循環流化床雙床氣化技術在輕燒鎂行業的應用

翟建楠

（中科清能燃氣技術（北京）有限公司，北京 100190）

將菱鎂礦、水鎂石和由海水或鹵水中提取的氫氧化鎂經800℃～1000℃左右煅燒，使其分解排出CO2或H2O，即得到輕燒鎂粉，也稱輕燒氧化鎂、苛性氧化鎂或輕燒鎂。輕燒鎂被廣泛用于于建材、化工、冶金、醫藥等多個領域，是生產防火板、輕質隔墻板、硫酸鎂、造紙、除硫工藝、鋼廠護爐濺渣等的理想材料。

輕燒鎂生產必須使用氣體燃料，一直以來，輕燒窯一直使用單段爐制氣，單段爐雖然投資少，但能耗高，必須使用塊煤，嚴重浪費能源，2011年產業結構調整指導目錄已將單段式煤氣發生爐項目列為淘汰類。2015年，部分廠家按環保部門的要求將單段爐改成了兩段爐，雖然兩段爐比單段爐稍節能，但焦油和酚水，特別是酚水治理的高昂費用問題又再次嚴重困擾著海城輕燒鎂企業。

以天然氣為燃料，可以滿足輕燒鎂煅燒的要求，但由于我國 “缺油、少氣、富煤”的特點，天然氣供應不足，且冬季價格飛漲，大大降低了企業的利潤水平。

2019年7月1日，生態環境部、發改委、工信部、財政部四部門聯合下發的《工業爐窯大氣污染綜合治理方案》，再次明確要加大煤氣發生爐淘汰力度。2020年年底前，重點區域淘汰爐膛直徑3米以下燃料類煤氣發生爐；集中使用煤氣發生爐的工業園區，暫不具備改用天然氣條件的，原則上應建設統一的“清潔煤制氣中心”。

通過對一些輕燒鎂企業的實地調研，得知輕燒鎂生產對煤氣的要求是潔凈、10KPa壓力、熱值不低于1250kal/Nm3。結合我公司循環流化床氣化技術的優勢，采用循環流化床雙床氣化工藝為輕燒鎂廠家提供燃料。

1 氣化技術選擇

1.1 循環流化床氣化技術優勢

中科院工程熱物理研究所研究開發的循環流化床氣化技術，具有以下優勢：

（1）煤氣不含焦油，生產過程無酚水產生，環保性能好；

（2）氣化爐為常壓空氣氣化，安全可靠 ，無安全隱患；

（3）氣化爐是空間氣化，易于實現大型化，單爐產量20～80kNm3/h;

（4）采用DCS完成各工藝系統的檢測和控制，更安全、更經濟；

（5）節省脫硝費用：清潔煤氣因燃燒溫度低，燃燒后的NOX排放量為1500mg/Nm3，而天然氣NOX排放量是3000mg/Nm3，故使用煤制氣比使用天然氣更節約脫硝費用。

1.2 采用循環流化床雙床氣化爐，為輕燒鎂煅燒提供冷凈煤氣

循環流化床氣化有單床、雙床，可做熱荒煤氣或冷、凈煤氣。

由于，循環流化床雙床煤氣熱值比單床提高10%、氣化效率提高2%，所以我們首選雙床；

煤氣若不除塵，塵含量約40～50g/Nm3,此塵經煤氣帶入爐窯會降低MgO的品位，工藝上不允許，所以只能選擇凈煤氣；

從環保角度考慮，在煤氣側脫硫，則窯后不用考慮脫硫問題，煤氣脫硫比煙氣脫硫更經濟。所以，最后的方案是采用循環流化床雙床氣化爐，煤氣經降溫、除塵、脫硫，加壓后通過管網輸送至輕燒鎂爐窯。

表1 氣化爐設計指標

表2 混合干煤氣組成

圖1 煤氣化工藝流程框圖

表3 工藝系統及主體設備

根據用戶煤氣量需求，單臺氣化爐產氣量40000Nm3/h，共設計2臺循環流化床雙床氣化爐。氣化爐設計指標見表1，煤氣成分見表2。

1.3 雙床氣化工藝流程

將原煤破碎成8mm以下粒度，再由螺旋給煤機從熱解爐加入，與大量的高溫物料混合并被快速加熱，發生高溫熱解反應。釋放出的揮發分經熱解爐與氣化爐的連通管進入到氣化爐上部成為煤氣一部分，熱解半焦通過熱解爐返料器，進入到氣化爐爐膛底部，并與底部通入的600℃高溫預熱空氣發生燃燒和氣化反應，產生的高溫煤氣將固體物料輸運至氣化爐頂部；部分的固體顆粒參與爐膛內循環，煤氣和較細固體物料混合物經過旋風分離器氣固分離后，固體物料通過氣化爐返料器進入熱解爐，加熱原煤，從而形成固體物料循環。煤氣經過空氣預熱器降溫到700℃左右（同時產生600℃的高溫預熱空氣，用作氣化劑）；然后再經余熱鍋爐等繼續降溫到230℃左右同時產生1.0MPa的飽和蒸汽，184℃的飽和蒸汽。蒸汽一部分用作氣化劑，其余使用柔性熱源管理系統綜合利用。煤氣經旋風除塵器除塵后進入省煤器降溫至180℃，再進入布袋除塵器，出來的煤氣經冷卻器降溫至～40℃后，進脫硫塔脫除H2S，脫硫后的煤氣經加壓機升壓外送。

氣化爐底產生的渣經冷渣機冷卻至≤100℃后，由皮帶機經斗提輸送至渣倉。由旋風除塵器、布袋除塵器收集的灰通過倉泵氣力輸送至灰倉。

2 工藝系統及主體設備簡述

（1）循環流化床氣化爐

爐膛采用絕熱結構，由防磨耐火材料層、保溫層和鋼殼組成。耐火材料要求有合適的錨固和支撐結構，保證耐火材料自身重量橫向和縱向分配合理。氣化爐上下等徑，氣化爐爐膛布置有DN500檢修孔，供維修清理爐膛用，采用風帽布風，爐膛底部設有渣管。

氣化爐爐膛布置螺旋給煤機給煤，煤通過落煤管進入爐膛，落煤管頂部布置播煤風。

循環流化床氣化爐系統采用床下點火啟動。進風道并行布置一臺點火燃燒器，燃料為柴油，柴油流量可調節，調節過程中保證燃燒器穩定燃燒，不出現回火、脫火現象。

（2）熱解爐

由耐磨耐火材料和鋼板外殼構成，由上返料器返料至熱解爐中下部，下部與下返料器相連，上部通過連通管與氣化爐相連，熱解爐工作溫度800℃，爐膛采用絕熱結構，由防磨耐火材料層、保溫層和鋼殼組成。耐火材料要求有合適的錨固和支撐結構，保證耐火材料自身重量橫向和縱向分配合理。

熱解爐布置兩組螺旋給煤機給煤，給煤口位于熱解爐的中部。

（3）旋風分離器

循環流化床煤氣化爐用旋風分離器作為高溫煤氣與高溫半焦的分離裝置，旋風分離器出口接空氣預熱器。旋風分離器采用切向入口和中心筒偏心設計。旋風分離器筒體內壁面及入口內壁面均敷設高溫耐磨耐火材料，入口銜接處及錐段連接處過渡光滑無臺階。耐火材料要求有合適的錨固和支撐結構，保證耐火材料自身重量橫向和縱向分配合理。

（4）上、下返料器

上、下返料器由耐磨耐火材料和鋼板外殼構成。返料器采用風管和風帽布風。風管采用穿墻雙層套管設計，以便于清理和檢修。冷態啟動時采用空氣作為返料風，正常運行后由蒸汽進行返料。

3 結論

循環流化床煤氣化是國家兩部委推薦的工業領域煤炭清潔高效利用技術，既環保又節能，非常適合菱鎂行業，可以徹底解決菱鎂行業酚水污染、安全等問題。

本項目所產的工業燃氣為清潔燃料具有以下優勢：

（1）干煤氣熱值與輕燒窯所用的單段爐或兩段爐的煤氣熱值相近，完全適用于輕燒鎂煅燒工藝。

（2）燃燒尾氣無須脫硫即可達標排放。

（3）工業燃氣供氣穩定，不受季節影響，有利于用氣單位平穩生產。

（4）工業燃氣與天然氣相比具有明顯價格優勢，氣價是天然氣價格的80%左右。

循環流化床氣化技術已在氧化鋁、鎳、銅等有色金屬行業成熟運用，相信在輕燒鎂行業也將一定會得到成功應用。希望本文能夠為廣大從事煤氣化爐設計、菱鎂行業及相關行業人員提供一定的參考，并通過我們共同的努力把煤制清潔工業燃氣推廣到更多領域，實現環保與經濟雙贏的目標。