雙碳目標下新型煤制氣在氧化鋁行業(yè)應用分析

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 國家能源煤氣化技術研發(fā)中心,上海 200237;4.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,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)的高質量發(fā)展,還要深入實施雙碳目標和生態(tài)文明建設等國家戰(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。加強煤炭分質分級梯級利用,并耦合先進的煤炭清潔燃燒技術、新型煤制工業(yè)燃氣技術,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?，F(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,只適用于高揮發(fā)分的粒煤,煤種適應性窄;另一方面由于氣化反應溫度低與碳轉化率低的原因,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利用轉化得到的固體燃料,屬于相對環(huán)保燃料的一種[8-9]?；诿禾糠旨壏仲|利用的大規(guī)模工業(yè)應用,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的選擇提供參考。

1 工業(yè)燃氣制備技術

工業(yè)燃氣制備技術主要指以煤等含碳物質為原料,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)反應流動特征,可以分為固定床氣化技術、流化床氣化技術和氣流床氣化技術。

固定床氣化技術,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]。該技術是在800～1 000℃下將煤等燃料轉化為工業(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[5,12]。

流化床氣化技術,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。另外單程碳轉化率60%左右,復合碳轉化率可提高到80%左右,該技術會受到當?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,包括水煤漿氣化技術和粉煤氣化技術,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,其中煤顆粒粒徑一般為80微米左右,目前已經(jīng)在煤化工、煉油等領域進行了大規(guī)模應用[20]。氣流床氣化的主要優(yōu)點是碳轉化率高,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”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: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,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: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。空氣經(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,但對操作人員的素質要求比較高,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氣化反應碳轉化率與時間的關系,蘭炭末與神華煤、內(nèi)蒙煤的化學反應活性分析,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氣化反應碳轉化率與時間的關系

表3 蘭炭末原料主要指標的工業(yè)分析結果

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。項目總燃氣產(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具有如下優(yōu)勢:

(1)碳轉化率高(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)低壓氣流床技術比常壓固定床技術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,按低壓氣流床技術比常壓固定床技術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,該技術在氧化鋁行業(yè)應用是一種低能耗,環(huán)境友好的工業(yè)燃氣技術。

4 結 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,技術升級是雙碳目標實現(xiàn)的關鍵[22]。本文采用低壓氣流床高效工業(yè)燃氣制備技術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,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)的風險。

本技術于2020年7月已被中鋁集團公司列為綠色技術,是中鋁環(huán)保節(jié)能集團有限公司的一項“殺手锏”技術,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)能領域服務于主業(yè)的高質量發(fā)展的需求。新型煤制工業(yè)燃氣技術將是一種發(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。