精餾塔煤改氣的生產(chǎn)實踐

劉永富

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司韶關(guān)冶煉廠，廣東 韶關(guān) 512024）

1 引言

韶關(guān)冶煉廠（以下簡稱韶冶）采用ISP工藝生產(chǎn)鉛鋅，由鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐產(chǎn)出的粗鋅通過精餾塔精餾后獲得精鋅，精餾塔使用自產(chǎn)發(fā)生爐煤氣作為原料供熱。由于煤氣供應(yīng)不穩(wěn)定，且煤氣中帶有大量的焦油和水，對精餾塔生產(chǎn)造成較大影響[1]。煤氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣及煤氣燃燒產(chǎn)生的廢氣如不經(jīng)科學(xué)處理會對環(huán)境造成污染，同時煤氣生產(chǎn)及使用過程中存在著安全性差，維修頻繁、勞動強(qiáng)度大等缺陷。隨著國家環(huán)保要求的越來越嚴(yán)格，采用天然氣替代發(fā)生爐煤氣成為當(dāng)前必然的一個發(fā)展趨勢。

2 天然氣替代發(fā)生爐煤氣的可行性

2.1 發(fā)生爐煤氣與天然氣的區(qū)別

2.1.1 發(fā)生爐煤氣與天然氣化學(xué)成分

發(fā)生爐煤氣組成及熱值，發(fā)生爐煤氣熱值5372kJ/mol，發(fā)生爐煤氣可燃組分含量為40%。發(fā)生爐煤氣成分的體積百分?jǐn)?shù)：CO2：5.7%、CO：25.4%、CH4+H2：15%、N2：53.5%

2.1.2 天然氣組成及熱值

發(fā)生爐煤氣熱值37557kJ/mol，天然氣可燃組分含量為97.6%。發(fā)生爐煤氣成分的體積百分?jǐn)?shù)：CO2：0.9%、CH4+CnHm：97.6%、N2：1.5%

2.2 發(fā)生爐煤氣與天然氣燃燒所需氧量和燃燒產(chǎn)生廢氣體積的計算

充分燃燒需要氧量和產(chǎn)生廢氣體積如下表：

序號單位體積煤氣所需空氣量（m3）單位體積煤氣需氧量（m3）0.128 0.033 1.65 1 2 3 4燃燒化學(xué)方程式2CO+O2=2CO2 CH4+2O2=CO2+2H2O CnHm+(n+m/4)O2=nCO2+m/2H2O 2H2+O2=2H2O含量（%）0.255 0.016 0.002 0.133合計0.053 0.133 0.347

1m3發(fā)生爐煤氣可燃組分為0.347m3，其完全燃燒所需空氣量為1.65m3，完全燃燒后可燃組分體積減小。單位體積發(fā)生爐煤氣完全燃燒后產(chǎn)出的廢氣量理論計算如下：

燃燒后廢氣體積計算（1m3煤氣計算）

1m3發(fā)生爐煤氣完全燃燒后產(chǎn)生的廢氣量為2.174m3，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可分別計算混合燃?xì)馔耆紵螽a(chǎn)出的廢氣總量及標(biāo)態(tài)下煤氣流量，計算結(jié)果如下：

一臺精餾塔所需發(fā)生爐煤氣量約為1400m3/h，若充分燃燒后實際廢氣流量可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程P1V1/T1=P2V2/T2計算：

2.2.1 1m3天然氣充分燃燒需要氧量和產(chǎn)生廢氣體積

序號燃燒化學(xué)方程式燃燒前后可燃?xì)怏w體積變化1 2 CH4+2O2=CO2+2H2O C2H6+7/2O2=2CO2+3H2O 體積增大含量（%）0.937 0.039 0.976合計單位體積煤氣需氧量（m3）1.874 0.137 2.011單位體積天然氣所需空氣量（m3）9.576

天然氣完全燃燒所需空氣量為9.576m3/m3，天然氣瞬時流量為200m3/h，則天然氣產(chǎn)生廢氣量計算如下：

燃燒后廢氣體積計算（1m3天然氣計算）

精餾塔煤改氣后，天然氣充分燃燒后產(chǎn)生的廢氣量為200m3/h×8.545m3/h=1709m3/h

一臺精餾塔所需天然氣量約為200m3/h，若充分燃燒后實際廢氣流量（m3/h）

2.2.2 給精餾塔提供同等熱量，天然氣與發(fā)生爐煤氣存在的區(qū)別

①煤氣：熱值 5372KJ/m3，1m3煤氣所需空氣量1.650m3；②天然氣：熱值37557KJ/m3，1m3天然氣所需空氣量9.576m3；③天然氣/煤氣熱值：6.991；④天然氣/煤氣所需空氣量：5.803。

2.2.3 天然氣替代發(fā)生爐煤氣

一臺精餾塔提供的熱量天然氣與發(fā)生爐煤氣的相關(guān)數(shù)據(jù)。

煤氣燃燒產(chǎn)生廢氣體積(m3/h)8348天然氣燃燒產(chǎn)生廢氣體積(m3/h)4688發(fā)生爐煤氣天然氣煤氣熱值(KJ/m3)5372天然氣熱值(KJ/m3)37557所需煤氣量(m3/h)1400所需天然氣量(m3/h)200煤氣所需空氣量(m3/h)2310天然氣所需空氣量(m3/h)1915

綜上，精餾塔采用天然氣替換發(fā)生爐煤氣的方案是可行的，理論上，與發(fā)生爐煤氣相比，供應(yīng)相同熱值的天然氣所需的氧氣和產(chǎn)生的廢氣量均小于發(fā)生爐煤氣。通過相應(yīng)的改造可以實現(xiàn)天然氣在精餾塔生產(chǎn)中的穩(wěn)定燃燒。

3 精餾塔煤改氣的結(jié)構(gòu)改造

結(jié)合理論計算，在現(xiàn)有的精餾塔結(jié)構(gòu)上做以下改造以提供足夠空氣量，調(diào)整天然氣的燃燒位置。

3.1 空氣預(yù)熱不變

采用天然氣置換煤氣之后，由于天然氣熱值較高，即便使用冷空氣助燃也完全可以達(dá)到工藝要求的溫度。為了繼續(xù)使用煙氣余熱，同時處于減少改造工作量考慮，助燃空氣依舊由換熱室底部進(jìn)入換熱室預(yù)熱。

3.2 天然氣不通過換熱室

由于套筒磚之間的密封性不高，煤氣在換熱室內(nèi)經(jīng)常會出現(xiàn)“串氣”現(xiàn)象，煤氣與空氣、煙氣接觸而發(fā)生燃燒，增加了煤氣的消耗；同時未燃燒的煤氣隨煙氣進(jìn)入后續(xù)除塵系統(tǒng)，會帶來一定的安全隱患[2]。如果天然氣依舊通過換熱室，由于天然氣燃燒溫度更高，“串氣”現(xiàn)象會造成換熱室損壞，同時會帶來更大的安全隱患。因此，本方案采用天然氣不經(jīng)過換熱室，改由燃燒室側(cè)面多點送入，天然氣負(fù)荷調(diào)節(jié)采用統(tǒng)一調(diào)節(jié)的方式。

3.3 塔體結(jié)構(gòu)調(diào)整

①換熱室煤氣道均改為空氣道。②煤氣總道及燃燒室頂部的煤氣分支道取消。③一層及二層空氣道的位置調(diào)整，部分補(bǔ)爐門位置調(diào)整。

3.4 空氣道與煤氣道

①廢除煤氣道，將換熱室中的空氣總道與原煤氣總道貫通。②廢除一、二次煤氣道。③各層空氣道均在燃燒室南面墻體留下清掃口，以保證足夠的各層空氣量。

3.5 煙氣余熱利用

精餾塔的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計保留了原有的換熱室，利用了煙氣的余熱，提高了爐子的熱效率，促進(jìn)天然氣的燃燒效果。鉛塔和鎘塔的結(jié)構(gòu)類似，均設(shè)置了換熱室，換熱室內(nèi)為套筒磚結(jié)構(gòu)。煙氣流經(jīng)套筒磚外，助燃空氣在套筒磚內(nèi)通過，煙氣和助燃空氣通過套筒磚進(jìn)行間接預(yù)熱。精餾塔爐內(nèi)溫度最高約1250℃，空氣預(yù)熱溫度約700～800℃。

4 精餾塔煤改氣的效果評估

4.1 生產(chǎn)穩(wěn)定性

發(fā)生爐煤氣壓力不穩(wěn)定，且煤氣中帶有大量的焦油和水，對精餾塔生產(chǎn)造成較大影響，無論是在生產(chǎn)中對爐窯方面還是在廢氣的處理以及煤氣管網(wǎng)維護(hù)方面，都造成了現(xiàn)場操作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大。

改用天然氣后，天然氣熱值及壓力都很穩(wěn)定，維護(hù)工作量少，安全性高，并大大降低現(xiàn)場操作的難度和強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，并有利于提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

使用發(fā)生爐煤氣，噸鋅煤氣單耗為2250Nm3，煤氣生產(chǎn)含鎘鋅用量為1900 Nm3/t，煤氣單價為0.47元/Nm3，生產(chǎn)一噸含鎘鋅的煤氣成本約893元。

精餾塔煤改氣后，單塔產(chǎn)出含鎘鋅29t/日，產(chǎn)出含鎘鋅2813t，消耗燃?xì)饬?36692m3。則天然氣改造后生產(chǎn)含鎘鋅燃?xì)庥昧繛?26m3/t。天然氣單價2.8元/m3，生產(chǎn)一噸含鎘鋅的燃?xì)獬杀炯s632.8元。煤改氣燃料成本節(jié)約30%。

5 結(jié)語

綜上所述，精餾塔煤改氣是較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。增加空氣進(jìn)氣量，改變天然氣的送氣方式，調(diào)整天然氣燃燒位置即可。在經(jīng)過爐體改造后，天然氣均能滿足精餾塔燃燒室、熔化爐、精煉爐生產(chǎn)需要，對傳統(tǒng)的發(fā)生爐煤氣起到了很好的替代作用，技術(shù)穩(wěn)定、成熟，配套設(shè)施齊全，具有一定的先進(jìn)性和適用性。