氧化鋁行業煤制氣升級改造之氣化技術比較

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

目前大多數氧化鋁企業均采用多臺常壓固定床氣化爐（以下簡稱兩段爐）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，污水處理和煤氣凈化工藝復雜、流程長、設備多，增加了投資和運行成本。國家發改委2007年在《關于加強煤化工項目建設管理促進產業健康發展的通知》中明確指出，煤化工企業禁止核準或備案采用常壓固定床氣化技術，使得常壓固定床氣化裝置亟需進行更新換代。

另外，部分氧化鋁企業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月之價格為例）；與采用常壓流化床空氣氣化技術的代表性技術——粉煤氣化爐之每噸氧化鋁焙燒燃料氣成本130.32元（以入爐煤折標煤價格830元／t計）相比，高約59.05元。顯然，采用新型氣化爐生產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成本。

采用新型煤氣化技術生產燃料氣，不僅可使氧化鋁生產企業現有的燃料氣供應裝置得到升級，而且可使生產裝置大型化、資源綜合利用清潔化和產品優質化，并降低燃料氣的生產成本，增強氧化鋁生產企業主營產品的市場競爭力。同時，采用先進的煤氣化技術，符合國發〔2016〕67號《國務院關于印發“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃的通知》提出的煤炭清潔高效利用技術裝備提升的要求，其代表性技術——粉煤氣化技術不在2013年5月1日頒布的《國家發展改革委關于修改＜產業結構調整指導目錄（2011年本）＞有關條款決定》中的落后生產工藝裝置目錄中。

以下就煤制燃料氣行業應用較為廣泛的常壓流化床空氣氣化技術以及值得氧化鋁行業關注的低壓富氧氣流床氣化技術，基于3種典型的陜北煤的煤質分析數據，對其各自的特點進行比較分析，以期為氧化鋁生產企業選擇合適的煤制燃料氣氣化技術有所幫助。

1 2種氣化技術簡介

1.1 常壓流化床空氣氣化技術

常壓流化床空氣氣化技術工藝流程框圖如圖1。來自原料煤破碎及輸送系統的粉煤（粒徑≤10mm）輸送至原料煤貯斗中，由小煤斗下的螺旋給煤機送入氣化爐爐膛，與來自高溫預熱器的氣化劑（高溫空氣、蒸汽）發生反應，產生的爐渣通過皮帶輸送至煤氣站內渣倉，產生的粗煤氣夾帶飛灰進入高溫旋風分離器，大顆粒飛灰被分離后返回爐膛繼續燃燒，小顆粒飛灰則與煤氣在高溫預熱器內與來自風機的空氣、汽包的蒸汽進行熱交換（產生高溫氣化劑）；出高溫預熱器的煤氣進入余熱回收器、省煤器與脫鹽水進行熱交換（產生飽和蒸汽）；降溫后的煤氣進入布袋除塵器，小顆粒飛灰被過濾下來后送入氣力輸送系統，潔凈煤氣則進入煤氣冷卻器進一步降溫，之后經脫硫系統脫除H2S并加壓送至用戶。

圖1 常壓流化床空氣氣化技術工藝流程框圖

1.2 低壓富氧氣流床氣化技術

低壓富氧氣流床氣化技術工藝流程框圖如圖2。其氣化爐下部設置有4個水平布置的工藝燒嘴，原料煤在粉煤制備單元經過干燥和研磨制成合格煤粉（粒徑＜0.1mm），送入粉煤給料單元，通過輸送單元及計量后向氣化爐供料；來自空分單元的富氧作為氣化劑與蒸汽及粉煤給料單元來的煤粉一道通過工藝燒嘴進入粉煤氣化爐反應，生成粗煤氣，產生的熔渣從氣化爐底部排出；從氣化爐頂部離開氣化室的粗煤氣，經循環氣（激冷氣）初步激冷降溫后進入廢熱鍋爐（回收大部分顯熱副產蒸汽），之后進入布袋除塵器脫除攜帶的細灰；除塵后部分潔凈燃氣經增壓后返回氣化室出口作為激冷氣，大部分則進入煤氣冷卻器進一步冷卻后送入脫硫單元?？辗謫卧a氮氣作為輸送氣和干燥氣，供給料和制粉單元使用。

圖2 低壓富氧氣流床氣化技術工藝流程框圖

2 煤質分析

3種典型陜北煤的煤質分析數據見表1?？梢钥闯?，3種陜北煤的含灰量均小于20%，內水含量較低，灰渣流動溫度（FT）均不大于1300℃，但其在950℃下的CO2反應活性均不高。

表1 3種典型陜北煤的主要煤質分析數據

3 2種氣化技術的對比

常壓流化床空氣氣化技術在煤制燃料氣行業的應用較為廣泛。其特點是：氣化溫度在900～1000℃之間，氣化爐內溫度分布均勻；所產粗煤氣質量優于傳統固定床氣化爐，不含焦油和酚，無需配套建設焦油、酚等回收裝置；煤種適應性相對較好，適用于弱粘煤（CRC＜4）。但也存在單爐產能較小、對煤質（灰分、活性和灰熔點）要求較高、飛灰含碳量高（需另外處理）以及需配套建設復雜的氨回收裝置等不足。

氣流床氣化技術在國內煤化工領域的應用非常廣泛。低壓富氧氣流床氣化技術采用的廢熱鍋爐結構形式、系統控制和操作規程都非常成熟。其特點是：煤種適應性廣，褐煤、煙煤、無煙煤和石油焦等均可；對煤灰熔點的適應范圍較其他氣化工藝更寬，且對煤的活性、結焦性、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，一般在1300℃以上，使得原料煤的碳轉化率高，氣化爐出口粗煤氣中有效成分（CO＋H2）含量高；整個系統的能量利用率較高，并可副產蒸汽；氣化爐采用水冷壁結構形式，無耐火襯里，易于維護，易于保證系統長周期、穩定運行。此外，相較于流化床氣化技術，低壓富氧氣流床氣化技術另一個突出特點是環境友好，氣化爐所產生的爐渣和飛灰是非活性的，粗煤氣相對潔凈，系統產生的污水容易處理，易于實現零排放。

基于表1中3種典型陜北煤的煤質分析數據，常壓流化床空氣氣化技術與低壓富氧氣流床氣化技術用于氧化鋁企業現有燃料氣供給裝置（兩段爐）的升級改造，其對比分析如下。

3.1 煤質情況

從表1的煤質分析數據來看，3種典型陜北煤的最低軟化溫度（DT）為1140℃、流動溫度（FT）最高為1300℃，空氣干燥基灰分含量在15.71%～18.36%，2種氣化技術均適用。但同時也可以看到，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許可的上限，若將其用于常壓流化床氣化爐，會給氣化爐的操作運行帶來一定風險；另外，這3種煤在950℃條件下的CO2反應活性均不高，煤種Ⅱ的反應活性甚至低于30%，若采用常壓流化床空氣氣化爐氣化這3種煤，其碳轉化率會較低。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℃，即高于煤灰的流動溫度，原料煤在氣化爐內的碳轉化率會較高，且煤種的CRC對低壓富氧氣流床氣化爐的操作運行沒有任何影響。

3.2 燃料氣質量及熱值

常壓空氣流化床氣化爐所產干煤氣中有效氣（CO＋H2）含量在40%～46%之間，其余大部分為N2和CO2，并有少量CH4，所產燃料氣的熱值約為1350kcal／m3；低壓富氧氣流床氣化爐所產干煤氣中有效氣（CO＋H2）含量一般高于70%，對應的燃料氣熱值高于2100kcal／m3。由于上述2種氣化爐所產粗煤氣除塵后均采用相同的PDS脫硫工藝，按氧化鋁焙燒爐對燃料氣進氣溫度約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程中因蒸發會消耗大量的熱量，因此相對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粗煤氣用于氧化鋁焙燒爐之節能降耗效果更顯著。

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，這使得后續系統所產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，其冷凝廢水容易處理，更易于適應不斷升級的環保要求。另外，常壓流化床空氣氣化爐生產過程中會產生大量的飛灰，這些飛灰雖然能夠被電廠鍋爐二次燃燒利用，但由于其反應活性較低和顆粒粒徑較小，也會給燃煤鍋爐的運行維護增加相當大的難度。

3.4 能量利用率

衡量氣化技術的一個重要技術經濟指標為冷煤氣效率，即氣化爐所產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的蒸汽量遠高于常壓流化床空氣氣化爐?？傊?，低壓富氧氣流床氣化技術的能量利用率明顯高于常壓流化床空氣氣化技術。

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機提供氣化用空氣，因此單從氣化裝置的燃料氣制備成本來看，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；但若從整個氧化鋁生產的綜合能耗（包括三廢處理、下游系統能量利用率以及氧化鋁企業周邊煤炭資源利用等方面）來看，這2種氣化技術運用于氧化鋁企業燃料氣制備的成本需進一步核算。

4 結束語

基于3種典型陜北煤的主要煤質分析數據，通過對比分析可以得出如下結論：常壓流化床空氣氣化技術在氧化鋁行業應用較為廣泛，技術較為成熟，燃料氣生產成本較低；雖然目前氣流床氣化技術在低壓煤制燃料氣行業還沒有工業化應用業績，但氣流床氣化技術在國內煤化工領域的應用非常廣泛，系統運行穩定、技術成熟可靠，且低壓富氧氣流床氣化技術在煤種適應性、碳轉化率、燃料氣熱值、能源利用率以及環保等方面優于常壓流化床空氣氣化技術。隨著國內工業領域環保要求的不斷提高，低壓富氧氣流床氣化技術在氧化鋁行業的應用值得大家關注。