煤氣余熱循環利用的創新實踐與探討

黃炳釬(廣西華銀鋁業有限公司熱電動力廠，廣西 白色 533700)

0 引言

廣西華銀鋁業有限公司熱電動力廠煤氣站現有30臺Д型(φ3.0BG—Q型)煤氣發生爐，生產的混合發生爐煤氣(165 km3/h)作為熱源供應氫氧化鋁焙燒爐使用。

1 現狀及問題

我站為冷煤氣工藝設計，煤氣發生爐出口的高溫煤氣經雙豎管、洗滌塔兩級循環冷卻水洗滌除塵、降溫，煤氣溫度由550 ℃降到45 ℃以下，再經電捕焦油器進一步除塵除焦凈化，由煤氣排送機加壓送往煤氣脫硫工序脫除H2S氣體后，輸送到焙燒爐使用。該工藝存在的以下幾點不足：

(1)高溫煤氣顯熱沒有得到回收利用，造成能源浪費。正常生產中，煤氣發生爐出口的煤氣溫度在350～550 ℃范圍，高溫煤氣需要經過循環水洗滌除塵，溫度降到約45 ℃，大量的煤氣顯熱被循環冷卻水帶走，熱能沒有得到充分利用，存在能源浪費環節。同時，經過洗滌后的循環水(3 400 m3/h)需經鼓風式冷卻塔冷卻降溫后再循環使用，額外增加電耗。

(2)發生爐氣化效率偏低。由于我站使用傳統的煤氣化工藝技術，發生爐爐型及生產工藝基本決定了氣化效率水平。因此，一定的生產條件下，煤氣熱值進一步提升的空間有限，影響煤氣的經濟技術指標。表1為我廠2018—2020年主要技術指標統計表。

表1中，發生爐煤氣的熱值約為5.4～5.5 MJ/Nm3，氣化效率約83%。分析認為，在以無煙煤為氣化原料的煤氣生產工藝，煤氣爐在正常生產負荷下(入爐空氣量3 500～4 000 m3/h)，入爐空氣溫度在62～65 ℃范圍，產出的煤氣熱值基本保持在5.5 MJ/Nm3左右，發生爐氣化效率難以更高突破。因此，如何有效地促進氣化反應，進一步提高煤氣熱值成為我站面臨的生產瓶頸問題。

表1 主要技術指標統計表

2 實踐與探討

為進一步提高煤氣站運行經濟性，我們提出利用煤氣余熱合理促進氣化效率的技術路線，并進行了深入的技術探討與生產實踐。在一定原料條件及生產負荷下，發生爐的氣化溫度對氣化效率起著決定性影響，是煤氣熱值的一項關鍵過程控制指標。因為在溫度相對較低條件下，煤炭的燃燒化學反應速度較慢，其反應速率受化學反應控制；而在高溫條件下，化學反應速度較快，氣體的擴散速度相對較慢，煤炭的化學反應速率受氣體的擴散速度控制[1]。因此，提高入爐氣化劑預熱溫度，能夠提高并穩定氣化層溫度，促進氣化反應更趨完全。為此，多年來我們進行了多項對比實驗。

(1)以外來蒸汽為熱源，提高入爐氣化劑(空氣+ 蒸汽)溫度。該實驗主要是通過利用鍋爐外來的0.6 MPa低壓蒸汽加熱入爐空氣，將氣化劑溫度加熱到95 ℃以上，再入爐進行氣化反應。根據生產實驗，產出的煤氣熱值平均達到5.79 MJ/Nm3，增幅約5%～6%，熱值波動小且效果穩定。圖1為煤氣熱值統計圖。

圖1 煤氣熱值曲線圖

根據該生產實驗，利用外來蒸汽加熱入爐空氣，將飽和空氣提高到一定溫度后再入爐進行氣化反應，可以明顯提高煤氣熱值，但由于是以外來蒸汽作為熱源，投入產出比低，技術可行但不經濟，不值得推廣運用。

(2)利用高溫煤氣余熱為熱源，提高入爐氣化劑溫度。根據前述的生產實驗效果，據此提出利用高溫煤氣顯熱來加熱入爐空氣，提高入爐氣化劑溫度的實驗，以實現循環利用煤氣余熱的同時，達到促進氣化效率、提高煤氣熱值的目的。

但因受原有煤氣生產工藝流程及場地空間限制，行業內通常使用的余熱回收設備(如廢熱鍋爐等)無法滿足現場安裝條件，為此我們在原生產流程上進行優化改進，并對換熱設備結構做了創新設計，在滿足換熱工藝要求的同時，有效避免了傳統換熱設備存在的容易堵塞、換熱效率難以持續保障等缺點，并極大地降低運行安全風險。圖2所示為利用煤氣余熱加熱入爐空氣的流程示意圖。

圖2 余熱回收流程示意圖

該流程中，軟化水在煤氣-水換熱裝置與高溫煤氣換熱后，產生一定壓力、溫度的汽水混合物進入空氣-水換熱器，將空氣溫度預熱到95～110 ℃后入爐進行氣化反應產生煤氣；而換熱降溫后的軟水回到煤氣-水換熱裝置與高溫煤氣再換熱升溫，實現煤氣余熱的循環綜合利用，這是我們采用的工藝與傳統的換熱方法的最大不同點及技術創新點。根據生產實驗，產出的煤氣熱值平均達5.71 MJ/Nm3，氣化效率約87.5%，發生爐的氣化效果明顯提升。

3 效果及分析

根據前述的兩種生產實驗對比，我們認為利用煤氣余熱加熱入爐氣化劑溫度的技術方案相對經濟可靠、布局合理，同時極大降低了煤氣生產因此可能存在的安全風險。該方法取得以下效果。

3.1 技術指標方面

(1)煤氣熱值得到合理提高。由于入爐飽和空氣溫升達75～80 ℃，為促進發生爐氣化反應[2]，提高氣化效率創造關鍵條件，煤氣熱值平均值為5.71 MJ/Nm3，比其他爐高約5%，因此提高氣化效率87.5%，增幅4.7%，實驗取得明顯效果。圖3為煤氣熱值統計圖。

圖3 煤氣熱值統計圖

(2)進一步降低灰渣含碳量。利用煤氣顯熱預熱入爐飽和空氣，促進發生爐氣化反應更趨完全，發生爐灰渣含碳量平均18.1%，比其他爐的20.5%低約2%，這說明氣化效率提高后所帶來的促進作用。圖4為灰渣含碳量對比圖。

圖4 灰渣含碳量指標對比

(3)優化煤氣無煙煤單耗指標。據測算，煤氣熱值提高5%，相當每臺爐增加煤氣量約300 m3/h,則在煤氣生產總負荷相同的條件下，全站可以少開1.5臺爐，按每臺爐每天耗煤32 t計算，則每天可以少用48 t煤，可降低煤氣無煙煤耗：48 000/3 900=12.3 kg/km3，降本效果明顯。

3.2 經濟指標分析

如上所述，如全站每天少用48 t煤，則年節約無煙煤48 t/d×330 d/a=15 840 t，節約原料采購成本1 900萬元，經濟效益顯著。

3.3 社會效益

按年節約無煙煤15 840 t，折合減少二氧化碳氣體排放約3萬噸，社會效益明顯。

4 結語

煤氣余熱的創新利用，一定程度上能有效地促進發生爐氣化反應更趨完全，各項主要經濟技術指標得到合理優化和提高，這主要歸根于我們對余熱回收技術方案進行優化設計，對換熱設備進行結構創新帶來的良好結果。生產實驗表明，該余熱回收系統具有工藝合理，設備結構簡單，不易堵塞，換熱效果穩定的特點。

煤氣余熱的充分利用、循環利用，利企利國，為我們企業探索踐行綠色低碳新發展模式提供研究方向。我們相信，在今后的推廣運用中，經不斷地探索創新和優化管理，煤氣各項經濟技術指標仍將有一定的提升和優化空間。