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(zhì)，污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、流程長、設(shè)備多，增加了投資和運行成本。國家發(fā)改委2007年在《關(guān)于加強(qiáng)煤化工項目建設(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)煤價格830元／t計）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，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)主營產(chǎn)品的市場競爭力。同時，采用先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，符合國發(fā)〔2016〕67號《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家戰(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)，對其各自的特點進(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)生的爐渣通過皮帶輸送至煤氣站內(nèi)渣倉，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，小顆粒飛灰被過濾下來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個水平布置的工藝燒嘴，原料煤在粉煤制備單元經(jīng)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(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(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)見表1?？梢钥闯?，3種陜北煤的含灰量均小于20%，內(nèi)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(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)量優(yōu)于傳統(tǒng)固定床氣化爐，不含焦油和酚，無需配套建設(shè)焦油、酚等回收裝置；煤種適應(yīng)性相對較好，適用于弱粘煤（CRC＜4）。但也存在單爐產(chǎn)能較小、對煤質(zhì)（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(shè)復(fù)雜的氨回收裝置等不足。

氣流床氣化技術(shù)在國內(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。其特點是：煤種適應(yīng)性廣，褐煤、煙煤、無煙煤和石油焦等均可；對煤灰熔點的適應(yīng)范圍較其他氣化工藝更寬，且對煤的活性、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，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，無耐火襯里，易于維護(hù)，易于保證系統(tǒng)長周期、穩(wěn)定運行。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)另一個突出特點是環(huán)境友好，氣化爐所產(chǎn)生的爐渣和飛灰是非活性的，粗煤氣相對潔凈，系統(tǒng)產(chǎn)生的污水容易處理，易于實現(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）的升級改造，其對比分析如下。

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(shù)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(shù)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(fēng)險；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(nèi)的碳轉(zhuǎn)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(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程中因蒸發(fā)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(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)不斷升級的環(huán)保要求。另外，常壓流化床空氣氣化爐生產(chǎn)過程中會產(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，也會給燃煤鍋爐的運行維護(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?？傊?，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(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）來看，這2種氣化技術(shù)運用于氧化鋁企業(yè)燃料氣制備的成本需進(jìn)一步核算。

4 結(jié)束語

基于3種典型陜北煤的主要煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，通過對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)還沒有工業(yè)化應(yīng)用業(yè)績，但氣流床氣化技術(shù)在國內(nèi)煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，系統(tǒng)運行穩(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。