余偉奇 ,呂 鐵,陳 偉,許建良,李寶生

(1.中鋁環(huán)保節(jié)能集團有限公司,北京 102209;2.中鋁中央研究院環(huán)保節(jié)能研究所,北京 102209;3.華東理工大學(xué) 國家能源煤氣化技術(shù)研發(fā)中心,上海 200237;4.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

我國在“富煤、少油、貧氣”的能源稟賦基礎(chǔ)上,煤炭在較長的一段時間里仍會保持主體能源的地位,且是保障我國能源安全的基石[1]。在新經(jīng)濟常態(tài)下,不僅要實現(xiàn)實體經(jīng)濟和制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,還要深入實施雙碳目標和生態(tài)文明建設(shè)等國家戰(zhàn)略,以煤炭為燃料的行業(yè)發(fā)展面臨污染排放和碳排放等環(huán)境約束的新挑戰(zhàn)[2]。目前我國煤炭利用過程存在效率低、污染嚴重、碳排放高等問題。加強煤炭分質(zhì)分級梯級利用,并耦合先進的煤炭清潔燃燒技術(shù)、新型煤制工業(yè)燃氣技術(shù),成為煤炭利用的發(fā)展方向,也將帶動冶金、有色、玻璃、陶瓷等行業(yè)的發(fā)展,具有全局性的作用[3]。

在氧化鋁行業(yè)中,焙燒工段需要采用重油、天然氣、煤制工業(yè)燃氣等作為燃料,而隨著重油價格越來越昂貴和天然氣、石油氣等能源受到區(qū)域的限制,煤制工業(yè)燃氣作為一種價廉的燃料被廣為使用。現(xiàn)有氧化鋁行業(yè)煤制氣主要采用固定床煤制氣和流化床煤制氣。固定床以塊煤為原料,一方面由于塊煤原料價格貴,導(dǎo)致工業(yè)燃氣成本高;另一方面,氣化后的氣相產(chǎn)物依次經(jīng)過干餾、干燥溫度逐步降低,使得煤氣中產(chǎn)生大量的難處理的有機污染物,如焦油等[4-5]。流化床氣化是以粒徑 0～10 mm 的褐煤或煙煤為原料,在850～970℃下發(fā)生熱解和部分氣化[6-7],一方面由于主要發(fā)生熱解反應(yīng),只適用于高揮發(fā)分的粒煤,煤種適應(yīng)性窄;另一方面由于氣化反應(yīng)溫度低與碳轉(zhuǎn)化率低的原因,需要配套鍋爐燃燒沒有氣化完全的半焦發(fā)電。

蘭炭也稱半焦,它是低階煤分級分質(zhì)利用轉(zhuǎn)化得到的固體燃料,屬于相對環(huán)保燃料的一種[8-9]。基于煤炭分級分質(zhì)利用的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,蘭炭作為原料,在電石、化肥、化工等工業(yè)行業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。蘭炭作為煤炭的二次燃料,具有燃燒效率高、煙氣中煙塵、SO2、NOx污染物超低排放等優(yōu)勢,目前不但被國家發(fā)改委確定為清潔能源,而且不占用當?shù)赜妹褐笜恕Ｒ虼?在現(xiàn)階段以蘭炭為原料,通過氣化制備燃料氣是解決氧化鋁行業(yè)用能的一條有效的途徑。本文以氧化鋁行業(yè)煤制工業(yè)燃氣為對象,以蘭炭為原料的不同的工業(yè)燃氣制備技術(shù)進行對比分析,為雙碳目標下氧化鋁行業(yè)清潔燃料氣制備技術(shù)的選擇提供參考。

1 工業(yè)燃氣制備技術(shù)

工業(yè)燃氣制備技術(shù)主要指以煤等含碳物質(zhì)為原料,以氧氣/空氣為氣化劑,制備富含CO、H2和CH4的主燃料氣。根據(jù)氣化爐床層內(nèi)反應(yīng)流動特征,可以分為固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)和氣流床氣化技術(shù)。

固定床氣化技術(shù),包括常壓固定床氣化和加壓固定床氣化兩種,主要有代表性的是UGI爐、魯奇(Lurgi)爐等[10-11]。該技術(shù)是在800～1 000℃下將煤等燃料轉(zhuǎn)化為工業(yè)燃氣,其優(yōu)點是甲烷含量高、燃氣熱值高;缺點是限用蘭炭大料,導(dǎo)致燃料成本高;還會產(chǎn)生大量難處理的有機廢水,環(huán)保壓力大,屬于國家明令限制和淘汰的技術(shù)[5,12]。

流化床氣化技術(shù),包括常壓流化床氣化和加壓流化床氣化,燃料可直接利用碎煤,主要代表性的是Winkler煤氣化工藝、循環(huán)流化床工藝、U-Gas等[11,13-15]。國內(nèi)主流的有黃臺爐和科達爐等。優(yōu)點是在小規(guī)模項目中,投資相對小。然而該技術(shù)的氣化原料可使用高灰分的煙煤,僅能摻燒部分蘭炭。另外單程碳轉(zhuǎn)化率60%左右,復(fù)合碳轉(zhuǎn)化率可提高到80%左右,該技術(shù)會受到當?shù)卣哪茉聪摹半p控”制度的影響,在雙碳目標下逐漸失去投資的優(yōu)勢。

氣流床氣化技術(shù),包括水煤漿氣化技術(shù)和粉煤氣化技術(shù),主要代表性的是GE水煤漿氣化[16]、OMB水煤漿氣化[17]、航天爐粉煤氣化[18]、SE粉煤氣化[19]。采用高溫粉體的氣流床氣化技術(shù),其中煤顆粒粒徑一般為80微米左右,目前已經(jīng)在煤化工、煉油等領(lǐng)域進行了大規(guī)模應(yīng)用[20]。氣流床氣化的主要優(yōu)點是碳轉(zhuǎn)化率高,熱值較高,可用蘭炭為原料,環(huán)境友好。不同煤制工業(yè)燃氣的工藝及性能參數(shù)對比見表1。

表1 不同煤制工業(yè)燃氣的工藝及性能參數(shù)對比

2 氧化鋁行業(yè)能源分析和需求

2021年全國氧化鋁產(chǎn)量為7 747.5萬噸,較上一年增長5.0%。根據(jù)我國氧化鋁下游產(chǎn)業(yè)布局分析,我國氧化鋁飽和產(chǎn)能在9 000萬噸左右。氧化鋁生產(chǎn)過程中焙燒工段的能源消耗大,因此是高能耗高碳排放工藝。有色協(xié)會預(yù)測以氧化鋁為主的有色金屬行業(yè)的碳達峰時間為2025年,碳中和時間為2055年。氧化鋁焙燒所用燃料的能耗情況, 幾種常見煤制工業(yè)燃氣爐能耗對比見表2。

表2 幾種常見煤制工業(yè)燃氣爐能耗對比(萬噸氧化鋁)

根據(jù)多套生產(chǎn)裝置的統(tǒng)計,噸氧化鋁焙燒天然氣耗量約為82 Nm3,天然氣熱值為35 MJ/Nm3(8 400 kcal/Nm3),則噸氧化鋁所需燃料熱量為2 870 MJ(688 800 kcal)。

(1)按固定床煤制氣,燃料氣熱值為5.23 MJ/Nm3(1 250 kcal/Nm3),則以1萬噸氧化鋁需要551萬Nm3燃料氣,每年約需消耗1 670噸蘭炭(按產(chǎn)氣率為3.3 Nm3/kg);

(2)按流化床煤制氣,燃料氣熱值為5.23 MJ/Nm3(1 250 kcal/Nm3),則以1萬噸氧化鋁需要551萬Nm3燃料氣,每年約需消耗1 878噸蘭炭和煤(按產(chǎn)氣率為2.93 Nm3/kg);

(3)按低壓氣流床煤制氣,則以1萬噸氧化鋁需要265萬Nm3燃料氣,每年約需消耗1 380噸蘭炭。與固定床相比,減少能源量約為290噸,節(jié)省約17.4%的能源用量。減少851噸CO2排放量(含碳量按80%計算)。同理,比常壓循環(huán)流化床工藝每年減少能源量約為498噸,節(jié)省約26.9%的能源用量;減少1 462噸CO2排放量(含碳量按80%計算)。

氧化鋁行業(yè)固定床煤氣爐需實現(xiàn)替代,如按2021年數(shù)據(jù)的10%計,氧化鋁產(chǎn)量為775萬噸,采用低壓氣流床每年可節(jié)省能源量約為22.5萬噸,則對應(yīng)每年減少66.1萬噸CO2排放量(含碳量按80%計算)。

3 氣流床煤制氣工藝及應(yīng)用案例

為了說明低壓氣流床煤制氣在氧化鋁行業(yè)的競爭性及經(jīng)濟性,以山東某氧化鋁產(chǎn)業(yè)園為對象進行案例設(shè)計。該企業(yè)共采用40多臺直徑為Φ3 m的固定床煤氣爐,單爐產(chǎn)氣6 500 Nm3/h。由于現(xiàn)有煤氣發(fā)生爐存在能效低、含酚有機廢水難于處理等環(huán)保問題,已勒令淘汰及工藝替換;一方面天然氣價格高企、冬季時常供應(yīng)不足影響生產(chǎn),另一方面存在政策的減煤壓力。因此,尋求經(jīng)濟效益更好,不受減煤政策限制的“新型煤制工業(yè)燃氣技術(shù)”是當前和今后長期發(fā)展的迫切需要。

本案例可采用低壓氣流床技術(shù)的11 億Nm3/年(熱值2 600 kcal/Nm3)煤氣來實現(xiàn)替代。以蘭炭末制氣為主的創(chuàng)新思路,采用“三開互備”配套的方案進行工藝流程與經(jīng)濟分析,以期實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

3.1 低壓氣流床技術(shù)方案

3.1.1 氣化工藝流程介紹

低壓氣流床高效工業(yè)燃氣制備技術(shù)主要由氣流床粉煤氣化單元(制氣系統(tǒng)主廠房)、空分制氧制氮單元、原料儲運系統(tǒng)和燃氣脫硫系統(tǒng)等組成。其工藝流程如圖1所示。

圖1 低壓氣流床氣化工藝流程示意圖

氣流床粉煤氣化單元采用低壓氣流床粉煤氣化技術(shù):原料煤在粉煤制備系統(tǒng)中經(jīng)過干燥和研磨,制成合格煤粉后送入粉煤給料系統(tǒng),在粉煤給料系統(tǒng)中通過氣力輸送向氣化爐供料。來自空分制氧制氮單元的氮氣作為粉煤制備系統(tǒng)干燥氣和粉煤給料系統(tǒng)的輸送氣。來自空分制氧制氮單元的富氧空氣作為氣化介質(zhì),和粉煤給料系統(tǒng)來的煤粉一同通過工藝燒嘴進入粉煤氣化系統(tǒng)氣化生成粗煤氣。粗煤氣先進入冷卻凈化系統(tǒng),經(jīng)過余熱鍋爐降溫并同時副產(chǎn)低壓過熱蒸汽,然后進入布袋除塵器進行收塵處理,處理后的煤氣經(jīng)過煤氣冷卻塔進一步降溫凈化后送入余壓發(fā)電系統(tǒng)進行余壓發(fā)電,從余壓發(fā)電系統(tǒng)出來的煤氣進入脫硫系統(tǒng),經(jīng)脫硫系統(tǒng)處理合格的工業(yè)燃料煤氣通過管網(wǎng)輸送到用戶使用?？辗种蒲踔频獑卧捎每諝饫鋬龇蛛x法技術(shù):空氣冷凍分離法制氧的原理就是將空氣液化,利用氧和氮的沸點不同進行分離?？諝饨?jīng)過加壓、降溫及膨脹,使空氣變?yōu)橐后w,液態(tài)的空氣再通過精餾的方法,把氮氣和氧氣分開。這種工藝是目前比較成熟且普遍采用的制純氧技術(shù),但對操作人員的素質(zhì)要求比較高,一般適用于大于10 000 Nm3/h的大型制氧需求。

原料儲運系統(tǒng)按滿足煤制氣工程3×39 000 Nm3/h低壓氣流床富氧氣化所需煤量進行設(shè)計。貯煤場總面積為5 000 m2,可貯存煤制氣工程約7天的用煤量。

燃氣脫硫系統(tǒng)采用PDS濕法直接氧化法脫硫工藝:直接氧化法采用堿性溶液為吸收劑,并加入載氧體起催化作用,將硫化氫吸收,并最終氧化成元素硫。直接氧化法濕法脫硫系統(tǒng)由吸收系統(tǒng)和再生系統(tǒng)兩部分組成,吸收的目的在于用吸收劑將煤氣中所含的硫化氫盡可能脫除,使脫硫后的煤氣符合用戶的要求;再生的目的在于使吸收了硫化氫的吸收液再生復(fù)原,并回收其中的硫。

3.1.2 原料分析

從表3來分析蘭炭末原料主要指標的工業(yè)分析結(jié)果,蘭炭生產(chǎn)以低溫干餾為主,干餾溫度一般在600℃左右;而一般焦炭產(chǎn)生以高溫干餾為主,干餾溫度通常需要達到1 000℃左右。因此,蘭炭相比焦炭,具有比電阻高、化學(xué)活性高、含灰份低、硫低等優(yōu)點。圖2為1 300℃下不同煤種CO2氣化反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率與時間的關(guān)系,蘭炭末與神華煤、內(nèi)蒙煤的化學(xué)反應(yīng)活性分析,可以看出蘭炭活性與煙煤活性基本相當[21]。

圖2 1300℃下不同煤種CO2氣化反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率與時間的關(guān)系

表3 蘭炭末原料主要指標的工業(yè)分析結(jié)果

3.1.3 氣化裝置配置及性能指標

項目采用3臺Φ3 400 mm蘭炭低壓氣流床氣化爐,運作中兼顧投資和穩(wěn)定性,因此采用三開互備,具備良好的穩(wěn)定性與年運行在線率。項目總?cè)細猱a(chǎn)熱量:3.32×108kcal/h(100%負荷),主要參數(shù)及性能指標見表4。

表4 單臺爐氣化裝置的主要參數(shù)及性能指標

結(jié)合氧化鋁行業(yè)蘭炭制氣工藝要求,低壓氣流床煤氣化技術(shù)具有如下優(yōu)勢:

(1)碳轉(zhuǎn)化率高(可達98%以上),燃氣熱值高;

(2)環(huán)保性能優(yōu)良,無有機廢水,粗渣為玻璃體形態(tài),無污染;

(3)副產(chǎn)高品質(zhì)蒸汽。

3.2 經(jīng)濟分析

項目成本費用估算采用生產(chǎn)成本加期間費用法估算。生產(chǎn)成本包括直接材料費、直接燃料和動力費、直接工資及福利費、制造費用。期間費用包括管理費用、財務(wù)費用和營業(yè)費用。

3.2.1 單位成本分析

成本分析見表5。

表5 低壓氣流床單位制氣成本

3.2.2 靜態(tài)投資回收期

由于本項目屬于環(huán)保節(jié)能技改項目,可以參照節(jié)能項目的財務(wù)分析方法采用靜態(tài)投資回收期的計算進行經(jīng)濟性評價。通過對新舊系統(tǒng)的比較發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)總的運行費用差異主要在原料消耗上,其他費用差異并不突出,因此可以用原料差異簡單明了地比對估算出本項目的投資回收期。

結(jié)合上文表2和表5,通過總熱量折算產(chǎn)能為110 000萬/ 265 = 415萬噸,依據(jù)低壓氣流床技術(shù)比常壓固定床技術(shù)每萬噸氧化鋁減少蘭炭消耗量約為290噸/年,蘭炭末的平均單價按1 200元/噸,新系統(tǒng)原料每年節(jié)省的成本約為415×290×1 200 = 14 442萬元,本項目總投資為5.76億元,本項目靜態(tài)投資回收期為:57 600 / (415×290×1 200) =3.99年。

3.2.3 其他收益

總規(guī)模415萬噸,按低壓氣流床技術(shù)比常壓固定床技術(shù)每萬噸氧化鋁減少蘭炭消耗量約為290噸/年,若含碳量按80%計算,則每年可減少35.3萬噸CO2排放量。因此,該技術(shù)在氧化鋁行業(yè)應(yīng)用是一種低能耗,環(huán)境友好的工業(yè)燃氣技術(shù)。

4 結(jié) 語

在新形勢下,節(jié)能減排是“碳達峰”手段,能源替代是“碳中和”途徑,技術(shù)升級是雙碳目標實現(xiàn)的關(guān)鍵[22]。本文采用低壓氣流床高效工業(yè)燃氣制備技術(shù)以清潔原料蘭炭末制氣為主的創(chuàng)新思路,將可實現(xiàn)氧化鋁行業(yè)的節(jié)能減排的目標,促進行業(yè)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。所涉及的低壓氣流床高效氣化技術(shù),具有投資收益綜合性較優(yōu),環(huán)境效益和經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢。不僅解決了固定床煤氣爐能效低、難處理的有機廢水等環(huán)保問題,而且為生產(chǎn)企業(yè)降低當?shù)卣叩臏p煤壓力,減弱面臨搬遷或者減產(chǎn)的風(fēng)險。

本技術(shù)于2020年7月已被中鋁集團公司列為綠色技術(shù),是中鋁環(huán)保節(jié)能集團有限公司的一項“殺手锏”技術(shù),將助推氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的綠色低碳發(fā)展,符合環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域服務(wù)于主業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展的需求。新型煤制工業(yè)燃氣技術(shù)將是一種發(fā)展方向,帶動有色、冶金、玻璃、陶瓷等行業(yè)的發(fā)展,具有全局性的作用。