生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)在氧化鋁廠“碳減排”的應(yīng)用

華志宇，楊云冬，王 斌，李福金

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明華潤燃?xì)庥邢薰?，云?昆明 650500；3.河北清新能源科技有限公司，河北 唐山 063000)

0 引 言

生物質(zhì)能是一種可充分利用、可以人為操作、可連續(xù)不斷均衡輸出能量的清潔綠色能源資源，號稱除煤炭、石油和天然氣之外的另一種重要能源，較光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的能源相比更加容易利用，尤其是氣化以后，可以單獨(dú)燃燒，也可與天然氣、焦?fàn)t煤氣等優(yōu)質(zhì)燃料耦合燃燒；如與煤粉混合燃燒，還可以提高燃煤的燃盡率。

1 概 述

生物質(zhì)能源是一個極其巨大的太陽能存儲庫，是一種理想的可再生綠色能源之一，可以說，開發(fā)利用生物質(zhì)能也就是開發(fā)利用太陽能。生物質(zhì)能因光合作用植物生長可以再生，取之不盡用之不竭。在實現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”國家目標(biāo)路途上，發(fā)展生物質(zhì)為原材料的綠色能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

我們要實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的主要目的，就是要減少溫室氣體的排放。CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的25倍，當(dāng)植物任其自由腐爛，將產(chǎn)生大量的CH4。故此，有必要將可以收集到的植物作為生物質(zhì)能的原材料，進(jìn)行綠色能源轉(zhuǎn)化。

某鋁業(yè)公司實施了2×18 105 Nm3/h 生物質(zhì)氣送氧化鋁焙燒爐耦合燃燒項目和10.8 MW燃煤生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項目，年處理當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源12.0 萬t，折標(biāo)煤5.46 萬t。每年減少燃煤產(chǎn)生的污染物排放量CO215.48 萬t、煙塵15.6 t、SO2134.16 t、氮氧化物130.2 t，因此，項目“節(jié)能減碳”效益明顯。

2 氧化鋁行業(yè)能耗分析

根據(jù)有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年有色金屬碳排放6.6 億t，其中，鋁行業(yè)碳排放4.3 億t，占有色冶金行業(yè)65 %的排放體量。

按照《氧化鋁單位產(chǎn)品能源消耗限額》的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25327—2017及山西省地方標(biāo)準(zhǔn)，見表1。在氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)，能源消耗主要在溶出工序、蒸發(fā)工序和焙燒工序等3個工序上，主要能源使用設(shè)備為熱電站的燃煤或燃?xì)忮仩t和氣化懸浮焙燒爐。

表1 氧化鋁企業(yè)單位產(chǎn)品主要工序能耗限額標(biāo)準(zhǔn)

如某鋁業(yè)公司設(shè)置了3臺220 t/h燃煤鍋爐，作為溶出工序和蒸發(fā)工序主要供熱設(shè)備；又如，某鋁業(yè)公司設(shè)置了6臺天然氣耗量為5 700 Nm3/h的焙燒爐，均為能耗大戶。

就此，針對CO2排放和能源消耗大的裝置，進(jìn)行生物質(zhì)氣耦合燃燒，以期實現(xiàn)“節(jié)能減碳”的目標(biāo)。

3 生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)應(yīng)用

3.1 生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化技術(shù)就是通過各種氣化爐可靠的把生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為可燃?xì)饽芰康募夹g(shù)。最早的、天然的轉(zhuǎn)化就是天然沼氣，后演化為人工沼氣，但沼氣化過程非常緩慢，且占地面積大、分布廣、收集困難，故此原有大量農(nóng)村沼氣目前基本棄之不用。

按照目前已有技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了經(jīng)過多方收集的生物質(zhì)原料，在密閉反應(yīng)氣化爐系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行生物質(zhì)原料干燥→熱解→燃燒→還原→生物質(zhì)氣的全過程技術(shù)利用，使生物質(zhì)原料在氣化爐內(nèi)連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)化為含CO和CH4等的可燃?xì)怏w。

3.2 生物質(zhì)氣化爐及工藝流程

3.2.1 生物質(zhì)汽化爐

氣化爐是生物質(zhì)氣化工藝中最核心的設(shè)備，該項目使用循環(huán)流化床型式的生物質(zhì)氣化爐。

氣化反應(yīng)器按照目前的分類有固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐3類，其中，流化床氣化爐包括鼓泡流化床和循環(huán)流化床氣化爐2大類。

流化床氣化爐因爐內(nèi)氣體(空氣等)和生物質(zhì)原料顆粒接觸充分，熱場均勻，傳熱強(qiáng)烈，在燃燒、氣化、催化裂解等生物質(zhì)氣形成過程中的反應(yīng)較其他爐型為激烈，故此在比較大型的生物質(zhì)氣化反應(yīng)裝置上更加適用循環(huán)流化床型式。

3.2.2 工藝系統(tǒng)

生物質(zhì)氣化工藝系統(tǒng)一般包括生物質(zhì)儲存與破碎系統(tǒng)、生物質(zhì)篩分與上料系統(tǒng)、氣化爐本體系統(tǒng)、燃?xì)饫鋮s系統(tǒng)、燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)、燃?xì)馊霠t再燃系統(tǒng)、除塵輸灰系統(tǒng)和PLC自動控制系統(tǒng)等，見圖1。

圖1 氣化工藝流程圖

3.2.3 項目氣化裝置主要參數(shù)及性能指標(biāo)

該項目氣化裝置的主要參數(shù)及性能指標(biāo)見表2。

表2 氣化裝置的主要參數(shù)及性能指標(biāo)(單臺爐)

該氣化裝置采用循環(huán)流化床氣化方式、絕熱式旋風(fēng)分離器，700 ℃燃?xì)饨禍夭糠值娘@熱采用凝結(jié)水—導(dǎo)熱油—燃?xì)鈸Q熱器回收，降溫除塵后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入焙燒爐燃燒。氣化爐采用露天布置、全鋼結(jié)構(gòu)。

氣化裝置型號：QFD-8-S型

布置方式：露天布置

氣化方式：高速循環(huán)流化床

點(diǎn)火方式：采用點(diǎn)火油(或天然氣)點(diǎn)火

3.3 焙燒爐生物質(zhì)氣耦合燃燒設(shè)計及應(yīng)用

3.3.1 耦合燃燒工藝設(shè)計

項目單臺焙燒爐天然氣耗量為5 700 Nm3/h；生物質(zhì)處理量為8 t/h的氣化爐設(shè)計產(chǎn)濕燃?xì)?8 105 Nm3/h，燃?xì)鉄嶂? 370 kcal/Nm3，可折換成天然氣量為3 100 Nm3/h(熱值8 000 kcal/h)。

按設(shè)計，當(dāng)焙燒爐在54.39 %以上工作負(fù)荷至額定負(fù)荷運(yùn)行時，需要摻燒天然氣。額定負(fù)荷時天然氣的摻燒量為2 600 Nm3/h。

該項目氣化裝置生產(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)馑椭裂趸X焙燒爐進(jìn)行耦合燃燒(生物質(zhì)燃?xì)夂吞烊粴獍幢壤紵?。

采用耦合燃燒方式時，在焙燒爐上安裝套管式燃燒器，采用天然氣和生物質(zhì)燃?xì)馔瑫r進(jìn)氣混燒的方式。該方案中天然氣既可作為點(diǎn)火燃料、摻燒燃料，又可以作為穩(wěn)燃燃料使用，使焙燒爐運(yùn)行更加靈活，更加穩(wěn)定。

3.3.2 設(shè)備技術(shù)改造

原有的焙燒爐天然氣噴嘴分2層布置，把天然氣直接噴入氧化鋁焙燒爐內(nèi)，在下層單獨(dú)布置1個天然氣點(diǎn)火燃燒器，配助燃風(fēng)+火檢+滅火保護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)場噴嘴布置見圖2。

圖2 現(xiàn)場噴嘴布置圖

噴嘴改造方案為：在現(xiàn)有的每個天然氣噴嘴外面加生物質(zhì)氣化氣噴嘴，生物質(zhì)氣化氣噴嘴按100 %燒生物質(zhì)氣化氣設(shè)計，運(yùn)行調(diào)節(jié)比為30 %～100 %，生物質(zhì)氣化氣噴嘴外徑為φ219 mm，噴嘴采用耐熱鋼制造，見圖3。

圖3 焙燒爐噴嘴改造圖

3.4 燃煤鍋爐生物質(zhì)氣耦合燃燒設(shè)計及應(yīng)用

3.4.1 燃煤鍋爐生物質(zhì)氣耦合燃燒工藝設(shè)計

燃煤生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)氣化，產(chǎn)生類如水煤氣的低熱值燃?xì)?，通過煤氣管道送入鍋爐與煤混合燃燒的技術(shù)。循環(huán)流化床氣化爐可保證生物質(zhì)原料可在氣化爐內(nèi)、在較低的溫度下迅速催化、裂解、合成為含H2、CO、CH4的燃?xì)?，?dāng)燃?xì)獾臒嶂荡笥? 200 kcal時，生物質(zhì)氣在燃煤鍋爐中就很容易燃燒。氣化爐燃?xì)獬隹跍囟纫话銥?50 ℃左右，通過冷卻器冷卻到400～450 ℃，生物質(zhì)氣進(jìn)行高溫除塵，然后通過燃?xì)飧邷丶訅猴L(fēng)機(jī)把除塵后的凈煤氣送入發(fā)電鍋爐中燃燒；在溫度大于360 ℃時下，焦油不會析出，不會敷死高溫過濾元件；這種燃燒方式可將生物質(zhì)灰與煤粉灰分離處置，減少對鍋爐的影響，鍋爐煙氣除塵系統(tǒng)僅對煤粉產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行除塵，不增加除塵系統(tǒng)負(fù)荷。

燃煤生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)通過耦合生物質(zhì)氣，將氣態(tài)燃料產(chǎn)生的熱量可充滿爐膛空間，改變煤粉在爐膛內(nèi)燃燒熱場分布不均的情況，并提高煤粉的燃燒率，提高了能量轉(zhuǎn)化效率?；诖?，氣化耦合發(fā)電技術(shù)可以適用于不同蒸發(fā)等級的燃煤發(fā)電機(jī)組，以提高鍋爐的熱效率。圖4為與燃煤鍋爐配套的循環(huán)流化床氣化爐。

圖4 與燃煤鍋爐配套的循環(huán)流化床氣化爐

3.4.2 鍋爐改造

(1)增加燃?xì)馊紵鳌Ｔ悍坼仩t燃燒室斷面呈正方形(標(biāo)準(zhǔn)燃煤鍋爐均由此布置)，四面全部采用高效水冷膜式壁，鍋爐原設(shè)計采用四角切圓的燃燒方式。

每臺煤粉鍋爐于四角切園增加配置4臺燃?xì)馊紵?，燃燒器按照煤氣溫?00 ℃、熱值1 350 kcal熱值設(shè)計，生物質(zhì)氣(凈煤氣)以400 ℃的溫度經(jīng)燃燒器進(jìn)入鍋爐和煤粉混合燃燒，燃?xì)馊紵鞯牟贾门c鍋爐的煤粉燃燒器布置相同，并布置在主燃燒區(qū)的上方，和燃盡風(fēng)的下方，助燃空氣采用鍋爐2次風(fēng)。

(2)增加燃?xì)獬煞荼O(jiān)測及控制計量系統(tǒng)。

(3)增加安全監(jiān)控及吹掃、放散系統(tǒng)。

4 生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)應(yīng)用小結(jié)

4.1 焙燒爐生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)

原單臺焙燒爐天然氣耗量為5 700 Nm3/h，在進(jìn)行生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)后，天然氣耦合燃燒耗量為2 600 Nm3/h，生物質(zhì)氣使用量18 105 Nm3/h，1 Nm3天然氣燃燒產(chǎn)生1.76 kg CO2。節(jié)約燃料費(fèi)燃料費(fèi)4 284 元/h，同時減少100×1.76=5 456 kg/h CO2排放。

故焙燒爐生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)節(jié)能減碳效果良好。

4.2 燃煤鍋爐生物質(zhì)氣耦合燃燒技術(shù)

該耦合發(fā)電項目是生物質(zhì)能氣化爐裝置采用高速循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝，可實現(xiàn)生物質(zhì)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，每小時能夠處理的生物質(zhì)為8～24 t，為國內(nèi)最大生物質(zhì)氣化裝置。與類似生物質(zhì)氣生產(chǎn)裝置相比，氣化效率和氣化強(qiáng)度都高于普通氣化爐，單位投資省。其高溫氣態(tài)焦油在鍋爐內(nèi)可完全燃燒、生物質(zhì)氣的高溫顯熱帶入鍋爐內(nèi)部得到了充分利用，除塵器捕集的飛灰，平均含炭量在均在10 %以內(nèi)，較普通燃煤鍋爐為低，機(jī)械不完全熱損失小。

5 結(jié) 語

氧化鋁行業(yè)目前屬于高耗能、CO2高排放行業(yè)，在實現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”國家目標(biāo)路途上，需要大力發(fā)展創(chuàng)新，使用例如生物質(zhì)氣的新型綠色能源和富氧燃燒技術(shù)在高能耗設(shè)備上，最終將氧化鋁行業(yè)變?yōu)榫G色產(chǎn)業(yè)。