生物質氣耦合燃燒技術在氧化鋁廠“碳減排”的應用

華志宇，楊云冬，王 斌，李福金

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明華潤燃氣有限公司，云南 昆明 650500；3.河北清新能源科技有限公司，河北 唐山 063000)

0 引 言

生物質能是一種可充分利用、可以人為操作、可連續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，較光伏發電和風力發電產生的能源相比更加容易利用，尤其是氣化以后，可以單獨燃燒，也可與天然氣、焦爐煤氣等優質燃料耦合燃燒；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，開發利用生物質能也就是開發利用太陽能。生物質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“2030碳達峰、2060碳中和”國家目標路途上，發展生物質為原材料的綠色能源轉化技術，符合國家發展戰略的要求。

我們要實現“碳達峰、碳中和”的主要目的，就是要減少溫室氣體的排放。CH4產生的溫室效應是CO2的25倍，當植物任其自由腐爛，將產生大量的CH4。故此，有必要將可以收集到的植物作為生物質能的原材料，進行綠色能源轉化。

某鋁業公司實施了2×18 105 Nm3/h 生物質氣送氧化鋁焙燒爐耦合燃燒項目和10.8 MW燃煤生物質氣化耦合發電項目，年處理當地生物質資源12.0 萬t，折標煤5.46 萬t。每年減少燃煤產生的污染物排放量CO215.48 萬t、煙塵15.6 t、SO2134.16 t、氮氧化物130.2 t，因此，項目“節能減碳”效益明顯。

2 氧化鋁行業能耗分析

根據有色金屬工業協會統計，2020年有色金屬碳排放6.6 億t，其中，鋁行業碳排放4.3 億t，占有色冶金行業65 %的排放體量。

按照《氧化鋁單位產品能源消耗限額》的國家標準GB 25327—2017及山西省地方標準，見表1。在氧化鋁生產環節，能源消耗主要在溶出工序、蒸發工序和焙燒工序等3個工序上，主要能源使用設備為熱電站的燃煤或燃氣鍋爐和氣化懸浮焙燒爐。

表1 氧化鋁企業單位產品主要工序能耗限額標準

如某鋁業公司設置了3臺220 t/h燃煤鍋爐，作為溶出工序和蒸發工序主要供熱設備；又如，某鋁業公司設置了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，進行生物質氣耦合燃燒，以期實現“節能減碳”的目標。

3 生物質氣耦合燃燒技術應用

3.1 生物質氣化技術

生物質氣化技術就是通過各種氣化爐可靠的把生物質能量轉化為可燃氣能量的技術。最早的、天然的轉化就是天然沼氣，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，故此原有大量農村沼氣目前基本棄之不用。

按照目前已有技術，已經實現了經過多方收集的生物質原料，在密閉反應氣化爐系統內進行生物質原料干燥→熱解→燃燒→還原→生物質氣的全過程技術利用，使生物質原料在氣化爐內連續不斷的轉化為含CO和CH4等的可燃氣體。

3.2 生物質氣化爐及工藝流程

3.2.1 生物質汽化爐

氣化爐是生物質氣化工藝中最核心的設備，該項目使用循環流化床型式的生物質氣化爐。

氣化反應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流化床氣化爐2大類。

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

3.2.2 工藝系統

生物質氣化工藝系統一般包括生物質儲存與破碎系統、生物質篩分與上料系統、氣化爐本體系統、燃氣冷卻系統、燃氣輸送系統、燃氣入爐再燃系統、除塵輸灰系統和PLC自動控制系統等，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及性能指標

該項目氣化裝置的主要參數及性能指標見表2。

表2 氣化裝置的主要參數及性能指標(單臺爐)

該氣化裝置采用循環流化床氣化方式、絕熱式旋風分離器，700 ℃燃氣降溫部分的顯熱采用凝結水—導熱油—燃氣換熱器回收，降溫除塵后經引風機送入焙燒爐燃燒。氣化爐采用露天布置、全鋼結構。

氣化裝置型號：QFD-8-S型

布置方式：露天布置

氣化方式：高速循環流化床

點火方式：采用點火油(或天然氣)點火

3.3 焙燒爐生物質氣耦合燃燒設計及應用

3.3.1 耦合燃燒工藝設計

項目單臺焙燒爐天然氣耗量為5 700 Nm3/h；生物質處理量為8 t/h的氣化爐設計產濕燃氣18 105 Nm3/h，燃氣熱值1 370 kcal/Nm3，可折換成天然氣量為3 100 Nm3/h(熱值8 000 kcal/h)。

按設計，當焙燒爐在54.39 %以上工作負荷至額定負荷運行時，需要摻燒天然氣。額定負荷時天然氣的摻燒量為2 600 Nm3/h。

該項目氣化裝置生產的生物質燃氣送至氧化鋁焙燒爐進行耦合燃燒(生物質燃氣和天然氣按比例燃燒)。

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燃氣同時進氣混燒的方式。該方案中天然氣既可作為點火燃料、摻燒燃料，又可以作為穩燃燃料使用，使焙燒爐運行更加靈活，更加穩定。

3.3.2 設備技術改造

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，在下層單獨布置1個天然氣點火燃燒器，配助燃風+火檢+滅火保護系統。現場噴嘴布置見圖2。

圖2 現場噴嘴布置圖

噴嘴改造方案為：在現有的每個天然氣噴嘴外面加生物質氣化氣噴嘴，生物質氣化氣噴嘴按100 %燒生物質氣化氣設計，運行調節比為30 %～100 %，生物質氣化氣噴嘴外徑為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 燃煤鍋爐生物質氣耦合燃燒設計及應用

3.4.1 燃煤鍋爐生物質氣耦合燃燒工藝設計

燃煤生物質氣化耦合發電技術是將生物質在氣化爐內氣化，產生類如水煤氣的低熱值燃氣，通過煤氣管道送入鍋爐與煤混合燃燒的技術。循環流化床氣化爐可保證生物質原料可在氣化爐內、在較低的溫度下迅速催化、裂解、合成為含H2、CO、CH4的燃氣，當燃氣的熱值大于1 200 kcal時，生物質氣在燃煤鍋爐中就很容易燃燒。氣化爐燃氣出口溫度一般為750 ℃左右，通過冷卻器冷卻到400～450 ℃，生物質氣進行高溫除塵，然后通過燃氣高溫加壓風機把除塵后的凈煤氣送入發電鍋爐中燃燒；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，鍋爐煙氣除塵系統僅對煤粉產生的粉塵進行除塵，不增加除塵系統負荷。

燃煤生物質氣化耦合發電技術通過耦合生物質氣，將氣態燃料產生的熱量可充滿爐膛空間，改變煤粉在爐膛內燃燒熱場分布不均的情況，并提高煤粉的燃燒率，提高了能量轉化效率。基于此，氣化耦合發電技術可以適用于不同蒸發等級的燃煤發電機組，以提高鍋爐的熱效率。圖4為與燃煤鍋爐配套的循環流化床氣化爐。

圖4 與燃煤鍋爐配套的循環流化床氣化爐

3.4.2 鍋爐改造

(1)增加燃氣燃燒器。原煤粉鍋爐燃燒室斷面呈正方形(標準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臺燃氣燃燒器，燃燒器按照煤氣溫度400 ℃、熱值1 350 kcal熱值設計，生物質氣(凈煤氣)以400 ℃的溫度經燃燒器進入鍋爐和煤粉混合燃燒，燃氣燃燒器的布置與鍋爐的煤粉燃燒器布置相同，并布置在主燃燒區的上方，和燃盡風的下方，助燃空氣采用鍋爐2次風。

(2)增加燃氣成份監測及控制計量系統。

(3)增加安全監控及吹掃、放散系統。

4 生物質氣耦合燃燒技術應用小結

4.1 焙燒爐生物質氣耦合燃燒技術

原單臺焙燒爐天然氣耗量為5 700 Nm3/h，在進行生物質氣耦合燃燒技術后，天然氣耦合燃燒耗量為2 600 Nm3/h，生物質氣使用量18 105 Nm3/h，1 Nm3天然氣燃燒產生1.76 kg CO2。節約燃料費燃料費4 284 元/h，同時減少100×1.76=5 456 kg/h CO2排放。

故焙燒爐生物質氣耦合燃燒技術節能減碳效果良好。

4.2 燃煤鍋爐生物質氣耦合燃燒技術

該耦合發電項目是生物質能氣化爐裝置采用高速循環流化床生物質氣化工藝，可實現生物質大規模的工業應用，每小時能夠處理的生物質為8～24 t，為國內最大生物質氣化裝置。與類似生物質氣生產裝置相比，氣化效率和氣化強度都高于普通氣化爐，單位投資省。其高溫氣態焦油在鍋爐內可完全燃燒、生物質氣的高溫顯熱帶入鍋爐內部得到了充分利用，除塵器捕集的飛灰，平均含炭量在均在10 %以內，較普通燃煤鍋爐為低，機械不完全熱損失小。

5 結 語

氧化鋁行業目前屬于高耗能、CO2高排放行業，在實現“2030碳達峰、2060碳中和”國家目標路途上，需要大力發展創新，使用例如生物質氣的新型綠色能源和富氧燃燒技術在高能耗設備上，最終將氧化鋁行業變為綠色產業。