李海洋

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽 临泉 236400）

0 引 言

目前大多数氧化铝企业均采用多台常压固定床气化炉（以下简称两段炉）向氧化铝焙烧炉提供燃料煤气，由于两段炉须采用不粘块煤为原料，原料成本高，且出炉煤气中含焦油、酚等杂质，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多，增加了投资和运行成本。国家发改委2007年在《关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》中明确指出，煤化工企业禁止核准或备案采用常压固定床气化技术，使得常压固定床气化装置亟需进行更新换代。

另外，部分氧化铝企业的焙烧炉全部使用天然气，其每吨氧化铝的焙烧成本比两段炉供气焙烧成本高约74.14元（以2016年1—6月之价格为例）；与采用常压流化床空气气化技术的代表性技术——粉煤气化炉之每吨氧化铝焙烧燃料气成本130.32元（以入炉煤折标煤价格830元／t计）相比，高约59.05元。显然，采用新型气化炉生产燃料煤气作为氧化铝焙烧炉的燃料气，可在很大程度上降低氧化铝的生产成本。

采用新型煤气化技术生产燃料气，不仅可使氧化铝生产企业现有的燃料气供应装置得到升级，而且可使生产装置大型化、资源综合利用清洁化和产品优质化，并降低燃料气的生产成本，增强氧化铝生产企业主营产品的市场竞争力。同时，采用先进的煤气化技术，符合国发〔2016〕67号《国务院关于印发“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》提出的煤炭清洁高效利用技术装备提升的要求，其代表性技术——粉煤气化技术不在2013年5月1日颁布的《国家发展改革委关于修改＜产业结构调整指导目录（2011年本）＞有关条款决定》中的落后生产工艺装置目录中。

以下就煤制燃料气行业应用较为广泛的常压流化床空气气化技术以及值得氧化铝行业关注的低压富氧气流床气化技术，基于3种典型的陕北煤的煤质分析数据，对其各自的特点进行比较分析，以期为氧化铝生产企业选择合适的煤制燃料气气化技术有所帮助。

1 2种气化技术简介

1.1 常压流化床空气气化技术

常压流化床空气气化技术工艺流程框图如图1。来自原料煤破碎及输送系统的粉煤（粒径≤10mm）输送至原料煤贮斗中，由小煤斗下的螺旋给煤机送入气化炉炉膛，与来自高温预热器的气化剂（高温空气、蒸汽）发生反应，产生的炉渣通过皮带输送至煤气站内渣仓，产生的粗煤气夹带飞灰进入高温旋风分离器，大颗粒飞灰被分离后返回炉膛继续燃烧，小颗粒飞灰则与煤气在高温预热器内与来自风机的空气、汽包的蒸汽进行热交换（产生高温气化剂）；出高温预热器的煤气进入余热回收器、省煤器与脱盐水进行热交换（产生饱和蒸汽）；降温后的煤气进入布袋除尘器，小颗粒飞灰被过滤下来后送入气力输送系统，洁净煤气则进入煤气冷却器进一步降温，之后经脱硫系统脱除H2S并加压送至用户。

图1 常压流化床空气气化技术工艺流程框图

1.2 低压富氧气流床气化技术

低压富氧气流床气化技术工艺流程框图如图2。其气化炉下部设置有4个水平布置的工艺烧嘴，原料煤在粉煤制备单元经过干燥和研磨制成合格煤粉（粒径＜0.1mm），送入粉煤给料单元，通过输送单元及计量后向气化炉供料；来自空分单元的富氧作为气化剂与蒸汽及粉煤给料单元来的煤粉一道通过工艺烧嘴进入粉煤气化炉反应，生成粗煤气，产生的熔渣从气化炉底部排出；从气化炉顶部离开气化室的粗煤气，经循环气（激冷气）初步激冷降温后进入废热锅炉（回收大部分显热副产蒸汽），之后进入布袋除尘器脱除携带的细灰；除尘后部分洁净燃气经增压后返回气化室出口作为激冷气，大部分则进入煤气冷却器进一步冷却后送入脱硫单元。空分单元所产氮气作为输送气和干燥气，供给料和制粉单元使用。

图2 低压富氧气流床气化技术工艺流程框图

2 煤质分析

3种典型陕北煤的煤质分析数据见表1。可以看出，3种陕北煤的含灰量均小于20%，内水含量较低，灰渣流动温度（FT）均不大于1300℃，但其在950℃下的CO2反应活性均不高。

表1 3种典型陕北煤的主要煤质分析数据

3 2种气化技术的对比

常压流化床空气气化技术在煤制燃料气行业的应用较为广泛。其特点是：气化温度在900～1000℃之间，气化炉内温度分布均匀；所产粗煤气质量优于传统固定床气化炉，不含焦油和酚，无需配套建设焦油、酚等回收装置；煤种适应性相对较好，适用于弱粘煤（CRC＜4）。但也存在单炉产能较小、对煤质（灰分、活性和灰熔点）要求较高、飞灰含碳量高（需另外处理）以及需配套建设复杂的氨回收装置等不足。

气流床气化技术在国内煤化工领域的应用非常广泛。低压富氧气流床气化技术采用的废热锅炉结构形式、系统控制和操作规程都非常成熟。其特点是：煤种适应性广，褐煤、烟煤、无烟煤和石油焦等均可；对煤灰熔点的适应范围较其他气化工艺更宽，且对煤的活性、结焦性、水分、硫分、氧含量及灰分并不敏感；气化炉的操作温度高于煤的灰熔点，一般在1300℃以上，使得原料煤的碳转化率高，气化炉出口粗煤气中有效成分（CO＋H2）含量高；整个系统的能量利用率较高，并可副产蒸汽；气化炉采用水冷壁结构形式，无耐火衬里，易于维护，易于保证系统长周期、稳定运行。此外，相较于流化床气化技术，低压富氧气流床气化技术另一个突出特点是环境友好，气化炉所产生的炉渣和飞灰是非活性的，粗煤气相对洁净，系统产生的污水容易处理，易于实现零排放。

基于表1中3种典型陕北煤的煤质分析数据，常压流化床空气气化技术与低压富氧气流床气化技术用于氧化铝企业现有燃料气供给装置（两段炉）的升级改造，其对比分析如下。

3.1 煤质情况

从表1的煤质分析数据来看，3种典型陕北煤的最低软化温度（DT）为1140℃、流动温度（FT）最高为1300℃，空气干燥基灰分含量在15.71%～18.36%，2种气化技术均适用。但同时也可以看到，煤种Ⅱ的焦渣特征（CRC）为4，该值已处于常压流化床空气气化技术许可的上限，若将其用于常压流化床气化炉，会给气化炉的操作运行带来一定风险；另外，这3种煤在950℃条件下的CO2反应活性均不高，煤种Ⅱ的反应活性甚至低于30%，若采用常压流化床空气气化炉气化这3种煤，其碳转化率会较低。而若采用低压富氧气流床气化炉气化这3种煤，因其气化炉的操作温度一般高于1300℃，即高于煤灰的流动温度，原料煤在气化炉内的碳转化率会较高，且煤种的CRC对低压富氧气流床气化炉的操作运行没有任何影响。

3.2 燃料气质量及热值

常压空气流化床气化炉所产干煤气中有效气（CO＋H2）含量在40%～46%之间，其余大部分为N2和CO2，并有少量CH4，所产燃料气的热值约为1350kcal／m3；低压富氧气流床气化炉所产干煤气中有效气（CO＋H2）含量一般高于70%，对应的燃料气热值高于2100kcal／m3。由于上述2种气化炉所产粗煤气除尘后均采用相同的PDS脱硫工艺，按氧化铝焙烧炉对燃料气进气温度约40℃的要求，燃料气中均含有一定量的饱和水，这些饱和水在燃烧过程中因蒸发会消耗大量的热量，因此相对于常压流化床空气气化炉而言，低压富氧气流床气化炉所产粗煤气用于氧化铝焙烧炉之节能降耗效果更显著。

3.3 三废排放

常压流化床空气气化炉出口粗煤气中不但含有NH3和H2S，而且还有微量的HCN和COS，这使得后续系统所产生的废水和废气的处理难度大增。而低压富氧气流床气化炉由于操作温度较高，粗煤气中除了含有一定量的H2S和较低含量的NH3以外，几乎不含HCN和COS等有害杂质，其冷凝废水容易处理，更易于适应不断升级的环保要求。另外，常压流化床空气气化炉生产过程中会产生大量的飞灰，这些飞灰虽然能够被电厂锅炉二次燃烧利用，但由于其反应活性较低和颗粒粒径较小，也会给燃煤锅炉的运行维护增加相当大的难度。

3.4 能量利用率

衡量气化技术的一个重要技术经济指标为冷煤气效率，即气化炉所产燃料气热值与入炉煤热值的比率。由于常压流化床空气气化炉有大量的高含碳飞灰外排，使得其冷煤气效率要低于低压富氧气流床气化炉。另外，这2种气化炉出口粗煤气均通过余热锅炉回收其显热，但扣除气化炉本身消耗的蒸汽后，低压富氧气流床气化炉下游余热锅炉所副产的蒸汽量远高于常压流化床空气气化炉。总之，低压富氧气流床气化技术的能量利用率明显高于常压流化床空气气化技术。

3.5 燃料气制气成本

由于低压富氧气流化床气化炉需空分单元提供气化所需的富氧，而常压流化床空气气化炉仅需罗茨风机提供气化用空气，因此单从气化装置的燃料气制备成本来看，低压富氧气流床气化炉的制气成本要高于常压流化床空气气化炉；但若从整个氧化铝生产的综合能耗（包括三废处理、下游系统能量利用率以及氧化铝企业周边煤炭资源利用等方面）来看，这2种气化技术运用于氧化铝企业燃料气制备的成本需进一步核算。

4 结束语

基于3种典型陕北煤的主要煤质分析数据，通过对比分析可以得出如下结论：常压流化床空气气化技术在氧化铝行业应用较为广泛，技术较为成熟，燃料气生产成本较低；虽然目前气流床气化技术在低压煤制燃料气行业还没有工业化应用业绩，但气流床气化技术在国内煤化工领域的应用非常广泛，系统运行稳定、技术成熟可靠，且低压富氧气流床气化技术在煤种适应性、碳转化率、燃料气热值、能源利用率以及环保等方面优于常压流化床空气气化技术。随着国内工业领域环保要求的不断提高，低压富氧气流床气化技术在氧化铝行业的应用值得大家关注。