm；填充的兰炭的上表面和下表面与烧嘴水平面的距离均在800mm以上。
进一步地，多点煤气分布取样管及取压管为一支，或多点煤气分布取样管及取压管为两支且呈水平“十”字布置；多点煤气分布取样管及取压管内测点不少于5组。
进一步地，火道的外部的侧方设置的测温热电偶及取压管，由火眼中心垂直与水平方向各摆设3支以上；测温热电偶和取压管布置在同一位置。
一种内热式低温干馏热态模拟检测方法，基于上述任一种内热式低温干馏热态模拟检测装置，包含以下步骤：
步骤01，根据待测内热式低温干馏炉结构截取加热单元；
步骤02，调节助燃风机、煤气风机、供氧装置以及管路上的调节监测控制装置，保证温度、压力和煤气分布与待测内热式低温干馏炉的实际生产过程保持一致；
步骤03，根据需要布置检测装置；
步骤04，系统稳定后开始检测，连续试验时间不低于72小时，输出检测数据。
进一步地，步骤01具体包括，在待测内热式低温干馏炉烧嘴高度的水平面上下一定范围，以烧嘴为核心截取代表性的加热单元；干馏炉有N个烧嘴，就可以截取成N个加热单元，N个加热单元结合构成待测内热式低温干馏炉的烧嘴段；加热单元包含烧嘴、火道、火眼和兰炭，兰炭料层上表面不低于布气道上沿300mm-400mm；火道、火眼均按照待测内热式低温干馏炉实际构造进行建造，耐火材料的选取保持一致；填充的兰炭的粒度与待测内热式低温干馏炉的生产过程中用的兰炭保持一致，并保证兰炭的上、下表面距烧嘴水平面均在800mm以上。
进一步地，步骤03具体包括，设置多个测点检测火眼前方不同距离、不同高度的温度及压力分布，压力检测装置和温度检测装置布置在同一位置；火眼上部测点不少于5组，以火眼中心线呈垂直布置，通过抽送热电偶及取压管实现对轴向距离点的检测；火眼前方测点1组，通过抽送热电偶及取压管实现检测，检测被火眼的附近设置有对应测点；加热区上方的煤气分布取样管及取压管布置在布气道上方250-300mm以上、兰炭上表面100-150mm以下处，采用多点同步测压与取样，测压及采样点不少于5组。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的内热式低温干馏热态模拟检测装置可离线运行，实现煤内热低温干馏烧嘴周围高温区的热态模拟与检测；通过离线的试验，可模拟反映内热式低温干馏炉内的物理化学过程，进而可为解决工业生产中出现的问题提供理论指导，可避免在实际运行的干馏炉上的探索与调整，可减少解决问题所需的时间，且不会影响生产，同时可降低经济损失；可提前试验，为工业装置运行的参数控制提供依据和指导；通过设置调节监测控制装置可使模拟检测装置依据工业装置相关参数进行构建，相似度高，温度、压力分布等相关参数易于获得，对生产实践的指导性强。另外，装置投资少，运行费用可控，可随时停炉检查火道、火眼结渣等情况，考虑到炉内的兰炭基本不参与燃烧反应，以兰炭填充的固定床近似替代实际炉内兰炭在缓慢下行的移动床；模拟检测装置适用性强，不仅可模拟干馏炉烧嘴、火道及火眼附近高温区的热工况，在装置不设置火道、火眼及不添加兰炭的情况下，还可用来检测烧嘴的燃烧特性。
进一步的，通过设置调节监测控制装置可在一定范围内调节燃气配比、压力和流量，可使试验过程参数与实际运行参数一致，可提高检测的精确度。
进一步的，通过在助燃风机和煤气风机上设置风机变频器，或由变频电机驱动助燃风机和煤气风机，可通过风机变频的方式对燃气配比、压力和流量进行调节，可进一步使试验过程参数与实际运行参数一致，确保检测的准确；排烟筒上设置有燃烧嘴，可将模拟检测中产生的尾气点燃后排空，降低环境污染；火道支撑将花墙构成的火道固定，可防止火道移动，高温气体可通过花墙镂空形成的火眼进入炉内。
进一步的，烧嘴选用待测工业生产中的烧嘴，可提高模拟检测的精确度，通过火道内部设置的检测装置检测火道内气体的温度和压力，通过火道上方的检测装置检测火眼上方的煤气成分分布情况，通过火道的外部周围设置的检测装置检测火眼前方不同距离、不同高度的温度及压力分布。
进一步的，通过将填充兰炭的粒度与待测实际生产过程中用兰炭的粒度保持一致，使填充的兰炭的上表面在布气道以上300-400mm，填充的兰炭的上表面和下表面与烧嘴水平面的距离均在800mm以上，可使模拟检测装置的温度、压力和煤气分布等参数与实际生产中的参数保持一致，提高检测的准确。
进一步的，通过设置多个测点以及控制测点的位置，可进一步提高模拟检测的准确性，为准确指导实际生产提供保证。
本发明的内热式低温干馏热态模拟检测方法，运用本发明的内热式低温干馏热态模拟检测装置，可在较短时间内完成待测内热式低温干馏炉结构的热态模拟检测。
本发明的内热式低温干馏热态模拟检测装置，可在煤干馏工艺与技术研究基地实施，也可由大型企业单独实施。
附图说明
图1是本发明的一种内热式低温干馏热态模拟检测装置的正视全剖结构及测点布置示意图；
图2是图1的左视全剖结构示意图；
图3是图1中的内热式低温干馏热态模拟检测装置的加热单元的管路连接示意图。
在图1和图2中，1多点煤气分布取样管及取压管；2兰炭；3火道；4火眼；5火道支撑；10烧嘴；11排焦口；12排烟筒；13火道测温热电偶及取压管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明，其中对于上下前后左右的位置描述，均参考图1。
参考图1至图3，本发明提供的一种内热式低温干馏热态模拟检测装置，包括：加热单元、助燃风机、煤气风机、供氧装置和炉体；助燃风机、煤气风机和供氧装置的出口均通过管路分别与加热单元的助燃气入口、煤气入口和氧气入口相连通，每条管路上均设置有调节监测控制装置；炉体的顶部设置有排烟筒12，炉体的底部设置有排焦口11，炉体的内部设置有火道3，火道3的壁面上设置有若干火眼4，加热单元的高温气体输出口通入火道3内；炉体的内部填充有兰炭2，兰炭2处于火道3的外部；炉体上设置有若干检测装置，检测装置的检测端通入火道3的内部，或检测装置的检测端通入炉体内部的兰炭2中。
调节监测控制装置包括流量调节监测装置、压力调节监测装置和通断阀。助燃风机和煤气风机上设置有风机变频器，或助燃风机和煤气风机由变频电机驱动；火道3由花墙构成，花墙上的镂空为火眼4；火道3通过火道支撑5固定设置在炉体的内部。
加热单元为烧嘴10，烧嘴10与待测实际生产过程中用烧嘴保持一致；火道3的内部设置的检测装置包括若干火道测温热电偶及取压管13；火道3的外部的上方设置的检测装置包括若干多点煤气分布取样管及取压管1；火道3的外部的侧方设置的检测装置包括若干测温热电偶及取压管6、7、8、9。
填充兰炭2的粒度与待测实际生产过程中用兰炭的粒度保持一致；填充的兰炭2的上表面在布气道(火道3内部的空间形成布气道)顶部以上300-400mm；填充的兰炭2的上表面和下表面与烧嘴10水平面的距离均在800mm以上。多点煤气分布取样管及取压管1为一支，或多点煤气分布取样管及取压管1为两支且呈水平“十”字布置；多点煤气分布取样管及取压管1内测点不少于5组。火道3的外部的侧方设置的测温热电偶及取压管6、7、8、9，由火眼中心垂直方向各摆设3支或以上；测温热电偶和取压管布置在同一位置。
本发明适用于各类内热式煤干馏炉，具体说明如下：
(1)试验系统及条件：试验系统包括烧嘴单元、助燃风机、煤气风机、供氧装备、管路及仪表，管路连接方式如图3所示。根据低温干馏炉运行参数，试验装置应尽可能和实际运行参数一致，包括燃气配比、压力和流量；烧嘴选用实际应用烧嘴。燃气配比、压力和流量可通过流量调节阀及风机变频进行调节。
考虑到炉内的兰炭基本不参与燃烧反应，以兰炭填充的固定床近似替代实际炉内兰炭在缓慢下行的移动床。试验结束后兰炭由排焦口卸料。试验期间的尾气可通过烟筒点燃后排空。
(2)烧嘴单元截取：根据实际使用的内热式低温干馏炉结构截取一个烧嘴单元，也就是在干馏炉烧嘴高度的水平面上下各800mm以上截取高度，以烧嘴为核心截取代表性的加热单元，模拟检测装置的长度L1为实际使用的内热式低温干馏之间烧嘴之间的间距，也可以两边各加上30mm的余量。模拟检测装置的宽度为L2，为实际炉体宽度的1/2。干馏炉有N个烧嘴，就可以截取成N个单元，N个单元结合便可构成干馏炉的烧嘴段，如附图1至2所示。该单元不仅包含烧嘴、火道及火眼，也包括炉内的兰炭。内热式低温干馏炉截面一般为矩形，所以截取的单元也是矩形；如果干馏炉截面为圆形，可按照饼状进行切分。兰炭料层上表面应不低于布气道以上300mm-400mm。
(3)烧嘴单元的构建：除烧嘴采用生产应用的烧嘴外，火道、火眼等均按照干馏炉实际构造进行建造，包括选用的耐火材料；为保证温度、压力和煤气分布与生产一致，填充兰炭的粒度应和生产过程一致，并保证在烧嘴水平面上下各800mm以上；在烧嘴接入管路上，管路上安装设置有煤气、空气和氧气流量及压力的调整及检测装置。
(4)试验过程的检测：火眼前方不同距离、不同高度的温度及压力分布，可设置多个测点，压力和温度布置在同一位置。火眼上部测点不少于五组，以火眼中心线呈垂直布置，如图1和图2中测温热电偶及取压管7、8、9，通过抽送热偶及测压管实现对轴向距离点的检测；火眼前方测点一组，如图2中火道测温热电偶及取压管13，可通过抽送热偶及测压管实现。加热区上方的煤气成分分布通过多点煤气分布取样管及取压管1采用多点同步测压与取样，多点煤气分布取样管及取压管1布置在布气道上方250-300mm以上、兰炭表面100-150mm以下处，如图1中多点煤气分布取样管及取压管1，测压及采样点不少于5个。系统稳定后开始正式检测，连续试验时间一般不低于72小时。
(5)检测试验装置建设在兰炭生产企业，可直接利用生产煤气，煤气和助燃空气风机均可变频调速；不同企业煤气热值的差异可用天然气配入调整；采用空气风机及氧气提供助燃气体，氧气采用瓶装并联和气包的方式提供，在富氧干馏企业可通过管道提供输送氧气。
本发明可在煤干馏工艺与技术研究基地实施，也可由大型企业单独实施。
以下为具体应用实施例：
实施例1年产240万吨兰炭的低温干馏企业干馏工艺优化
(1)基本情况：
年处理能力60万吨的兰炭生产厂4座，采用立式方炉为基本生产设备，全氧干馏工艺，煤气供下游CNG生产企业作原料气。干馏室(炉膛)尺寸为：长×宽×高＝6900×3500×7500mm。煤气成分为：H2 40.07％,CO 16.08％,CO2 13.15％,CH4 14.21％,C2-C5 8.11％，其余为氮气。煤气低位发热值5732kcal/m3。在生产中出现火眼处炉壁结渣现象，导致提前停炉大修。
(2)应用方式
企业按照本发明方法，自行建设单元模拟试验装置。单台干馏炉沿长度方向双侧各16个烧嘴，单层布置，烧嘴间距430mm。以一个烧嘴为基点，并考虑烧嘴上下各取800mm，截取一个单元，得到内形为长×宽×高＝430×1750×1600mm的单元，考虑到宽度方向可能的边界效应，将宽度两侧各增加30mm，得到长×宽×高＝500×1750×1600mm的模拟单元，烧嘴、火道和火眼完全按照生产中的相关尺寸和材料设计。直接利用企业生产的煤气及氧气。
经过模拟试验，发现火眼外壁上部约120mm处，最高温度可达到1420℃，火眼外侧温度约为1240℃，对应煤种的灰熔点为1260℃，因此存在因温度过高导致的结渣问题。
针对存在的问题，提出了加大火道中气流速度，将高温区外推，使之远离火眼外侧耐火材料的工艺方案，同时考虑到富氧后燃烧迅速，最高温度点提前出现这一趋势，将原来火道和火眼部位的黏土质耐火材料改为高铝质耐火材料。
(3)应用结果
按照上述方案，利用干馏炉停炉维修，进行了相关技术改造，投入生产后运行情况明显改善。原来4～6个月就会出现的结渣导致停炉维修，现在可连续运行2年以上。
实施例2年产120万吨的兰炭生产厂的应用
(1)基本情况：
在建年处理能力60万吨的兰炭生产厂2座，采用立式方炉为基本生产设备，富氧干馏工艺，煤气供下游合成氨生产企业作原料气，按照要求将煤气中氢氮比保持在约3.0以上即可。干馏室(炉膛)尺寸为：长×宽×高＝6800×3600×7200mm。参照相关企业运行情况，选定煤气成分为：H2 38.0％,CO 15.4％,CO2 11.0％,CH4 12.2％,C2-C5 2.11％，其余为氮气。煤气低位发热值5362kcal/m3。需对烧嘴及火道、火眼的设计进行热工测定。
(2)应用方式
按照本专利方法，委托某兰炭技术中心建设单元模拟试验装置。单台干馏炉沿长度方向双侧各16个烧嘴，单层布置，烧嘴间距420mm。以一个烧嘴为基点，并考虑烧嘴上下各取800mm，截取一个单元，得到内形为长×宽×高＝420×1800×1600mm的单元，考虑到宽度方向可能的边界效应，将宽度两侧各增加40mm，得到长×宽×高＝500×1800×1600mm的模拟单元，烧嘴、火道和火眼完全按照生产中的相关尺寸和材料设计。利用企业生产的煤气，氧气采用12个氧气瓶并联+气包供氧。
经过模拟试验，发现火眼外壁上最高温度为1250℃，火眼外侧温度约为1200℃，对应煤种的灰熔点为1232℃，因此存在一定的结渣风险。在火道截面积缩小20％后，火眼外壁最高温度低于1180℃,可有效防止结渣风险。依此提出了新建炉的火道砌筑方案。
(3)应用结果
按照经试验得到的新的火道砌筑方案，在新建120万吨兰炭厂的干馏炉上进行了应用。项目建成投产后，干馏炉运行情况正常，自2016年4月投料以来，未出现企业技术人员担心的火眼及炉壁结渣问题。
实施例3年产60万吨的兰炭生产厂的应用
(1)基本情况
应用立式方炉为基本生产设备，空气助燃，煤焦比1.67：1。焦油产率7.8％左右(神木干基原煤为基准)，吨煤剩余煤气量560m3左右(神木煤)，煤气热值1700-1900kcal/Nm3，煤气采用小型燃气发电消纳。入炉原料采用块煤，粒度要求大于25mm。由于块煤价格高且供应受限，直接影响到企业的正常运行及经济效益，拟将入炉块煤粒度放低到10mm，此时炉况会发生何种变化，尤其是高温段发生何种变化需要进行热态模拟试验。
(2)应用方式
单元体的截取方法和技术措施与实施例1同，炉膛分别填充两种不同粒度的兰炭进行了对比试验，发现在采用小粒度煤后，原来的流量、压力及烧嘴、火道及火眼结构无法满足吹透中心的要求，也就是高温区气流无法到达中心，易导致中心干馏程度不足的问题。由此提出了增大回炉煤气及助燃空气量及压力或缩小火道、火眼截面积的方案，经综合比较，选用了风机适当过载，增大回炉煤气及助燃空气量的方案。
(3)应用结果
采用增大回炉煤气及助燃空气量的方案后，将入炉块煤粒度放低到10mm，炉况运行正常，产品质量稳定，经过进一步摸索，产量提高10％。
由于原料价格降低，产生了良好经济效益。