黃炳釬(廣西華銀鋁業(yè)有限公司熱電動(dòng)力廠，廣西 白色 533700)

0 引言

廣西華銀鋁業(yè)有限公司熱電動(dòng)力廠煤氣站現(xiàn)有30臺Д型(φ3.0BG—Q型)煤氣發(fā)生爐，生產(chǎn)的混合發(fā)生爐煤氣(165 km3/h)作為熱源供應(yīng)氫氧化鋁焙燒爐使用。

1 現(xiàn)狀及問題

我站為冷煤氣工藝設(shè)計(jì)，煤氣發(fā)生爐出口的高溫煤氣經(jīng)雙豎管、洗滌塔兩級循環(huán)冷卻水洗滌除塵、降溫，煤氣溫度由550 ℃降到45 ℃以下，再經(jīng)電捕焦油器進(jìn)一步除塵除焦凈化，由煤氣排送機(jī)加壓送往煤氣脫硫工序脫除H2S氣體后，輸送到焙燒爐使用。該工藝存在的以下幾點(diǎn)不足：

(1)高溫煤氣顯熱沒有得到回收利用，造成能源浪費(fèi)。正常生產(chǎn)中，煤氣發(fā)生爐出口的煤氣溫度在350～550 ℃范圍，高溫煤氣需要經(jīng)過循環(huán)水洗滌除塵，溫度降到約45 ℃，大量的煤氣顯熱被循環(huán)冷卻水帶走，熱能沒有得到充分利用，存在能源浪費(fèi)環(huán)節(jié)。同時(shí)，經(jīng)過洗滌后的循環(huán)水(3 400 m3/h)需經(jīng)鼓風(fēng)式冷卻塔冷卻降溫后再循環(huán)使用，額外增加電耗。

(2)發(fā)生爐氣化效率偏低。由于我站使用傳統(tǒng)的煤氣化工藝技術(shù)，發(fā)生爐爐型及生產(chǎn)工藝基本決定了氣化效率水平。因此，一定的生產(chǎn)條件下，煤氣熱值進(jìn)一步提升的空間有限，影響煤氣的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。表1為我廠2018—2020年主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表。

表1中，發(fā)生爐煤氣的熱值約為5.4～5.5 MJ/Nm3，氣化效率約83%。分析認(rèn)為，在以無煙煤為氣化原料的煤氣生產(chǎn)工藝，煤氣爐在正常生產(chǎn)負(fù)荷下(入爐空氣量3 500～4 000 m3/h)，入爐空氣溫度在62～65 ℃范圍，產(chǎn)出的煤氣熱值基本保持在5.5 MJ/Nm3左右，發(fā)生爐氣化效率難以更高突破。因此，如何有效地促進(jìn)氣化反應(yīng)，進(jìn)一步提高煤氣熱值成為我站面臨的生產(chǎn)瓶頸問題。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2 實(shí)踐與探討

為進(jìn)一步提高煤氣站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，我們提出利用煤氣余熱合理促進(jìn)氣化效率的技術(shù)路線，并進(jìn)行了深入的技術(shù)探討與生產(chǎn)實(shí)踐。在一定原料條件及生產(chǎn)負(fù)荷下，發(fā)生爐的氣化溫度對氣化效率起著決定性影響，是煤氣熱值的一項(xiàng)關(guān)鍵過程控制指標(biāo)。因?yàn)樵跍囟认鄬^低條件下，煤炭的燃燒化學(xué)反應(yīng)速度較慢，其反應(yīng)速率受化學(xué)反應(yīng)控制；而在高溫條件下，化學(xué)反應(yīng)速度較快，氣體的擴(kuò)散速度相對較慢，煤炭的化學(xué)反應(yīng)速率受氣體的擴(kuò)散速度控制[1]。因此，提高入爐氣化劑預(yù)熱溫度，能夠提高并穩(wěn)定氣化層溫度，促進(jìn)氣化反應(yīng)更趨完全。為此，多年來我們進(jìn)行了多項(xiàng)對比實(shí)驗(yàn)。

(1)以外來蒸汽為熱源，提高入爐氣化劑(空氣+ 蒸汽)溫度。該實(shí)驗(yàn)主要是通過利用鍋爐外來的0.6 MPa低壓蒸汽加熱入爐空氣，將氣化劑溫度加熱到95 ℃以上，再入爐進(jìn)行氣化反應(yīng)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)出的煤氣熱值平均達(dá)到5.79 MJ/Nm3，增幅約5%～6%，熱值波動(dòng)小且效果穩(wěn)定。圖1為煤氣熱值統(tǒng)計(jì)圖。

圖1 煤氣熱值曲線圖

根據(jù)該生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，利用外來蒸汽加熱入爐空氣，將飽和空氣提高到一定溫度后再入爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，可以明顯提高煤氣熱值，但由于是以外來蒸汽作為熱源，投入產(chǎn)出比低，技術(shù)可行但不經(jīng)濟(jì)，不值得推廣運(yùn)用。

(2)利用高溫煤氣余熱為熱源，提高入爐氣化劑溫度。根據(jù)前述的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)效果，據(jù)此提出利用高溫煤氣顯熱來加熱入爐空氣，提高入爐氣化劑溫度的實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用煤氣余熱的同時(shí)，達(dá)到促進(jìn)氣化效率、提高煤氣熱值的目的。

但因受原有煤氣生產(chǎn)工藝流程及場地空間限制，行業(yè)內(nèi)通常使用的余熱回收設(shè)備(如廢熱鍋爐等)無法滿足現(xiàn)場安裝條件，為此我們在原生產(chǎn)流程上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)做了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在滿足換熱工藝要求的同時(shí)，有效避免了傳統(tǒng)換熱設(shè)備存在的容易堵塞、換熱效率難以持續(xù)保障等缺點(diǎn)，并極大地降低運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。圖2所示為利用煤氣余熱加熱入爐空氣的流程示意圖。

圖2 余熱回收流程示意圖

該流程中，軟化水在煤氣-水換熱裝置與高溫煤氣換熱后，產(chǎn)生一定壓力、溫度的汽水混合物進(jìn)入空氣-水換熱器，將空氣溫度預(yù)熱到95～110 ℃后入爐進(jìn)行氣化反應(yīng)產(chǎn)生煤氣；而換熱降溫后的軟水回到煤氣-水換熱裝置與高溫煤氣再換熱升溫，實(shí)現(xiàn)煤氣余熱的循環(huán)綜合利用，這是我們采用的工藝與傳統(tǒng)的換熱方法的最大不同點(diǎn)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)出的煤氣熱值平均達(dá)5.71 MJ/Nm3，氣化效率約87.5%，發(fā)生爐的氣化效果明顯提升。

3 效果及分析

根據(jù)前述的兩種生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)對比，我們認(rèn)為利用煤氣余熱加熱入爐氣化劑溫度的技術(shù)方案相對經(jīng)濟(jì)可靠、布局合理，同時(shí)極大降低了煤氣生產(chǎn)因此可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。該方法取得以下效果。

3.1 技術(shù)指標(biāo)方面

(1)煤氣熱值得到合理提高。由于入爐飽和空氣溫升達(dá)75～80 ℃，為促進(jìn)發(fā)生爐氣化反應(yīng)[2]，提高氣化效率創(chuàng)造關(guān)鍵條件，煤氣熱值平均值為5.71 MJ/Nm3，比其他爐高約5%，因此提高氣化效率87.5%，增幅4.7%，實(shí)驗(yàn)取得明顯效果。圖3為煤氣熱值統(tǒng)計(jì)圖。

圖3 煤氣熱值統(tǒng)計(jì)圖

(2)進(jìn)一步降低灰渣含碳量。利用煤氣顯熱預(yù)熱入爐飽和空氣，促進(jìn)發(fā)生爐氣化反應(yīng)更趨完全，發(fā)生爐灰渣含碳量平均18.1%，比其他爐的20.5%低約2%，這說明氣化效率提高后所帶來的促進(jìn)作用。圖4為灰渣含碳量對比圖。

圖4 灰渣含碳量指標(biāo)對比

(3)優(yōu)化煤氣無煙煤單耗指標(biāo)。據(jù)測算，煤氣熱值提高5%，相當(dāng)每臺爐增加煤氣量約300 m3/h,則在煤氣生產(chǎn)總負(fù)荷相同的條件下，全站可以少開1.5臺爐，按每臺爐每天耗煤32 t計(jì)算，則每天可以少用48 t煤，可降低煤氣無煙煤耗：48 000/3 900=12.3 kg/km3，降本效果明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

如上所述，如全站每天少用48 t煤，則年節(jié)約無煙煤48 t/d×330 d/a=15 840 t，節(jié)約原料采購成本1 900萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 社會(huì)效益

按年節(jié)約無煙煤15 840 t，折合減少二氧化碳?xì)怏w排放約3萬噸，社會(huì)效益明顯。

4 結(jié)語

煤氣余熱的創(chuàng)新利用，一定程度上能有效地促進(jìn)發(fā)生爐氣化反應(yīng)更趨完全，各項(xiàng)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到合理優(yōu)化和提高，這主要?dú)w根于我們對余熱回收技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對換熱設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新帶來的良好結(jié)果。生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)表明，該余熱回收系統(tǒng)具有工藝合理，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不易堵塞，換熱效果穩(wěn)定的特點(diǎn)。

煤氣余熱的充分利用、循環(huán)利用，利企利國，為我們企業(yè)探索踐行綠色低碳新發(fā)展模式提供研究方向。我們相信，在今后的推廣運(yùn)用中，經(jīng)不斷地探索創(chuàng)新和優(yōu)化管理，煤氣各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)仍將有一定的提升和優(yōu)化空間。