生物质能源替代熔铝炉传统燃料的应用研究

0 引 言

铝及铝合金的熔炼是铝加工企业生产中的第一道重要工序，而熔铝炉是熔铸机组的关键设备，也是主要耗能设备，在生产能耗中占很大的比例，在一些企业铸造生产中其燃料消耗达到总能耗的50%左右^[1-2]。目前，我国熔铝炉燃料的单耗指标较高，平均熔铝燃油单耗约为100kg /t?Al，工业比较发达，技术比较先进的企业中，熔铝燃油单耗可降低至为60kg/ t?Al，但和发达国家熔铝燃油单耗约50kg/ t?Al相比，仍有较大差距。同时，以化石能源为燃料的熔铝炉在使用时会产生多种污染物，包括烟尘及其所含微量有害元素污染，二氧化硫，氮氧化物，二氧化碳，一氧化碳及有机污染物气体，灰渣、重金属污染物等^[2-5]。由此可见，我国熔铝炉通过节能减排技术改造的潜力巨大。

生物质能源属于可再生能源，由于含硫量极低，可大大减少SO₂的排放，是典型的绿色低碳能源。同时，生物质比天然气、燃料油等传统化石能源单位热量成本更低，使用生物质能替代天然气、燃料油等传统能源可以有效降低企业生产成本，显著提高企业经济效益。生物质气化是把生物质转化为可燃气的技术。生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，市场前景好^[6-7]。然而，生物质气化技术的工业化应用尚处于探索阶段，成功进入商业化运行的生物质燃气熔铝炉示范工程目前国内外都没有公开报道。本文介绍了燃油熔铝炉进行生物质燃料替代的改造及运行情况，研究了改造后的实际经济效益和环保效益，并讨论了生物质气化燃烧技术应用于熔铝炉生产运行过程中遇到的主要问题及解决方案。

1 工作原理及工艺流程

本项目采用生物质空气气化技术，生物质在一定的热力学环境下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含有CO、H₂和甲CH₄等成分的可燃气体，可燃气体通过专用燃烧器进行充分燃烧，将化学能转化为热能提供给熔铝炉，以满足熔炉工艺要求。

本项目主要新增与改造的系统由原料储存、上料设备、生物质气化炉、灰渣处理装置、燃气输送、熔铝炉燃烧器、熔铝炉烟风系统及主辅设备控制系统构成。其工艺流程如图1所示：

图1 生物质燃气熔铝炉工艺流程图

原料由皮带送料机送入斗式提升机，并通过斗式提升机和螺旋给料机由上部送入气化炉，气化介质空气通过鼓风机送入气化炉风室，原料在气化炉炉排上方进行部分燃烧，在炉排上方自上而下形成干燥层、热解层、还原层和氧化层，依靠氧化层燃烧所产生热量为还原层、热解层及干燥层提供能量。通过空气的合理匹配，尽量将能量转化和保留到可燃气体中，可燃气体在引风机作用下，经旋风分离器净化除尘后送入熔铝炉燃烧器燃烧。燃烧后的热烟气通过蓄热式燃烧系统将助燃冷空气预热后排出。

在生物质气化设备维护及紧急停炉情况下，使用燃油作为备用燃料，保证熔铝炉生产工艺过程的正常进行。

2.1 原料

本气化系统以枝丫、造材截头、木块、板皮、次小薪材等农林废弃物加工而成的木片为原料，符合国家及地方以“三剩物”和次小薪材为原料生产加工的资源综合利用产品相关优惠政策^[8-10]。常用生物质的主要特性如表1所示。

表1 生物质特性

2.2 气化系统

本气化系统以中国科学院广州能源研究所自主研发的新型固定床作为气化反应器^[11]，经过对相关气化设备不断完善，已分别在工业锅炉、不锈钢退火炉、熔铝炉等场合进行试用，该生物质气化炉性能日趋稳定，处理能力不断提高，原料适应性也越来越强，可以木片、成型颗粒、棕榈壳等作为原料，单炉原料处理能力可达2t/h。每台气化炉的输出热容量约为25GJ/h，可满足2台20t熔铝炉（热负荷以12GJ/h计算）的燃气用量要求。

本气化炉可以空气、氧气、水蒸气等作为气化介质，通过改变气化介质可调节生物质燃气组分及热值。本工艺的产品生物质燃气符合《高新技术企业认定管理办法》中国家重点支持的高新技术领域中第六项“新能源及节能技术”的“生物质气化和液化技术”的产品要求，属于高新技术产品^[12]。最常用的空气气化过程所生产的生物质燃气主要组分如下：（22±2）%CO，（11.5±2）%H₂，（10±2）CO₂，（47±2）%N₂，（3.0±1）%CH₄，（0.5±0.3）%C₂H_x，以及其它等。其低位热值在5.0MJ/Nm³～6.0MJ/Nm³之间，可燃气体温度约为400℃左右，在高温引风机作用下，经除尘净化后送入燃烧系统，在熔铝炉中直接燃烧温度最高可达1250℃，可满足熔铝炉生产过程对温度的要求。

2.3 燃烧系统

空气气化所生产生物质燃气为含有少量焦油（以气态形式存在）等杂质高温低热值燃气，针对生物质燃气的特性，并结合熔铝炉原燃烧系统特性，专门开发生物质低热值燃气-燃油混烧装置，正常情况下以生物质燃气作为燃料，在紧急情况下使用燃油作为备用燃料，保证燃烧过程的稳定、高效和安全。

熔铝炉原燃烧系统中未安装废气余热利用设备，为充分利用废气所携带的热量，提高系统热效率，改造后燃烧系统中采用连续式蓄热燃烧技术，该技术可以很好的克服火焰切换式蓄热燃烧方式的缺点，在蓄热燃烧系统工作过程中，通过换向装置可以实现向燃烧器连续供应热空气，燃气的供应不需要停止，不需切换，比较合适于生物质低热值燃气的特性；同时，可以在蓄热状态下实现单个火焰的连续燃烧，火焰的强度和燃气气氛也可以调节，比较合适于熔铝炉中的燃烧。

3 熔铝炉系统改造前后运行特性

现有20t熔铝炉（卧式矩形火焰反射炉）的主要运行参数如表2所示：

表2 现有熔铝炉主要参数

现有熔铝炉生产周期在6～8h内波动，在每个生产周期中，燃烧器累计开启时间在4～5.5h范围内无序波动，为了满足熔铝炉正常生产的需要，改造后的熔铝炉运行参数如表3所示。

表3  改造后熔铝炉主要技术参数

从实际运行情况看，利用生物质固定床气化炉和蓄热式燃烧装置可以满足现有熔铝炉的工艺要求。

4.1 经济效益和环保效益

通过本项目的改造，熔铝炉使用相对廉价、清洁的生物质作为燃料，将带来显著的经济效益和环保效益。

从经济效益来看，每台20t熔铝炉年生产铝材2万吨，年消耗燃油1600吨、每吨燃油以4500元/吨计算，费用720万元，采用生物质能提供同样能源的前提下，每吨铝棒生产成本为可在原燃料成本基础上降低5～10 %，每年节约燃料费用36～72万元。对于许多大型铝材厂，每年熔铸铝材总产量通常达20万吨以上，如果全部使用生物质燃料替代现有的燃油或者天然气，企业每年节省燃料费可达1000万元以上，经济效益显著。

从环保效益来看，生物质燃气燃烧污染物排放指标（详见表4）明显优于重油，接近天然气对应指标^[13]。

表4 熔铝炉废气监测结果^*

*：表中数据不含熔铝原料中所含杂质引起的污染物

生物质燃气燃烧污染物排放达到国家及地方相关行业的环保要求^[13-16]，生物质替代煤、燃油等高污染化石能源的大幅度减少SO₂和颗粒物的排放。而且，生物质在生长过程吸收的CO₂与使用过程排放的CO₂数量上基本相等，环保效益显著。

4.2 主要问题

由于生物质能源在工业化应用和推广中尚处于初步阶段，生物质能源在替代燃油、天然气等传统化石能源作为熔铝炉燃料的技术改造和生产运营中面临着以下主要问题：

（1）熔铝炉系统现有条件限制。对现有熔铝炉进行技术改造过程需要在熔铝炉附近新建生物质气化系统和改造燃烧系统，但改造过程中，常遇到各台熔铝炉布置比较分散，周围空间不足等问题，需要熔铝炉企业协助统筹规划和安排系统改造各项工作来解决。

（2）原料供应风险。由于原料成本占生物质燃气的生产成本很大比重，原料的收购价格是影响本项目是否盈利的最关键因素。为此项目运营单位建立了行之有效的原料收购、运输和存储模式，以保证原料的持续稳定供应，由此解决了原料供应方面存在的风险。

（3）熔铝炉差异性带来的技术问题。本生物质气化技术本身较为成熟，技术风险主要存在于不同工业熔铝炉特有工艺的变化对生物质气化系统的影响。本项目技术提供单位开发了多种气化技术、燃烧技术以及配套的燃气净化输送技术和余热回收利用技术，大大提高了气化燃烧技术对熔铝炉的适用性。

（4）市场风险。熔铝炉企业原来使用的化石能源价格受市场影响波动，如果国际油价大幅度下降，生物质燃气与化石能源的性能价格比优势将会削弱，影响生物质能源的市场推广。为此，本项目采用能源管理合同的形式开展合作，有效地保证熔铝炉企业承担的风险和经济效益，最大限度地降低生物质能源推广的市场风险。

5 结论

通过对熔铝炉进行生物质燃料替代的技术改造，研究了生物质气化燃烧系统及熔铝炉的生产运行特性，讨论了生物质燃气替代熔铝炉燃料项目推广遇到的主要问题并提出了解决方案。研究表明：生物质气化燃烧技术的应用可满足熔铝炉对温度、产能等各方面要求，并可带来显著的经济和环保效益；遇到的主要问题包括熔铝炉现有条件限制、生物质原料供应风险、熔铝炉差异性带来的技术问题以及生物质能源的市场风险，合同能源管理是有效促进本项目推广的合作模式。
本文通过生物质气化燃烧系统及熔铝炉的实际运行过程和结果研究了生物质能源作为熔铝炉燃料进行技术改造后的运行特性、所取得的效益及遇到的主要问题。通过研究和分析，得出以下结论:

（1）生物质气化燃烧技术的应用可满足熔铝炉生产过程对温度、产能等各方面要求。

（2）生物质能源替代燃油、天然气等化石能源作为熔铝炉燃料，经济和环保效益显著。

（3）本项目推广的主要问题包括熔铝炉系统现有条件限制、生物质原料供应风险、熔铝炉差异性带来的技术问题以及生物质能源的市场风险，合同能源管理是有效推广本项目的合作模式。