氧化鋁焙燒燃料氣方案比選

張斌

摘 要：通過初步分析探討神華準格爾礦區煤炭伴生資源循環經濟產業項目一期100萬噸/年氧化鋁項目焙燒燃料氣方案，詳細論證了天然氣、常壓固定床煤氣發生爐煤氣、常壓循環流化床煤氣發生爐煤氣的優缺點，最終確定焙燒燃料氣方案采用常壓循環流化床煤氣發生爐煤氣。

關鍵詞：氧化鋁焙燒;煤氣;比選

我國是一個鋁土礦資源短缺的國家，礦石主要以中低品位的一水硬鋁石為主，其生產工藝復雜、工藝能耗及生產成本較高。隨著我國國民經濟的快速發展，鋁土礦資源日益貧化，缺口量越來越大。自1995年開始，我國氧化鋁行業從國外進口鋁土礦用于氧化鋁生產，且進口量逐年增加。由于我國鋁土礦進口量大，造成世界鋁土礦價格大幅度上漲，且礦石品位的波動較大，礦石資源不足的問題嚴重制約了我國氧化鋁工業的發展。對氧化鋁行業來說，開展高鋁粉煤灰生產氧化鋁工藝研究，尋找可替代的非鋁土礦資源生產氧化鋁，緩解國內鋁土礦資源不足，促進我國鋁工業健康發展具有十分重要的意義。

內蒙古自治區是我國能源大省之一，煤炭及電力工業發展快、規模較大，目前已取代山西成為我國最大的產煤省區，內蒙古鄂爾多斯準格爾地區煤炭資源豐富，煤炭中伴生有豐富的鋁、鎵等有色金屬。開采出的煤炭經發電廠鍋爐燃燒后，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，從化學組成分析，此粉煤灰是提取氧化鋁的潛在資源。該地區電力工業發達，電廠每年產生的高鋁粉煤灰未得到綜合利用，粉煤灰靠征用土地建設灰渣堆場堆存，這既占用土地，又污染當地環境，急需對粉煤灰進行綜合利用，將其變廢為寶，利用粉煤灰資源建設氧化鋁廠，是解決粉煤灰污染環境的最有效途徑。

神華集團經多年研究及中試，成功開發出“一步酸溶法”高鋁粉煤灰提取氧化鋁關鍵技術及工業化裝置，擬在內蒙古準格爾旗建設100萬噸/年冶金級氧化鋁項目，分兩條線建設，第一條線建設50萬噸/年氧化鋁，第二條線建設50萬噸/年氧化鋁。氧化鋁焙燒工段是氧化鋁項目的重要組成部分，對整個項目的經濟技術指標起著重大影響，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）。

目前國內工程應用的工業燃氣種類較多，燃氣種類不同、區域不同其價格差異很大，部分企業產品中燃料氣成本占總成本比例已近50%，自行建設工業燃氣（煤氣）制造項目的投資比例也相當高，由此可見，選擇適合的工業燃氣作為企業生產燃料，關系企業的健康發展，尤其工業燃氣需求規模較大的項目顯得更有重要意義。

1 概述

目前作為工業燃氣的種類很多，如乙炔、丙烷、液化石油氣、天然氣、工業煤氣等，其中乙炔、丙烷氣通常作為特殊要求的工業切割氣使用，相對其他工業燃氣熱值和燃燒溫度高，但成本價格極高、生產供應規模量小、安全性差，對于燃氣熱值無特殊要求的工藝生產通常不考慮選用。以石油為原料生產的工業燃氣（如液化石油氣、天然氣），國內外生產技術較為成熟，工業應用大規模、小規模均可適應，但這種工業燃氣價格受市場的影響很大。而對于煤氣化技術，目前世界正在應用和開發的煤氣化技術有數十種之多，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發展迅速，單爐生產規模較大，系統投資和造氣成本較高，產品煤氣熱值有所提高，但其多采用純氧氣化，生產出的煤氣多作為化工原料氣使用，不完全符合工業燃料煤氣的生產要求。投資和運行費用高于目前作為燃料氣供應源的常壓煤氣化技術。

作為工業燃料煤氣供氣單元，目前常壓固定床煤氣發生爐應用最為廣泛，該爐型全國應用量達數千臺套，按其結構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，發生爐最常用的氣化煤種為弱黏結性煙煤和無煙煤，其煤氣熱值一般為5225～6690 kJ/Nm3。

此外，根據國內外工業燃料煤氣爐氣化技術調研情況，目前循環流化床煤氣化技術已得到一定程度的推廣應用，其具有以下特點：以相對廉價的粉煤（0～10mm）為原料，可利用的煤種包括褐煤、長焰煤、不粘性煙煤、弱粘性煙煤等;氣化爐易于放大，單爐煤氣產量可達25000～60000Nm3/h，一臺可替代多臺固定床氣化爐，占地面積減少;氣化爐內反應溫度分布均勻，可達到1000℃左右，煤氣中不含焦油、酚類等;氣化爐采用干式除灰，清潔環保，耗水量小，無廢水產生。

2 燃料氣方案比較

2.1 天然氣方案

2.1.1 方案可行性

本項目建設地點為內蒙古準格爾旗大路工業園區，目前大路工業園區已敷設有天然氣管道，天然氣供氣充足。

2.1.2 系統流程

外網來天然氣進入廠區天然氣調壓站，經過調壓器調壓，將出口壓力調節到0.03～0.06MPa，然后輸送至工藝焙燒用戶。

2.1.3 方案優缺點

該方案優點是技術成熟，無污染，占地面積小。缺點是以50萬噸/年氧化鋁生產線為例，每年僅天然氣成本（按照2015年4月國家發改委發布的內蒙古自治區天然氣最高門站價格2.04元/Nm3計）高達4億元，并且氣源供應受外部環境影響較大。

2.2 常壓固定床兩段式煤氣發生爐燃料氣方案

2.2.1 技術概況

目前我國氧化鋁行業中大部分煤氣站選用常壓固定床發生爐煤氣技術，根據國內現有常壓固定床煤氣技術的工程應用情況，煤氣站可按兩段式煤氣發生爐設計。兩段式煤氣發生爐分為混合煤氣兩段式煤氣發生爐和水煤氣兩段式煤氣發生爐。當前混合煤氣兩段式發生爐應用比較普遍，混合煤氣兩段式煤氣發生爐是以煤為原料，鼓入空氣和蒸汽在爐內進行干餾（低溫干餾）和氣化，最后產出煤氣;水煤氣兩段式煤氣發生爐則以空氣和蒸汽分別鼓入，建成一個循環制氣系統。

2.2.2 車間組成

兩段式發生爐煤氣站由煤堆場及上煤系統、主廠房、鼓風機室、排送機室、軟水站、脫硫系統、焦油、酚水回收系統、主控樓以及界區內相應配套的公用工程和輔助設施構成。

2.2.3 系統流程

原料煤進煤場后經破碎、篩分后由上煤系統轉運至每個發生爐的儲煤倉，再經自動加煤機加入爐內，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，進入旋風除塵器后再進急冷塔、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入電捕焦油器除焦油后與下段煤氣進入間冷器進一步降溫、除塵，混合后再經電捕輕油器對煤氣凈化后進入煤氣排送機加壓，隨后進行脫硫，最后送往用戶。立管式間接冷卻器及二級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，通過加藥、過濾、凈化，處理后水質滿足煤氣站旋風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，產生蒸汽作為煤氣爐汽化劑，達到節水、閉路循環及零排放的目的。具體流程見圖1。

圖1 ?常壓固定床兩段式煤氣發生爐工藝流程圖

2.2.4 常壓固定床兩段煤氣發生爐方案優缺點

優點是技術成熟，可以基本滿足現有環保要求，投資較其他大型氣化技術小。缺點如下：

①運營成本高。以50萬噸/年氧化鋁生產線為例，煤氣爐臺數多達24臺套，運行維護人員較多，整個煤氣站大約需要100人，總投資約為5億元，年運營成本約為2.07億元。

②系統效能低。煤氣中氮氣含量高、煤氣熱值低、設備氣化強度較低等，其冷煤氣效率僅為70%左右。

③燃氣成本高。由于氣化煤價格對兩段式煤氣爐燃氣成本價格影響很大，在不考慮煤氣凈化副產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。而神華集團在準格爾地區煤礦生產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煤氣，其制氣成本受氣化用煤價格的影響較大。

2.3 常壓循環流化床煤氣爐燃料氣方案

2.3.1 技術概況

循環流化床技術應用于煤氣化過程，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，同時可避免氣流床所需要過高的氣化溫度，克服大量煤轉化為熱能而不是化學能的缺點，綜合了鼓泡床和氣流床的優點;循環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速率。因此循環流化床為流化床煤氣化技術提供了一個新的方向。中科院工程熱物理所與濟南黃臺煤氣爐公司合作開發了常壓循環流化床煤氣化技術，目前該技術已在包括中國鋁業公司平果鋁業、山東信發煤電集團等工程項目中得到推廣應用，其具有傳熱傳質效率高、煤種適應性強（可利用的煤種包括褐煤、長焰煤、不粘性煙煤、弱粘性煙煤等）、單位容積生產能力高、容易實現大型化（單爐煤氣產量可達25000～60000Nm3/h）和環保性能好等特點。

2.3.2 車間組成

循環流化床煤氣爐煤氣站由煤堆場及上煤系統、主廠房、排送機室、軟水站、脫硫系統、主控樓以及界區內相應配套的公用工程和輔助設施構成。

2.3.3 系統流程

燃料（粒度<10mm）進煤場后通過破碎和篩分由上煤系統轉運至每個發生爐的儲煤倉，煤氣化爐以空氣和蒸汽發生器產生的蒸汽為氣化劑，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生氣化反應。從氣化爐爐膛頂部排出的煤氣與顆粒的氣固混合物經第一級高溫旋風分離器分離后，通過氣化劑預熱器，預熱氣化劑溫度后通過余熱回收、換熱后，煤氣經布袋除塵及煤氣冷卻系統后加壓脫硫，送往用戶。煤氣帶出的高溫物料經旋風分離器分離下來后，直接返回爐膛進行循環，循環物料中未反應的碳在爐膛中與氣化劑進一步發生氣化反應，以提高氣化過程中碳的轉化率。具體流程見圖2。

圖2 ?循環流化床煤氣化技術工藝流程

2.3.4 常壓循環流化床煤氣爐方案優缺點

與常壓固定床煤氣爐相比，常壓循環流化床煤氣爐具有以下優點：

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

②空氣氣化。根據不同的燃料、用戶對煤氣熱值不同需求，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+水蒸氣進行氣化，不需要制氧設備，制取中低熱值的工業燃氣時，采用常壓空氣氣化，不需要制氧設備。

③負荷調節范圍大，開停爐方便?？稍谠O計負荷40%～110%范圍內調節;開停爐操作方便，幾分鐘內即可實現停爐，停爐數天后仍可快速啟動。

④微正壓運行，穩定可靠。氣化爐在微正壓（常壓）下運行，安全可靠，操作簡便;生產中沒有運動部件和易損件，維修量小，連續運轉率高。

⑤氣化爐大型化。循環流化床氣化爐內氣固兩相流反應和摻混強烈，進行空間氣化。單爐煤氣產量每小時可達25000～60000Nm3/h，一臺可替代多臺固定床氣化爐，占地面積大幅度減少。

⑥系統能效高。通過空氣預熱器和余熱鍋爐回收高溫煤氣的顯熱，產生高溫空氣和蒸汽作為氣化劑使用，富余蒸汽外供，系統自動化程度高，煤氣站人員配置少、勞動強度低。

⑦環保性能好。氣化爐內反應溫度均勻，可達1000℃左右，沒有焦油、酚類物質的產生，無廢水產生，使得凈化系統簡單。

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

3 結論

綜上所述，通過對天然氣、常壓固定床兩段式煤氣發生爐及常壓循環流化床煤氣爐三種燃料氣方案初步分析探討，常壓循環流化床煤氣爐方案最為合理、可行。首先，常壓循環流化床氣化技術具有煤種適應性廣，生產管理人員少，操作自動化程度高，環保性能好，氣化爐可大型化，占地面積少等特點;其次，從經濟性分析，常壓循環流化床煤氣爐的優勢還是比較明顯的，運營成本低30%，相對于兩段爐增加的投資成本很快就收回了;再次，神華集團準能公司選煤廠的產品煤從煤種、粒度、產量都可滿足循環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流化床煤氣爐燃料氣方案。