基于豎爐直接還原的主流煤氣化工藝綜合評價

2019-03-18 16:59:41 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

基于國內煤資源條件選擇合理的煤制氣工藝是發展煤制氣-豎爐直接還原工藝的關鍵。本文在系統掌握現有煤氣化工藝特征的基礎上。
  王兆才1,2, 儲滿生3, 胡兵1,2,賀新華1,2

  1.中冶長天國際工程有限責任公司2.國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心             3.東北大學材料與冶金學院

  鑒于國內煉鐵資源條件及鋼鐵產業發展現狀,煤制氣-氣基豎爐工藝是我國發展直接還原鐵生產的前沿技術和主要方向。盡管煤制氣-豎爐直接還原煉鐵工藝是煤氣化工藝和豎爐直接還原工藝兩個成熟技術的組合,在理論上是可靠的,但豎爐直接還原對還原煤氣又有其特殊的要求[1-2]。現有成熟的幾種煤氣化工藝在煤種要求、產品還原氣品質、投資、成本、環境負荷等方面區別很大,針對我國煤資源條件,確定合理的煤氣化工藝是發展煤制氣-豎爐直接還原技術的關鍵。

  根據第三次全國煤田預測資料,除臺灣外,我國垂深2000米以內的煤炭資源總量為55697.49億t,其中已探明保有資源量達10176.45億t。從地域分布來看,我國煤炭資源呈現北多南少、西多東少的特點。從煤種分布來看,我國煤炭資源的煤類齊全,包括了從褐煤到無煙煤各種不同煤化階段的煤,但是其數量和分布極不均衡。其中,中高變質煙煤相對較少,分別占總量的27.59%、17.26%,且存在硫分高、灰分高、可選性差等缺點,導致優質煉焦用煤資源缺乏,嚴重制約了鋼鐵行業的大力發展;而作為動力燃料和生產煤氣的褐煤和低變質煙煤資源量較為豐富,共占總量的55%以上,且大多低變質煙煤的煤質極其優良,灰分低于15%,硫分小于1%,可選性也較好[3]。因此,發展以褐煤和低變質煙煤為主要原料的煤氣化工藝,為豎爐直接還原提供還原煤氣,在煤資源供應方面是可行的。

  本文在系統掌握現有煤氣化工藝特征的基礎上,結合豎爐還原工藝的需求,首先從煤資源限制、煤氣品質、生產能力、能耗及成本等多方面對四種主流煤氣化工藝進行單指標橫向對比,分析其應用于氣基豎爐直接還原的優劣勢。而后以優化理論為依據,以評分值越小越好為準則,建立綜合權重評價模型,兼顧主客觀賦權的偏好,綜合投資成本、氧耗、煤耗、冷煤氣轉化效率、煤氣中CO/H2、煤氣氧化度、煤氣中有效還原氣含量、凈熱效率、碳轉化率、單爐產能等指標對四種主流煤氣化工藝進行綜合定量評價。

  1 現有主流煤氣化工藝特征

  以煤為原料制備還原性氣體在技術上是成熟的,煤制氣技術在化肥、化工、發電等多種行業中得到了廣泛應用。目前,世界上技術成熟的煤氣化工藝主要有:固定床法(UGI,Lurgi)、流化床法(灰熔聚、Ende)、氣流床法(Texaco,Shell)等[3-10]。四種主要煤氣化工藝的各項技術指標如表1所示。  

  表1 四種主要煤氣化工藝的技術指標

  Table 1 Technical indexes of four main kinds of coal gasification process
 

指標

Lurgi

Ende

Texaco

Shell

氣化工藝

固定床

流化床

氣流床

氣流床

煤種

從褐煤到無煙煤各種弱黏結性煤

從褐煤到無煙煤各種弱黏結性煤

黏結性和流動性好的可制漿煤

全部煤種

均可

進煤系統

鎖斗間斷加入

螺旋加入

煤漿進料

氮氣輸送

入爐粒度

5-50mm

<10mm

75%<75um

90%<150um

灰分/%

無限制

<30

<20

無限制

含水/%

<20

<8

>60

<2

灰熔點/℃

>1500

>1250

<1400

<1500

氣化壓力/MPa

2-3

常壓

2.6-8.4

2-4

排渣方式

固態

固態

熔渣

液態

氣化劑

氧氣+水蒸氣

氧氣+水蒸氣

氧氣

氧氣

氧耗/(Nm3/1000Nm3)

160-270

270

400

330-360

煤耗/(kg/1000Nm3)

720

678

640

600

氣化溫度/℃

900-1100

950

1300-1400

1400-1600

碳轉化率/%

90

92

97

99

冷煤氣效率/%

>80

>75

>73

>83

凈熱效率/%

65

62

69

95

單爐產能/(t·d-1)

500

400

2000

2000

50t/a豎爐配套制氣系統投資估算/億元

3.3

2.2

9.0

11.0

干煤氣

成分

/vol%

CO

20-28

30-34

42-47

60-65

H2

38-40

32-37

30-35

22-25

CO2

21

17-20

18

3

CH4

7-12

1.2-1.5

<0.1

<0.1

N2+Ar

1.2

8.5

0.8

7.5

H2S+COS

0.7

0.9

1.1

1.3

  2 豎爐直接還原對還原煤氣的基本要求

  為了保證豎爐產品直接還原鐵的金屬化率和含硫量符合電爐煉鋼生產要求,要求煤氣中還原性氣體成分(H2+CO+CnHm)高,通常(H2+CO/H2O+CO2)應大于10,惰性成分N2含量低于5%,還原氣含硫低。

  豎爐工藝不同,要求的還原氣壓力也不同,MIDREX工藝入爐壓力為0.2-0.3 MPa,HYL工藝入爐壓力約為0.5-0.8 MPa。直接還原豎爐噸產品的一次能源消耗約為18-20 GJ,折算煤氣的消耗量為1350-1600 m3。對應于50-200×104 t/a產能豎爐,單位時間煤氣的需求量約為8-36×104 m3/h。

  3 主流煤氣化工藝單指標橫向評價

  從煤資源限制出發,Lurgi爐和Ende爐主要用于氣化具有良好熱穩定性和化學活性的高灰熔點和高灰含量的劣質褐煤、不黏煤、弱黏煤和長焰煤,Texaco爐以煤灰量低于20%,灰熔點低于1400℃,具有較好黏結性和流動性的水煤漿為原料,而Shell爐對煤種無硬性限制,只需水分低于2%便可。

  從煤氣品質角度出發,Ende和Lurgi法凈煤氣中H2/CO高于1.0,只要對煤氣進行脫碳處理后就可滿足于兩大氣基豎爐直接還原技術MIDREX法和HYL法對煤氣成分的要求,是最適合直接還原氣源選擇的方案。而Texaco與Shel法除了要對煤氣進行脫碳處理外還需對煤氣中的CO進行變換以增加還原氣中的H2含量。

  從生產能力、能耗及成本等方面來看,Lurgi爐氣化溫度、熱效率、氣化強度均較低,能耗較高,且焦油的分離以及含酚污水處理程序較為復雜。Ende爐是常壓操作,運轉穩定可靠,氣化溫度、碳轉化率和冷煤氣效率均較低,能耗較高,且飛灰量對環境污染的困擾仍有待解決。但Lurgi和Ende氣化技術設備已基本實現國產化,投資費用大幅下降,若就地取材,依賴當地煤資源,犧牲部分氣化效率,仍可取得較好的綜合經濟效益。Texaco爐氣化溫度和碳轉化率高,無需外供蒸氣,煤氣除塵系統簡單,但冷煤氣效率較低,氧耗和投資成本較高。Shell法相對先進,但系統較為復雜,過高的投資成本極大限制了它的廣泛應用。

  4 主流煤氣化工藝綜合加權評價

  以優化理論為依據,建立指標綜合權重評價模型,使對指標的賦權達到主觀與客觀的統一,進而對不同的煤氣化工藝進行綜合定量評價。

  4.1 確定標準化評價矩陣

  將所要評價的四種主要煤氣化工藝記為,評價的主要指標包括投資成本、氧耗、煤耗、冷煤氣轉化效率、煤氣中CO/H2、煤氣氧化度、煤氣中有效還原氣含量、凈熱效率、碳轉化率、單爐產能等,記為。研究對象在指標下所對應的值記為,由表1可得評價矩陣為:

……  

關鍵詞:豎爐直接還原

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