張斌

摘 要：通過初步分析探討神華準(zhǔn)格爾礦區(qū)煤炭伴生資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目一期100萬噸/年氧化鋁項(xiàng)目焙燒燃料氣方案，詳細(xì)論證了天然氣、常壓固定床煤氣發(fā)生爐煤氣、常壓循環(huán)流化床煤氣發(fā)生爐煤氣的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定焙燒燃料氣方案采用常壓循環(huán)流化床煤氣發(fā)生爐煤氣。

關(guān)鍵詞：氧化鋁焙燒;煤氣;比選

我國(guó)是一個(gè)鋁土礦資源短缺的國(guó)家，礦石主要以中低品位的一水硬鋁石為主，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工藝能耗及生產(chǎn)成本較高。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋁土礦資源日益貧化，缺口量越來越大。自1995年開始，我國(guó)氧化鋁行業(yè)從國(guó)外進(jìn)口鋁土礦用于氧化鋁生產(chǎn)，且進(jìn)口量逐年增加。由于我國(guó)鋁土礦進(jìn)口量大，造成世界鋁土礦價(jià)格大幅度上漲，且礦石品位的波動(dòng)較大，礦石資源不足的問題嚴(yán)重制約了我國(guó)氧化鋁工業(yè)的發(fā)展。對(duì)氧化鋁行業(yè)來說，開展高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁工藝研究，尋找可替代的非鋁土礦資源生產(chǎn)氧化鋁，緩解國(guó)內(nèi)鋁土礦資源不足，促進(jìn)我國(guó)鋁工業(yè)健康發(fā)展具有十分重要的意義。

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)能源大省之一，煤炭及電力工業(yè)發(fā)展快、規(guī)模較大，目前已取代山西成為我國(guó)最大的產(chǎn)煤省區(qū)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯準(zhǔn)格爾地區(qū)煤炭資源豐富，煤炭中伴生有豐富的鋁、鎵等有色金屬。開采出的煤炭經(jīng)發(fā)電廠鍋爐燃燒后，得到的粉煤灰中富集了大量氧化鋁，氧化鋁含量通常在40%以上，從化學(xué)組成分析，此粉煤灰是提取氧化鋁的潛在資源。該地區(qū)電力工業(yè)發(fā)達(dá)，電廠每年產(chǎn)生的高鋁粉煤灰未得到綜合利用，粉煤灰靠征用土地建設(shè)灰渣堆場(chǎng)堆存，這既占用土地，又污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，急需對(duì)粉煤灰進(jìn)行綜合利用，將其變廢為寶，利用粉煤灰資源建設(shè)氧化鋁廠，是解決粉煤灰污染環(huán)境的最有效途徑。

神華集團(tuán)經(jīng)多年研究及中試，成功開發(fā)出“一步酸溶法”高鋁粉煤灰提取氧化鋁關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)化裝置，擬在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗建設(shè)100萬噸/年冶金級(jí)氧化鋁項(xiàng)目，分兩條線建設(shè)，第一條線建設(shè)50萬噸/年氧化鋁，第二條線建設(shè)50萬噸/年氧化鋁。氧化鋁焙燒工段是氧化鋁項(xiàng)目的重要組成部分，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)起著重大影響，燃料氣方案是為焙燒工段提供燃料。50萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)線工藝焙燒爐平均所需熱量為10.94×108kJ/h，最大所需熱量為12.05×108kJ/h，燃料氣壓力0.025MPa（G）。

目前國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用的工業(yè)燃?xì)夥N類較多，燃?xì)夥N類不同、區(qū)域不同其價(jià)格差異很大，部分企業(yè)產(chǎn)品中燃料氣成本占總成本比例已近50%，自行建設(shè)工業(yè)燃?xì)猓簹猓┲圃祉?xiàng)目的投資比例也相當(dāng)高，由此可見，選擇適合的工業(yè)燃?xì)庾鳛槠髽I(yè)生產(chǎn)燃料，關(guān)系企業(yè)的健康發(fā)展，尤其工業(yè)燃?xì)庑枨笠?guī)模較大的項(xiàng)目顯得更有重要意義。

1 概述

目前作為工業(yè)燃?xì)獾姆N類很多，如乙炔、丙烷、液化石油氣、天然氣、工業(yè)煤氣等，其中乙炔、丙烷氣通常作為特殊要求的工業(yè)切割氣使用，相對(duì)其他工業(yè)燃?xì)鉄嶂岛腿紵郎囟雀撸杀緝r(jià)格極高、生產(chǎn)供應(yīng)規(guī)模量小、安全性差，對(duì)于燃?xì)鉄嶂禑o特殊要求的工藝生產(chǎn)通常不考慮選用。以石油為原料生產(chǎn)的工業(yè)燃?xì)猓ㄈ缫夯蜌狻⑻烊粴猓?，?guó)內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，工業(yè)應(yīng)用大規(guī)模、小規(guī)模均可適應(yīng)，但這種工業(yè)燃?xì)鈨r(jià)格受市場(chǎng)的影響很大。而對(duì)于煤氣化技術(shù)，目前世界正在應(yīng)用和開發(fā)的煤氣化技術(shù)有數(shù)十種之多，氣化爐型也是多種多樣的。

目前煤化工和IGCC電站配套的煤氣化技術(shù)發(fā)展迅速，單爐生產(chǎn)規(guī)模較大，系統(tǒng)投資和造氣成本較高，產(chǎn)品煤氣熱值有所提高，但其多采用純氧氣化，生產(chǎn)出的煤氣多作為化工原料氣使用，不完全符合工業(yè)燃料煤氣的生產(chǎn)要求。投資和運(yùn)行費(fèi)用高于目前作為燃料氣供應(yīng)源的常壓煤氣化技術(shù)。

作為工業(yè)燃料煤氣供氣單元，目前常壓固定床煤氣發(fā)生爐應(yīng)用最為廣泛，該爐型全國(guó)應(yīng)用量達(dá)數(shù)千臺(tái)套，按其結(jié)構(gòu)形式一般分為一段爐、兩段爐和干餾爐，它們分別適用于不同的氣化煤種，發(fā)生爐最常用的氣化煤種為弱黏結(jié)性煙煤和無煙煤，其煤氣熱值一般為5225～6690 kJ/Nm3。

此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工業(yè)燃料煤氣爐氣化技術(shù)調(diào)研情況，目前循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)已得到一定程度的推廣應(yīng)用，其具有以下特點(diǎn)：以相對(duì)廉價(jià)的粉煤（0～10mm）為原料，可利用的煤種包括褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘性煙煤、弱粘性煙煤等;氣化爐易于放大，單爐煤氣產(chǎn)量可達(dá)25000～60000Nm3/h，一臺(tái)可替代多臺(tái)固定床氣化爐，占地面積減少;氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度分布均勻，可達(dá)到1000℃左右，煤氣中不含焦油、酚類等;氣化爐采用干式除灰，清潔環(huán)保，耗水量小，無廢水產(chǎn)生。

2 燃料氣方案比較

2.1 天然氣方案

2.1.1 方案可行性

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗大路工業(yè)園區(qū)，目前大路工業(yè)園區(qū)已敷設(shè)有天然氣管道，天然氣供氣充足。

2.1.2 系統(tǒng)流程

外網(wǎng)來天然氣進(jìn)入廠區(qū)天然氣調(diào)壓站，經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓，將出口壓力調(diào)節(jié)到0.03～0.06MPa，然后輸送至工藝焙燒用戶。

2.1.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)

該方案優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，無污染，占地面積小。缺點(diǎn)是以50萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)線為例，每年僅天然氣成本（按照2015年4月國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的內(nèi)蒙古自治區(qū)天然氣最高門站價(jià)格2.04元/Nm3計(jì)）高達(dá)4億元，并且氣源供應(yīng)受外部環(huán)境影響較大。

2.2 常壓固定床兩段式煤氣發(fā)生爐燃料氣方案

2.2.1 技術(shù)概況

目前我國(guó)氧化鋁行業(yè)中大部分煤氣站選用常壓固定床發(fā)生爐煤氣技術(shù)，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有常壓固定床煤氣技術(shù)的工程應(yīng)用情況，煤氣站可按兩段式煤氣發(fā)生爐設(shè)計(jì)。兩段式煤氣發(fā)生爐分為混合煤氣兩段式煤氣發(fā)生爐和水煤氣兩段式煤氣發(fā)生爐。當(dāng)前混合煤氣兩段式發(fā)生爐應(yīng)用比較普遍，混合煤氣兩段式煤氣發(fā)生爐是以煤為原料，鼓入空氣和蒸汽在爐內(nèi)進(jìn)行干餾（低溫干餾）和氣化，最后產(chǎn)出煤氣;水煤氣兩段式煤氣發(fā)生爐則以空氣和蒸汽分別鼓入，建成一個(gè)循環(huán)制氣系統(tǒng)。

2.2.2 車間組成

兩段式發(fā)生爐煤氣站由煤堆場(chǎng)及上煤系統(tǒng)、主廠房、鼓風(fēng)機(jī)室、排送機(jī)室、軟水站、脫硫系統(tǒng)、焦油、酚水回收系統(tǒng)、主控樓以及界區(qū)內(nèi)相應(yīng)配套的公用工程和輔助設(shè)施構(gòu)成。

2.2.3 系統(tǒng)流程

原料煤進(jìn)煤場(chǎng)后經(jīng)破碎、篩分后由上煤系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至每個(gè)發(fā)生爐的儲(chǔ)煤倉，再經(jīng)自動(dòng)加煤機(jī)加入爐內(nèi)，煤受到來自氣化段煤氣的加熱而干餾，干餾后的半焦下移到氣化段與氣化劑反應(yīng)生成煤氣（氣化劑由空氣、蒸汽組成）。氣化段生成的煤氣分為兩部分：一部分從兩段爐下段煤氣出口出爐，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器后再進(jìn)急冷塔、降溫除塵;另一部分向上在干餾段生成煤氣從上段煤氣出口出爐。上段出口的煤氣先進(jìn)入電捕焦油器除焦油后與下段煤氣進(jìn)入間冷器進(jìn)一步降溫、除塵，混合后再經(jīng)電捕輕油器對(duì)煤氣凈化后進(jìn)入煤氣排送機(jī)加壓，隨后進(jìn)行脫硫，最后送往用戶。立管式間接冷卻器及二級(jí)電氣濾清器底部排出的酚水，通過管道匯集到酚水池，定期用酚水泵送至酚水凈化、回收系統(tǒng)，通過加藥、過濾、凈化，處理后水質(zhì)滿足煤氣站旋風(fēng)除塵器水夾套爐給水要求。將凈化后的水供夾套爐，代替部分軟水，產(chǎn)生蒸汽作為煤氣爐汽化劑，達(dá)到節(jié)水、閉路循環(huán)及零排放的目的。具體流程見圖1。

圖1 ?常壓固定床兩段式煤氣發(fā)生爐工藝流程圖

2.2.4 常壓固定床兩段煤氣發(fā)生爐方案優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，可以基本滿足現(xiàn)有環(huán)保要求，投資較其他大型氣化技術(shù)小。缺點(diǎn)如下：

①運(yùn)營(yíng)成本高。以50萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)線為例，煤氣爐臺(tái)數(shù)多達(dá)24臺(tái)套，運(yùn)行維護(hù)人員較多，整個(gè)煤氣站大約需要100人，總投資約為5億元，年運(yùn)營(yíng)成本約為2.07億元。

②系統(tǒng)效能低。煤氣中氮?dú)夂扛?、煤氣熱值低、設(shè)備氣化強(qiáng)度較低等，其冷煤氣效率僅為70%左右。

③燃?xì)獬杀靖摺Ｓ捎跉饣簝r(jià)格對(duì)兩段式煤氣爐燃?xì)獬杀緝r(jià)格影響很大，在不考慮煤氣凈化副產(chǎn)品回收利用成本的情況下，耗煤成本占制氣總成本約50%～85%，變化范圍大、成本所占比例高。而神華集團(tuán)在準(zhǔn)格爾地區(qū)煤礦生產(chǎn)的原煤不能滿足兩段爐要求，還需外購煤，因此使用此種方法生產(chǎn)煤氣，其制氣成本受氣化用煤價(jià)格的影響較大。

2.3 常壓循環(huán)流化床煤氣爐燃料氣方案

2.3.1 技術(shù)概況

循環(huán)流化床技術(shù)應(yīng)用于煤氣化過程，可克服鼓泡流化床中存在大量氣泡造成氣固接觸不良的特點(diǎn)，同時(shí)可避免氣流床所需要過高的氣化溫度，克服大量煤轉(zhuǎn)化為熱能而不是化學(xué)能的缺點(diǎn)，綜合了鼓泡床和氣流床的優(yōu)點(diǎn);循環(huán)流化床操作氣速介于鼓泡床和氣流床之間，煤顆粒與氣體之間有很高的滑移速度，使氣固間有很高的傳熱和傳質(zhì)速率。因此循環(huán)流化床為流化床煤氣化技術(shù)提供了一個(gè)新的方向。中科院工程熱物理所與濟(jì)南黃臺(tái)煤氣爐公司合作開發(fā)了常壓循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)，目前該技術(shù)已在包括中國(guó)鋁業(yè)公司平果鋁業(yè)、山東信發(fā)煤電集團(tuán)等工程項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，其具有傳熱傳質(zhì)效率高、煤種適應(yīng)性強(qiáng)（可利用的煤種包括褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘性煙煤、弱粘性煙煤等）、單位容積生產(chǎn)能力高、容易實(shí)現(xiàn)大型化（單爐煤氣產(chǎn)量可達(dá)25000～60000Nm3/h）和環(huán)保性能好等特點(diǎn)。

2.3.2 車間組成

循環(huán)流化床煤氣爐煤氣站由煤堆場(chǎng)及上煤系統(tǒng)、主廠房、排送機(jī)室、軟水站、脫硫系統(tǒng)、主控樓以及界區(qū)內(nèi)相應(yīng)配套的公用工程和輔助設(shè)施構(gòu)成。

2.3.3 系統(tǒng)流程

燃料（粒度<10mm）進(jìn)煤場(chǎng)后通過破碎和篩分由上煤系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至每個(gè)發(fā)生爐的儲(chǔ)煤倉，煤氣化爐以空氣和蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽為氣化劑，滿足顆粒要求的煤（0～10 mm）從氣化爐爐膛的中下部加入，煤在氣化爐爐膛焦與底部通入的氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng)。從氣化爐爐膛頂部排出的煤氣與顆粒的氣固混合物經(jīng)第一級(jí)高溫旋風(fēng)分離器分離后，通過氣化劑預(yù)熱器，預(yù)熱氣化劑溫度后通過余熱回收、換熱后，煤氣經(jīng)布袋除塵及煤氣冷卻系統(tǒng)后加壓脫硫，送往用戶。煤氣帶出的高溫物料經(jīng)旋風(fēng)分離器分離下來后，直接返回爐膛進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)物料中未反應(yīng)的碳在爐膛中與氣化劑進(jìn)一步發(fā)生氣化反應(yīng)，以提高氣化過程中碳的轉(zhuǎn)化率。具體流程見圖2。

圖2 ?循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)工藝流程

2.3.4 常壓循環(huán)流化床煤氣爐方案優(yōu)缺點(diǎn)

與常壓固定床煤氣爐相比，常壓循環(huán)流化床煤氣爐具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①煤種適應(yīng)性廣，原料成本低?？衫玫拿悍N包括褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘性煙煤、弱粘性煙煤等;以相對(duì)廉價(jià)的粉煤（0～10mm）為原料，相比以塊煤為原料的固定床氣化爐可大幅節(jié)約原料成本。

②空氣氣化。根據(jù)不同的燃料、用戶對(duì)煤氣熱值不同需求，可以在空氣、空氣+水蒸氣、富氧空氣/純氧+蒸汽中靈活地選擇氣化劑;采用常壓空氣或空氣+水蒸氣進(jìn)行氣化，不需要制氧設(shè)備，制取中低熱值的工業(yè)燃?xì)鈺r(shí)，采用常壓空氣氣化，不需要制氧設(shè)備。

③負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，開停爐方便?？稍谠O(shè)計(jì)負(fù)荷40%～110%范圍內(nèi)調(diào)節(jié);開停爐操作方便，幾分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)停爐，停爐數(shù)天后仍可快速啟動(dòng)。

④微正壓運(yùn)行，穩(wěn)定可靠。氣化爐在微正壓（常壓）下運(yùn)行，安全可靠，操作簡(jiǎn)便;生產(chǎn)中沒有運(yùn)動(dòng)部件和易損件，維修量小，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率高。

⑤氣化爐大型化。循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)氣固兩相流反應(yīng)和摻混強(qiáng)烈，進(jìn)行空間氣化。單爐煤氣產(chǎn)量每小時(shí)可達(dá)25000～60000Nm3/h，一臺(tái)可替代多臺(tái)固定床氣化爐，占地面積大幅度減少。

⑥系統(tǒng)能效高。通過空氣預(yù)熱器和余熱鍋爐回收高溫煤氣的顯熱，產(chǎn)生高溫空氣和蒸汽作為氣化劑使用，富余蒸汽外供，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，煤氣站人員配置少、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

⑦環(huán)保性能好。氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度均勻，可達(dá)1000℃左右，沒有焦油、酚類物質(zhì)的產(chǎn)生，無廢水產(chǎn)生，使得凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

⑧運(yùn)營(yíng)成本低。以50萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)線為例，1套45000Nm3/h循環(huán)流化床煤氣爐可以替代6套兩段爐，只需4套循環(huán)流化床煤氣爐，而且可以使用神華準(zhǔn)能公司的末煤，原料煤價(jià)格低，煤氣的成本也較兩段爐低很多，運(yùn)行維護(hù)人員僅為60人，總投資約為7億元，年運(yùn)營(yíng)成本較兩段爐降低30%左右。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)天然氣、常壓固定床兩段式煤氣發(fā)生爐及常壓循環(huán)流化床煤氣爐三種燃料氣方案初步分析探討，常壓循環(huán)流化床煤氣爐方案最為合理、可行。首先，常壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣，生產(chǎn)管理人員少，操作自動(dòng)化程度高，環(huán)保性能好，氣化爐可大型化，占地面積少等特點(diǎn);其次，從經(jīng)濟(jì)性分析，常壓循環(huán)流化床煤氣爐的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的，運(yùn)營(yíng)成本低30%，相對(duì)于兩段爐增加的投資成本很快就收回了;再次，神華集團(tuán)準(zhǔn)能公司選煤廠的產(chǎn)品煤從煤種、粒度、產(chǎn)量都可滿足循環(huán)流化床煤氣爐的要求，可顯著降低燃料氣成本。因此最終確定氧化鋁焙燒燃料氣方案采用常壓循環(huán)流化床煤氣爐燃料氣方案。