氧化鋁行業(yè)煤制氣升級(jí)改造之氣化技術(shù)比較

李海洋

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400）

0 引 言

目前大多數(shù)氧化鋁企業(yè)均采用多臺(tái)常壓固定床氣化爐（以下簡(jiǎn)稱兩段爐）向氧化鋁焙燒爐提供燃料煤氣，由于兩段爐須采用不粘塊煤為原料，原料成本高，且出爐煤氣中含焦油、酚等雜質(zhì)，污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、設(shè)備多，增加了投資和運(yùn)行成本。國(guó)家發(fā)改委2007年在《關(guān)于加強(qiáng)煤化工項(xiàng)目建設(shè)管理促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》中明確指出，煤化工企業(yè)禁止核準(zhǔn)或備案采用常壓固定床氣化技術(shù)，使得常壓固定床氣化裝置亟需進(jìn)行更新?lián)Q代。

另外，部分氧化鋁企業(yè)的焙燒爐全部使用天然氣，其每噸氧化鋁的焙燒成本比兩段爐供氣焙燒成本高約74.14元（以2016年1—6月之價(jià)格為例）；與采用常壓流化床空氣氣化技術(shù)的代表性技術(shù)——粉煤氣化爐之每噸氧化鋁焙燒燃料氣成本130.32元（以入爐煤折標(biāo)煤價(jià)格830元／t計(jì)）相比，高約59.05元。顯然，采用新型氣化爐生產(chǎn)燃料煤氣作為氧化鋁焙燒爐的燃料氣，可在很大程度上降低氧化鋁的生產(chǎn)成本。

采用新型煤氣化技術(shù)生產(chǎn)燃料氣，不僅可使氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的燃料氣供應(yīng)裝置得到升級(jí)，而且可使生產(chǎn)裝置大型化、資源綜合利用清潔化和產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化，并降低燃料氣的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)主營(yíng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，采用先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，符合國(guó)發(fā)〔2016〕67號(hào)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》提出的煤炭清潔高效利用技術(shù)裝備提升的要求，其代表性技術(shù)——粉煤氣化技術(shù)不在2013年5月1日頒布的《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于修改＜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）＞有關(guān)條款決定》中的落后生產(chǎn)工藝裝置目錄中。

以下就煤制燃料氣行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的常壓流化床空氣氣化技術(shù)以及值得氧化鋁行業(yè)關(guān)注的低壓富氧氣流床氣化技術(shù)，基于3種典型的陜北煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，以期為氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)選擇合適的煤制燃料氣氣化技術(shù)有所幫助。

1 2種氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 常壓流化床空氣氣化技術(shù)

常壓流化床空氣氣化技術(shù)工藝流程框圖如圖1。來(lái)自原料煤破碎及輸送系統(tǒng)的粉煤（粒徑≤10mm）輸送至原料煤貯斗中，由小煤斗下的螺旋給煤機(jī)送入氣化爐爐膛，與來(lái)自高溫預(yù)熱器的氣化劑（高溫空氣、蒸汽）發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的爐渣通過(guò)皮帶輸送至煤氣站內(nèi)渣倉(cāng)，產(chǎn)生的粗煤氣夾帶飛灰進(jìn)入高溫旋風(fēng)分離器，大顆粒飛灰被分離后返回爐膛繼續(xù)燃燒，小顆粒飛灰則與煤氣在高溫預(yù)熱器內(nèi)與來(lái)自風(fēng)機(jī)的空氣、汽包的蒸汽進(jìn)行熱交換（產(chǎn)生高溫氣化劑）；出高溫預(yù)熱器的煤氣進(jìn)入余熱回收器、省煤器與脫鹽水進(jìn)行熱交換（產(chǎn)生飽和蒸汽）；降溫后的煤氣進(jìn)入布袋除塵器，小顆粒飛灰被過(guò)濾下來(lái)后送入氣力輸送系統(tǒng)，潔凈煤氣則進(jìn)入煤氣冷卻器進(jìn)一步降溫，之后經(jīng)脫硫系統(tǒng)脫除H2S并加壓送至用戶。

圖1 常壓流化床空氣氣化技術(shù)工藝流程框圖

1.2 低壓富氧氣流床氣化技術(shù)

低壓富氧氣流床氣化技術(shù)工藝流程框圖如圖2。其氣化爐下部設(shè)置有4個(gè)水平布置的工藝燒嘴，原料煤在粉煤制備單元經(jīng)過(guò)干燥和研磨制成合格煤粉（粒徑＜0.1mm），送入粉煤給料單元，通過(guò)輸送單元及計(jì)量后向氣化爐供料；來(lái)自空分單元的富氧作為氣化劑與蒸汽及粉煤給料單元來(lái)的煤粉一道通過(guò)工藝燒嘴進(jìn)入粉煤氣化爐反應(yīng)，生成粗煤氣，產(chǎn)生的熔渣從氣化爐底部排出；從氣化爐頂部離開(kāi)氣化室的粗煤氣，經(jīng)循環(huán)氣（激冷氣）初步激冷降溫后進(jìn)入廢熱鍋爐（回收大部分顯熱副產(chǎn)蒸汽），之后進(jìn)入布袋除塵器脫除攜帶的細(xì)灰；除塵后部分潔凈燃?xì)饨?jīng)增壓后返回氣化室出口作為激冷氣，大部分則進(jìn)入煤氣冷卻器進(jìn)一步冷卻后送入脫硫單元?？辗謫卧a(chǎn)氮?dú)庾鳛檩斔蜌夂透稍餁?，供給料和制粉單元使用。

圖2 低壓富氧氣流床氣化技術(shù)工藝流程框圖

2 煤質(zhì)分析

3種典型陜北煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?？梢钥闯觯?種陜北煤的含灰量均小于20%，內(nèi)水含量較低，灰渣流動(dòng)溫度（FT）均不大于1300℃，但其在950℃下的CO2反應(yīng)活性均不高。

表1 3種典型陜北煤的主要煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3 2種氣化技術(shù)的對(duì)比

常壓流化床空氣氣化技術(shù)在煤制燃料氣行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛。其特點(diǎn)是：氣化溫度在900～1000℃之間，氣化爐內(nèi)溫度分布均勻；所產(chǎn)粗煤氣質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)固定床氣化爐，不含焦油和酚，無(wú)需配套建設(shè)焦油、酚等回收裝置；煤種適應(yīng)性相對(duì)較好，適用于弱粘煤（CRC＜4）。但也存在單爐產(chǎn)能較小、對(duì)煤質(zhì)（灰分、活性和灰熔點(diǎn)）要求較高、飛灰含碳量高（需另外處理）以及需配套建設(shè)復(fù)雜的氨回收裝置等不足。

氣流床氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。低壓富氧氣流床氣化技術(shù)采用的廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)控制和操作規(guī)程都非常成熟。其特點(diǎn)是：煤種適應(yīng)性廣，褐煤、煙煤、無(wú)煙煤和石油焦等均可；對(duì)煤灰熔點(diǎn)的適應(yīng)范圍較其他氣化工藝更寬，且對(duì)煤的活性、結(jié)焦性、水分、硫分、氧含量及灰分并不敏感；氣化爐的操作溫度高于煤的灰熔點(diǎn)，一般在1300℃以上，使得原料煤的碳轉(zhuǎn)化率高，氣化爐出口粗煤氣中有效成分（CO＋H2）含量高；整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率較高，并可副產(chǎn)蒸汽；氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)形式，無(wú)耐火襯里，易于維護(hù)，易于保證系統(tǒng)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，相較于流化床氣化技術(shù)，低壓富氧氣流床氣化技術(shù)另一個(gè)突出特點(diǎn)是環(huán)境友好，氣化爐所產(chǎn)生的爐渣和飛灰是非活性的，粗煤氣相對(duì)潔凈，系統(tǒng)產(chǎn)生的污水容易處理，易于實(shí)現(xiàn)零排放。

基于表1中3種典型陜北煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，常壓流化床空氣氣化技術(shù)與低壓富氧氣流床氣化技術(shù)用于氧化鋁企業(yè)現(xiàn)有燃料氣供給裝置（兩段爐）的升級(jí)改造，其對(duì)比分析如下。

3.1 煤質(zhì)情況

從表1的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)來(lái)看，3種典型陜北煤的最低軟化溫度（DT）為1140℃、流動(dòng)溫度（FT）最高為1300℃，空氣干燥基灰分含量在15.71%～18.36%，2種氣化技術(shù)均適用。但同時(shí)也可以看到，煤種Ⅱ的焦渣特征（CRC）為4，該值已處于常壓流化床空氣氣化技術(shù)許可的上限，若將其用于常壓流化床氣化爐，會(huì)給氣化爐的操作運(yùn)行帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)；另外，這3種煤在950℃條件下的CO2反應(yīng)活性均不高，煤種Ⅱ的反應(yīng)活性甚至低于30%，若采用常壓流化床空氣氣化爐氣化這3種煤，其碳轉(zhuǎn)化率會(huì)較低。而若采用低壓富氧氣流床氣化爐氣化這3種煤，因其氣化爐的操作溫度一般高于1300℃，即高于煤灰的流動(dòng)溫度，原料煤在氣化爐內(nèi)的碳轉(zhuǎn)化率會(huì)較高，且煤種的CRC對(duì)低壓富氧氣流床氣化爐的操作運(yùn)行沒(méi)有任何影響。

3.2 燃料氣質(zhì)量及熱值

常壓空氣流化床氣化爐所產(chǎn)干煤氣中有效氣（CO＋H2）含量在40%～46%之間，其余大部分為N2和CO2，并有少量CH4，所產(chǎn)燃料氣的熱值約為1350kcal／m3；低壓富氧氣流床氣化爐所產(chǎn)干煤氣中有效氣（CO＋H2）含量一般高于70%，對(duì)應(yīng)的燃料氣熱值高于2100kcal／m3。由于上述2種氣化爐所產(chǎn)粗煤氣除塵后均采用相同的PDS脫硫工藝，按氧化鋁焙燒爐對(duì)燃料氣進(jìn)氣溫度約40℃的要求，燃料氣中均含有一定量的飽和水，這些飽和水在燃燒過(guò)程中因蒸發(fā)會(huì)消耗大量的熱量，因此相對(duì)于常壓流化床空氣氣化爐而言，低壓富氧氣流床氣化爐所產(chǎn)粗煤氣用于氧化鋁焙燒爐之節(jié)能降耗效果更顯著。

3.3 三廢排放

常壓流化床空氣氣化爐出口粗煤氣中不但含有NH3和H2S，而且還有微量的HCN和COS，這使得后續(xù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢水和廢氣的處理難度大增。而低壓富氧氣流床氣化爐由于操作溫度較高，粗煤氣中除了含有一定量的H2S和較低含量的NH3以外，幾乎不含HCN和COS等有害雜質(zhì)，其冷凝廢水容易處理，更易于適應(yīng)不斷升級(jí)的環(huán)保要求。另外，常壓流化床空氣氣化爐生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的飛灰，這些飛灰雖然能夠被電廠鍋爐二次燃燒利用，但由于其反應(yīng)活性較低和顆粒粒徑較小，也會(huì)給燃煤鍋爐的運(yùn)行維護(hù)增加相當(dāng)大的難度。

3.4 能量利用率

衡量氣化技術(shù)的一個(gè)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為冷煤氣效率，即氣化爐所產(chǎn)燃料氣熱值與入爐煤熱值的比率。由于常壓流化床空氣氣化爐有大量的高含碳飛灰外排，使得其冷煤氣效率要低于低壓富氧氣流床氣化爐。另外，這2種氣化爐出口粗煤氣均通過(guò)余熱鍋爐回收其顯熱，但扣除氣化爐本身消耗的蒸汽后，低壓富氧氣流床氣化爐下游余熱鍋爐所副產(chǎn)的蒸汽量遠(yuǎn)高于常壓流化床空氣氣化爐。總之，低壓富氧氣流床氣化技術(shù)的能量利用率明顯高于常壓流化床空氣氣化技術(shù)。

3.5 燃料氣制氣成本

由于低壓富氧氣流化床氣化爐需空分單元提供氣化所需的富氧，而常壓流化床空氣氣化爐僅需羅茨風(fēng)機(jī)提供氣化用空氣，因此單從氣化裝置的燃料氣制備成本來(lái)看，低壓富氧氣流床氣化爐的制氣成本要高于常壓流化床空氣氣化爐；但若從整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)的綜合能耗（包括三廢處理、下游系統(tǒng)能量利用率以及氧化鋁企業(yè)周邊煤炭資源利用等方面）來(lái)看，這2種氣化技術(shù)運(yùn)用于氧化鋁企業(yè)燃料氣制備的成本需進(jìn)一步核算。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于3種典型陜北煤的主要煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析可以得出如下結(jié)論：常壓流化床空氣氣化技術(shù)在氧化鋁行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)較為成熟，燃料氣生產(chǎn)成本較低；雖然目前氣流床氣化技術(shù)在低壓煤制燃料氣行業(yè)還沒(méi)有工業(yè)化應(yīng)用業(yè)績(jī)，但氣流床氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)成熟可靠，且低壓富氧氣流床氣化技術(shù)在煤種適應(yīng)性、碳轉(zhuǎn)化率、燃料氣熱值、能源利用率以及環(huán)保等方面優(yōu)于常壓流化床空氣氣化技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域環(huán)保要求的不斷提高，低壓富氧氣流床氣化技術(shù)在氧化鋁行業(yè)的應(yīng)用值得大家關(guān)注。