精馏塔煤改气的生产实践

刘永富

（深圳市中金岭南有色金属股份有限公司韶关冶炼厂，广东 韶关 512024）

1 引言

韶关冶炼厂（以下简称韶冶）采用ISP工艺生产铅锌，由铅锌密闭鼓风炉产出的粗锌通过精馏塔精馏后获得精锌，精馏塔使用自产发生炉煤气作为原料供热。由于煤气供应不稳定，且煤气中带有大量的焦油和水，对精馏塔生产造成较大影响[1]。煤气生产过程中产生的废水、废渣及煤气燃烧产生的废气如不经科学处理会对环境造成污染，同时煤气生产及使用过程中存在着安全性差，维修频繁、劳动强度大等缺陷。随着国家环保要求的越来越严格，采用天然气替代发生炉煤气成为当前必然的一个发展趋势。

2 天然气替代发生炉煤气的可行性

2.1 发生炉煤气与天然气的区别

2.1.1 发生炉煤气与天然气化学成分

发生炉煤气组成及热值，发生炉煤气热值5372kJ/mol，发生炉煤气可燃组分含量为40%。发生炉煤气成分的体积百分数：CO2：5.7%、CO：25.4%、CH4+H2：15%、N2：53.5%

2.1.2 天然气组成及热值

发生炉煤气热值37557kJ/mol，天然气可燃组分含量为97.6%。发生炉煤气成分的体积百分数：CO2：0.9%、CH4+CnHm：97.6%、N2：1.5%

2.2 发生炉煤气与天然气燃烧所需氧量和燃烧产生废气体积的计算

充分燃烧需要氧量和产生废气体积如下表：

序号单位体积煤气所需空气量（m3）单位体积煤气需氧量（m3）0.128 0.033 1.65 1 2 3 4燃烧化学方程式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合计0.053 0.133 0.347

1m3发生炉煤气可燃组分为0.347m3，其完全燃烧所需空气量为1.65m3，完全燃烧后可燃组分体积减小。单位体积发生炉煤气完全燃烧后产出的废气量理论计算如下：

燃烧后废气体积计算（1m3煤气计算）

1m3发生炉煤气完全燃烧后产生的废气量为2.174m3，根据理想气体状态方程可分别计算混合燃气完全燃烧后产出的废气总量及标态下煤气流量，计算结果如下：

一台精馏塔所需发生炉煤气量约为1400m3/h，若充分燃烧后实际废气流量可根据理想气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2计算：

2.2.1 1m3天然气充分燃烧需要氧量和产生废气体积

序号燃烧化学方程式燃烧前后可燃气体体积变化1 2 CH4+2O2=CO2+2H2O C2H6+7/2O2=2CO2+3H2O 体积增大含量（%）0.937 0.039 0.976合计单位体积煤气需氧量（m3）1.874 0.137 2.011单位体积天然气所需空气量（m3）9.576

天然气完全燃烧所需空气量为9.576m3/m3，天然气瞬时流量为200m3/h，则天然气产生废气量计算如下：

燃烧后废气体积计算（1m3天然气计算）

精馏塔煤改气后，天然气充分燃烧后产生的废气量为200m3/h×8.545m3/h=1709m3/h

一台精馏塔所需天然气量约为200m3/h，若充分燃烧后实际废气流量（m3/h）

2.2.2 给精馏塔提供同等热量，天然气与发生炉煤气存在的区别

①煤气：热值 5372KJ/m3，1m3煤气所需空气量1.650m3；②天然气：热值37557KJ/m3，1m3天然气所需空气量9.576m3；③天然气/煤气热值：6.991；④天然气/煤气所需空气量：5.803。

2.2.3 天然气替代发生炉煤气

一台精馏塔提供的热量天然气与发生炉煤气的相关数据。

煤气燃烧产生废气体积(m3/h)8348天然气燃烧产生废气体积(m3/h)4688发生炉煤气天然气煤气热值(KJ/m3)5372天然气热值(KJ/m3)37557所需煤气量(m3/h)1400所需天然气量(m3/h)200煤气所需空气量(m3/h)2310天然气所需空气量(m3/h)1915

综上，精馏塔采用天然气替换发生炉煤气的方案是可行的，理论上，与发生炉煤气相比，供应相同热值的天然气所需的氧气和产生的废气量均小于发生炉煤气。通过相应的改造可以实现天然气在精馏塔生产中的稳定燃烧。

3 精馏塔煤改气的结构改造

结合理论计算，在现有的精馏塔结构上做以下改造以提供足够空气量，调整天然气的燃烧位置。

3.1 空气预热不变

采用天然气置换煤气之后，由于天然气热值较高，即便使用冷空气助燃也完全可以达到工艺要求的温度。为了继续使用烟气余热，同时处于减少改造工作量考虑，助燃空气依旧由换热室底部进入换热室预热。

3.2 天然气不通过换热室

由于套筒砖之间的密封性不高，煤气在换热室内经常会出现“串气”现象，煤气与空气、烟气接触而发生燃烧，增加了煤气的消耗；同时未燃烧的煤气随烟气进入后续除尘系统，会带来一定的安全隐患[2]。如果天然气依旧通过换热室，由于天然气燃烧温度更高，“串气”现象会造成换热室损坏，同时会带来更大的安全隐患。因此，本方案采用天然气不经过换热室，改由燃烧室侧面多点送入，天然气负荷调节采用统一调节的方式。

3.3 塔体结构调整

①换热室煤气道均改为空气道。②煤气总道及燃烧室顶部的煤气分支道取消。③一层及二层空气道的位置调整，部分补炉门位置调整。

3.4 空气道与煤气道

①废除煤气道，将换热室中的空气总道与原煤气总道贯通。②废除一、二次煤气道。③各层空气道均在燃烧室南面墙体留下清扫口，以保证足够的各层空气量。

3.5 烟气余热利用

精馏塔的这种结构设计保留了原有的换热室，利用了烟气的余热，提高了炉子的热效率，促进天然气的燃烧效果。铅塔和镉塔的结构类似，均设置了换热室，换热室内为套筒砖结构。烟气流经套筒砖外，助燃空气在套筒砖内通过，烟气和助燃空气通过套筒砖进行间接预热。精馏塔炉内温度最高约1250℃，空气预热温度约700～800℃。

4 精馏塔煤改气的效果评估

4.1 生产稳定性

发生炉煤气压力不稳定，且煤气中带有大量的焦油和水，对精馏塔生产造成较大影响，无论是在生产中对炉窑方面还是在废气的处理以及煤气管网维护方面，都造成了现场操作环境差、劳动强度大。

改用天然气后，天然气热值及压力都很稳定，维护工作量少，安全性高，并大大降低现场操作的难度和强度，改善操作环境，并有利于提高产品产量和质量，降低生产成本。

4.2 经济效益评价

使用发生炉煤气，吨锌煤气单耗为2250Nm3，煤气生产含镉锌用量为1900 Nm3/t，煤气单价为0.47元/Nm3，生产一吨含镉锌的煤气成本约893元。

精馏塔煤改气后，单塔产出含镉锌29t/日，产出含镉锌2813t，消耗燃气量636692m3。则天然气改造后生产含镉锌燃气用量为226m3/t。天然气单价2.8元/m3，生产一吨含镉锌的燃气成本约632.8元。煤改气燃料成本节约30%。

5 结语

综上所述，精馏塔煤改气是较好的经济效益和社会效益。增加空气进气量，改变天然气的送气方式，调整天然气燃烧位置即可。在经过炉体改造后，天然气均能满足精馏塔燃烧室、熔化炉、精炼炉生产需要，对传统的发生炉煤气起到了很好的替代作用，技术稳定、成熟，配套设施齐全，具有一定的先进性和适用性。