双碳目标下新型煤制气在氧化铝行业应用分析

余伟奇 ,吕 铁,陈 伟,许建良,李宝生

(1.中铝环保节能集团有限公司,北京 102209;2.中铝中央研究院环保节能研究所,北京 102209;3.华东理工大学 国家能源煤气化技术研发中心,上海 200237;4.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

我国在“富煤、少油、贫气”的能源禀赋基础上,煤炭在较长的一段时间里仍会保持主体能源的地位,且是保障我国能源安全的基石[1]。在新经济常态下,不仅要实现实体经济和制造业的高质量发展,还要深入实施双碳目标和生态文明建设等国家战略,以煤炭为燃料的行业发展面临污染排放和碳排放等环境约束的新挑战[2]。目前我国煤炭利用过程存在效率低、污染严重、碳排放高等问题。加强煤炭分质分级梯级利用,并耦合先进的煤炭清洁燃烧技术、新型煤制工业燃气技术,成为煤炭利用的发展方向,也将带动冶金、有色、玻璃、陶瓷等行业的发展,具有全局性的作用[3]。

在氧化铝行业中,焙烧工段需要采用重油、天然气、煤制工业燃气等作为燃料,而随着重油价格越来越昂贵和天然气、石油气等能源受到区域的限制,煤制工业燃气作为一种价廉的燃料被广为使用。现有氧化铝行业煤制气主要采用固定床煤制气和流化床煤制气。固定床以块煤为原料,一方面由于块煤原料价格贵,导致工业燃气成本高;另一方面,气化后的气相产物依次经过干馏、干燥温度逐步降低,使得煤气中产生大量的难处理的有机污染物,如焦油等[4-5]。流化床气化是以粒径 0～10 mm 的褐煤或烟煤为原料,在850～970℃下发生热解和部分气化[6-7],一方面由于主要发生热解反应,只适用于高挥发分的粒煤,煤种适应性窄;另一方面由于气化反应温度低与碳转化率低的原因,需要配套锅炉燃烧没有气化完全的半焦发电。

兰炭也称半焦,它是低阶煤分级分质利用转化得到的固体燃料,属于相对环保燃料的一种[8-9]。基于煤炭分级分质利用的大规模工业应用,兰炭作为原料,在电石、化肥、化工等工业行业中得到了非常广泛的应用。兰炭作为煤炭的二次燃料,具有燃烧效率高、烟气中烟尘、SO2、NOx污染物超低排放等优势,目前不但被国家发改委确定为清洁能源,而且不占用当地用煤指标。因此,在现阶段以兰炭为原料,通过气化制备燃料气是解决氧化铝行业用能的一条有效的途径。本文以氧化铝行业煤制工业燃气为对象,以兰炭为原料的不同的工业燃气制备技术进行对比分析,为双碳目标下氧化铝行业清洁燃料气制备技术的选择提供参考。

1 工业燃气制备技术

工业燃气制备技术主要指以煤等含碳物质为原料,以氧气/空气为气化剂,制备富含CO、H2和CH4的主燃料气。根据气化炉床层内反应流动特征,可以分为固定床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术。

固定床气化技术,包括常压固定床气化和加压固定床气化两种,主要有代表性的是UGI炉、鲁奇(Lurgi)炉等[10-11]。该技术是在800～1 000℃下将煤等燃料转化为工业燃气,其优点是甲烷含量高、燃气热值高;缺点是限用兰炭大料,导致燃料成本高;还会产生大量难处理的有机废水,环保压力大,属于国家明令限制和淘汰的技术[5,12]。

流化床气化技术,包括常压流化床气化和加压流化床气化,燃料可直接利用碎煤,主要代表性的是Winkler煤气化工艺、循环流化床工艺、U-Gas等[11,13-15]。国内主流的有黄台炉和科达炉等。优点是在小规模项目中,投资相对小。然而该技术的气化原料可使用高灰分的烟煤,仅能掺烧部分兰炭。另外单程碳转化率60%左右,复合碳转化率可提高到80%左右,该技术会受到当地政府的能源消耗“双控”制度的影响,在双碳目标下逐渐失去投资的优势。

气流床气化技术,包括水煤浆气化技术和粉煤气化技术,主要代表性的是GE水煤浆气化[16]、OMB水煤浆气化[17]、航天炉粉煤气化[18]、SE粉煤气化[19]。采用高温粉体的气流床气化技术,其中煤颗粒粒径一般为80微米左右,目前已经在煤化工、炼油等领域进行了大规模应用[20]。气流床气化的主要优点是碳转化率高,热值较高,可用兰炭为原料,环境友好。不同煤制工业燃气的工艺及性能参数对比见表1。

表1 不同煤制工业燃气的工艺及性能参数对比

2 氧化铝行业能源分析和需求

2021年全国氧化铝产量为7 747.5万吨,较上一年增长5.0%。根据我国氧化铝下游产业布局分析,我国氧化铝饱和产能在9 000万吨左右。氧化铝生产过程中焙烧工段的能源消耗大,因此是高能耗高碳排放工艺。有色协会预测以氧化铝为主的有色金属行业的碳达峰时间为2025年,碳中和时间为2055年。氧化铝焙烧所用燃料的能耗情况, 几种常见煤制工业燃气炉能耗对比见表2。

表2 几种常见煤制工业燃气炉能耗对比(万吨氧化铝)

根据多套生产装置的统计,吨氧化铝焙烧天然气耗量约为82 Nm3,天然气热值为35 MJ/Nm3(8 400 kcal/Nm3),则吨氧化铝所需燃料热量为2 870 MJ(688 800 kcal)。

(1)按固定床煤制气,燃料气热值为5.23 MJ/Nm3(1 250 kcal/Nm3),则以1万吨氧化铝需要551万Nm3燃料气,每年约需消耗1 670吨兰炭(按产气率为3.3 Nm3/kg);

(2)按流化床煤制气,燃料气热值为5.23 MJ/Nm3(1 250 kcal/Nm3),则以1万吨氧化铝需要551万Nm3燃料气,每年约需消耗1 878吨兰炭和煤(按产气率为2.93 Nm3/kg);

(3)按低压气流床煤制气,则以1万吨氧化铝需要265万Nm3燃料气,每年约需消耗1 380吨兰炭。与固定床相比,减少能源量约为290吨,节省约17.4%的能源用量。减少851吨CO2排放量(含碳量按80%计算)。同理,比常压循环流化床工艺每年减少能源量约为498吨,节省约26.9%的能源用量;减少1 462吨CO2排放量(含碳量按80%计算)。

氧化铝行业固定床煤气炉需实现替代,如按2021年数据的10%计,氧化铝产量为775万吨,采用低压气流床每年可节省能源量约为22.5万吨,则对应每年减少66.1万吨CO2排放量(含碳量按80%计算)。

3 气流床煤制气工艺及应用案例

为了说明低压气流床煤制气在氧化铝行业的竞争性及经济性,以山东某氧化铝产业园为对象进行案例设计。该企业共采用40多台直径为Φ3 m的固定床煤气炉,单炉产气6 500 Nm3/h。由于现有煤气发生炉存在能效低、含酚有机废水难于处理等环保问题,已勒令淘汰及工艺替换;一方面天然气价格高企、冬季时常供应不足影响生产,另一方面存在政策的减煤压力。因此,寻求经济效益更好,不受减煤政策限制的“新型煤制工业燃气技术”是当前和今后长期发展的迫切需要。

本案例可采用低压气流床技术的11 亿Nm3/年(热值2 600 kcal/Nm3)煤气来实现替代。以兰炭末制气为主的创新思路,采用“三开互备”配套的方案进行工艺流程与经济分析,以期实现节能减排的目标。

3.1 低压气流床技术方案

3.1.1 气化工艺流程介绍

低压气流床高效工业燃气制备技术主要由气流床粉煤气化单元(制气系统主厂房)、空分制氧制氮单元、原料储运系统和燃气脱硫系统等组成。其工艺流程如图1所示。

图1 低压气流床气化工艺流程示意图

气流床粉煤气化单元采用低压气流床粉煤气化技术:原料煤在粉煤制备系统中经过干燥和研磨,制成合格煤粉后送入粉煤给料系统,在粉煤给料系统中通过气力输送向气化炉供料。来自空分制氧制氮单元的氮气作为粉煤制备系统干燥气和粉煤给料系统的输送气。来自空分制氧制氮单元的富氧空气作为气化介质,和粉煤给料系统来的煤粉一同通过工艺烧嘴进入粉煤气化系统气化生成粗煤气。粗煤气先进入冷却净化系统,经过余热锅炉降温并同时副产低压过热蒸汽,然后进入布袋除尘器进行收尘处理,处理后的煤气经过煤气冷却塔进一步降温净化后送入余压发电系统进行余压发电,从余压发电系统出来的煤气进入脱硫系统,经脱硫系统处理合格的工业燃料煤气通过管网输送到用户使用。空分制氧制氮单元采用空气冷冻分离法技术:空气冷冻分离法制氧的原理就是将空气液化,利用氧和氮的沸点不同进行分离。空气经过加压、降温及膨胀,使空气变为液体,液态的空气再通过精馏的方法,把氮气和氧气分开。这种工艺是目前比较成熟且普遍采用的制纯氧技术,但对操作人员的素质要求比较高,一般适用于大于10 000 Nm3/h的大型制氧需求。

原料储运系统按满足煤制气工程3×39 000 Nm3/h低压气流床富氧气化所需煤量进行设计。贮煤场总面积为5 000 m2,可贮存煤制气工程约7天的用煤量。

燃气脱硫系统采用PDS湿法直接氧化法脱硫工艺:直接氧化法采用碱性溶液为吸收剂,并加入载氧体起催化作用,将硫化氢吸收,并最终氧化成元素硫。直接氧化法湿法脱硫系统由吸收系统和再生系统两部分组成,吸收的目的在于用吸收剂将煤气中所含的硫化氢尽可能脱除,使脱硫后的煤气符合用户的要求;再生的目的在于使吸收了硫化氢的吸收液再生复原,并回收其中的硫。

3.1.2 原料分析

从表3来分析兰炭末原料主要指标的工业分析结果,兰炭生产以低温干馏为主,干馏温度一般在600℃左右;而一般焦炭产生以高温干馏为主,干馏温度通常需要达到1 000℃左右。因此,兰炭相比焦炭,具有比电阻高、化学活性高、含灰份低、硫低等优点。图2为1 300℃下不同煤种CO2气化反应碳转化率与时间的关系,兰炭末与神华煤、内蒙煤的化学反应活性分析,可以看出兰炭活性与烟煤活性基本相当[21]。

图2 1300℃下不同煤种CO2气化反应碳转化率与时间的关系

表3 兰炭末原料主要指标的工业分析结果

3.1.3 气化装置配置及性能指标

项目采用3台Φ3 400 mm兰炭低压气流床气化炉,运作中兼顾投资和稳定性,因此采用三开互备,具备良好的稳定性与年运行在线率。项目总燃气产热量:3.32×108kcal/h(100%负荷),主要参数及性能指标见表4。

表4 单台炉气化装置的主要参数及性能指标

结合氧化铝行业兰炭制气工艺要求,低压气流床煤气化技术具有如下优势:

(1)碳转化率高(可达98%以上),燃气热值高;

(2)环保性能优良,无有机废水,粗渣为玻璃体形态,无污染;

(3)副产高品质蒸汽。

3.2 经济分析

项目成本费用估算采用生产成本加期间费用法估算。生产成本包括直接材料费、直接燃料和动力费、直接工资及福利费、制造费用。期间费用包括管理费用、财务费用和营业费用。

3.2.1 单位成本分析

成本分析见表5。

表5 低压气流床单位制气成本

3.2.2 静态投资回收期

由于本项目属于环保节能技改项目,可以参照节能项目的财务分析方法采用静态投资回收期的计算进行经济性评价。通过对新旧系统的比较发现,系统总的运行费用差异主要在原料消耗上,其他费用差异并不突出,因此可以用原料差异简单明了地比对估算出本项目的投资回收期。

结合上文表2和表5,通过总热量折算产能为110 000万/ 265 = 415万吨,依据低压气流床技术比常压固定床技术每万吨氧化铝减少兰炭消耗量约为290吨/年,兰炭末的平均单价按1 200元/吨,新系统原料每年节省的成本约为415×290×1 200 = 14 442万元,本项目总投资为5.76亿元,本项目静态投资回收期为:57 600 / (415×290×1 200) =3.99年。

3.2.3 其他收益

总规模415万吨,按低压气流床技术比常压固定床技术每万吨氧化铝减少兰炭消耗量约为290吨/年,若含碳量按80%计算,则每年可减少35.3万吨CO2排放量。因此,该技术在氧化铝行业应用是一种低能耗,环境友好的工业燃气技术。

4 结 语

在新形势下,节能减排是“碳达峰”手段,能源替代是“碳中和”途径,技术升级是双碳目标实现的关键[22]。本文采用低压气流床高效工业燃气制备技术以清洁原料兰炭末制气为主的创新思路,将可实现氧化铝行业的节能减排的目标,促进行业绿色低碳可持续发展。所涉及的低压气流床高效气化技术,具有投资收益综合性较优,环境效益和经济效益好等优势。不仅解决了固定床煤气炉能效低、难处理的有机废水等环保问题,而且为生产企业降低当地政策的减煤压力,减弱面临搬迁或者减产的风险。

本技术于2020年7月已被中铝集团公司列为绿色技术,是中铝环保节能集团有限公司的一项“杀手锏”技术,将助推氧化铝生产企业的绿色低碳发展,符合环保节能领域服务于主业的高质量发展的需求。新型煤制工业燃气技术将是一种发展方向,带动有色、冶金、玻璃、陶瓷等行业的发展,具有全局性的作用。