生物质气耦合燃烧技术在氧化铝厂“碳减排”的应用

2021-11-03华志宇杨云冬李福金

有色金属设计 2021年3期

华志宇，杨云冬，王斌，李福金

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051；2.昆明华润燃气有限公司，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

生物质能是一种可充分利用、可以人为操作、可连续不断均衡输出能量的清洁绿色能源资源，号称除煤炭、石油和天然气之外的另一种重要能源，较光伏发电和风力发电产生的能源相比更加容易利用，尤其是气化以后，可以单独燃烧，也可与天然气、焦炉煤气等优质燃料耦合燃烧；如与煤粉混合燃烧，还可以提高燃煤的燃尽率。

1 概述

生物质能源是一个极其巨大的太阳能存储库，是一种理想的可再生绿色能源之一，可以说，开发利用生物质能也就是开发利用太阳能。生物质能因光合作用植物生长可以再生，取之不尽用之不竭。在实现“2030碳达峰、2060碳中和”国家目标路途上，发展生物质为原材料的绿色能源转化技术，符合国家发展战略的要求。

我们要实现“碳达峰、碳中和”的主要目的，就是要减少温室气体的排放。CH4产生的温室效应是CO2的25倍，当植物任其自由腐烂，将产生大量的CH4。故此，有必要将可以收集到的植物作为生物质能的原材料，进行绿色能源转化。

某铝业公司实施了2×18 105 Nm3/h 生物质气送氧化铝焙烧炉耦合燃烧项目和10.8 MW燃煤生物质气化耦合发电项目，年处理当地生物质资源12.0 万t，折标煤5.46 万t。每年减少燃煤产生的污染物排放量CO215.48 万t、烟尘15.6 t、SO2134.16 t、氮氧化物130.2 t，因此，项目“节能减碳”效益明显。

2 氧化铝行业能耗分析

根据有色金属工业协会统计，2020年有色金属碳排放6.6 亿t，其中，铝行业碳排放4.3 亿t，占有色冶金行业65 %的排放体量。

按照《氧化铝单位产品能源消耗限额》的国家标准GB 25327—2017及山西省地方标准，见表1。在氧化铝生产环节，能源消耗主要在溶出工序、蒸发工序和焙烧工序等3个工序上，主要能源使用设备为热电站的燃煤或燃气锅炉和气化悬浮焙烧炉。

表1 氧化铝企业单位产品主要工序能耗限额标准

如某铝业公司设置了3台220 t/h燃煤锅炉，作为溶出工序和蒸发工序主要供热设备；又如，某铝业公司设置了6台天然气耗量为5 700 Nm3/h的焙烧炉，均为能耗大户。

就此，针对CO2排放和能源消耗大的装置，进行生物质气耦合燃烧，以期实现“节能减碳”的目标。

3 生物质气耦合燃烧技术应用

3.1 生物质气化技术

生物质气化技术就是通过各种气化炉可靠的把生物质能量转化为可燃气能量的技术。最早的、天然的转化就是天然沼气，后演化为人工沼气，但沼气化过程非常缓慢，且占地面积大、分布广、收集困难，故此原有大量农村沼气目前基本弃之不用。

按照目前已有技术，已经实现了经过多方收集的生物质原料，在密闭反应气化炉系统内进行生物质原料干燥→热解→燃烧→还原→生物质气的全过程技术利用，使生物质原料在气化炉内连续不断的转化为含CO和CH4等的可燃气体。

3.2 生物质气化炉及工艺流程

3.2.1 生物质汽化炉

气化炉是生物质气化工艺中最核心的设备，该项目使用循环流化床型式的生物质气化炉。

气化反应器按照目前的分类有固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉3类，其中，流化床气化炉包括鼓泡流化床和循环流化床气化炉2大类。

流化床气化炉因炉内气体(空气等)和生物质原料颗粒接触充分，热场均匀，传热强烈，在燃烧、气化、催化裂解等生物质气形成过程中的反应较其他炉型为激烈，故此在比较大型的生物质气化反应装置上更加适用循环流化床型式。

3.2.2 工艺系统

生物质气化工艺系统一般包括生物质储存与破碎系统、生物质筛分与上料系统、气化炉本体系统、燃气冷却系统、燃气输送系统、燃气入炉再燃系统、除尘输灰系统和PLC自动控制系统等，见图1。

图1 气化工艺流程图

3.2.3 项目气化装置主要参数及性能指标

该项目气化装置的主要参数及性能指标见表2。

表2 气化装置的主要参数及性能指标(单台炉)

该气化装置采用循环流化床气化方式、绝热式旋风分离器，700 ℃燃气降温部分的显热采用凝结水—导热油—燃气换热器回收，降温除尘后经引风机送入焙烧炉燃烧。气化炉采用露天布置、全钢结构。

气化装置型号：QFD-8-S型

布置方式：露天布置

气化方式：高速循环流化床

点火方式：采用点火油(或天然气)点火

3.3 焙烧炉生物质气耦合燃烧设计及应用

3.3.1 耦合燃烧工艺设计

项目单台焙烧炉天然气耗量为5 700 Nm3/h；生物质处理量为8 t/h的气化炉设计产湿燃气18 105 Nm3/h，燃气热值1 370 kcal/Nm3，可折换成天然气量为3 100 Nm3/h(热值8 000 kcal/h)。

按设计，当焙烧炉在54.39 %以上工作负荷至额定负荷运行时，需要掺烧天然气。额定负荷时天然气的掺烧量为2 600 Nm3/h。

该项目气化装置生产的生物质燃气送至氧化铝焙烧炉进行耦合燃烧(生物质燃气和天然气按比例燃烧)。

采用耦合燃烧方式时，在焙烧炉上安装套管式燃烧器，采用天然气和生物质燃气同时进气混烧的方式。该方案中天然气既可作为点火燃料、掺烧燃料，又可以作为稳燃燃料使用，使焙烧炉运行更加灵活，更加稳定。

3.3.2 设备技术改造

原有的焙烧炉天然气喷嘴分2层布置，把天然气直接喷入氧化铝焙烧炉内，在下层单独布置1个天然气点火燃烧器，配助燃风+火检+灭火保护系统。现场喷嘴布置见图2。

图2 现场喷嘴布置图

喷嘴改造方案为：在现有的每个天然气喷嘴外面加生物质气化气喷嘴，生物质气化气喷嘴按100 %烧生物质气化气设计，运行调节比为30 %～100 %，生物质气化气喷嘴外径为φ219 mm，喷嘴采用耐热钢制造，见图3。

图3 焙烧炉喷嘴改造图

3.4 燃煤锅炉生物质气耦合燃烧设计及应用

3.4.1 燃煤锅炉生物质气耦合燃烧工艺设计

燃煤生物质气化耦合发电技术是将生物质在气化炉内气化，产生类如水煤气的低热值燃气，通过煤气管道送入锅炉与煤混合燃烧的技术。循环流化床气化炉可保证生物质原料可在气化炉内、在较低的温度下迅速催化、裂解、合成为含H2、CO、CH4的燃气，当燃气的热值大于1 200 kcal时，生物质气在燃煤锅炉中就很容易燃烧。气化炉燃气出口温度一般为750 ℃左右，通过冷却器冷却到400～450 ℃，生物质气进行高温除尘，然后通过燃气高温加压风机把除尘后的净煤气送入发电锅炉中燃烧；在温度大于360 ℃时下，焦油不会析出，不会敷死高温过滤元件；这种燃烧方式可将生物质灰与煤粉灰分离处置，减少对锅炉的影响，锅炉烟气除尘系统仅对煤粉产生的粉尘进行除尘，不增加除尘系统负荷。

燃煤生物质气化耦合发电技术通过耦合生物质气，将气态燃料产生的热量可充满炉膛空间，改变煤粉在炉膛内燃烧热场分布不均的情况，并提高煤粉的燃烧率，提高了能量转化效率。基于此，气化耦合发电技术可以适用于不同蒸发等级的燃煤发电机组，以提高锅炉的热效率。图4为与燃煤锅炉配套的循环流化床气化炉。

图4 与燃煤锅炉配套的循环流化床气化炉

3.4.2 锅炉改造

(1)增加燃气燃烧器。原煤粉锅炉燃烧室断面呈正方形(标准燃煤锅炉均由此布置)，四面全部采用高效水冷膜式壁，锅炉原设计采用四角切圆的燃烧方式。

每台煤粉锅炉于四角切园增加配置4台燃气燃烧器，燃烧器按照煤气温度400 ℃、热值1 350 kcal热值设计，生物质气(净煤气)以400 ℃的温度经燃烧器进入锅炉和煤粉混合燃烧，燃气燃烧器的布置与锅炉的煤粉燃烧器布置相同，并布置在主燃烧区的上方，和燃尽风的下方，助燃空气采用锅炉2次风。

(2)增加燃气成份监测及控制计量系统。

(3)增加安全监控及吹扫、放散系统。

4 生物质气耦合燃烧技术应用小结

4.1 焙烧炉生物质气耦合燃烧技术

原单台焙烧炉天然气耗量为5 700 Nm3/h，在进行生物质气耦合燃烧技术后，天然气耦合燃烧耗量为2 600 Nm3/h，生物质气使用量18 105 Nm3/h，1 Nm3天然气燃烧产生1.76 kg CO2。节约燃料费燃料费4 284 元/h，同时减少100×1.76=5 456 kg/h CO2排放。

故焙烧炉生物质气耦合燃烧技术节能减碳效果良好。

4.2 燃煤锅炉生物质气耦合燃烧技术

该耦合发电项目是生物质能气化炉装置采用高速循环流化床生物质气化工艺，可实现生物质大规模的工业应用，每小时能够处理的生物质为8～24 t，为国内最大生物质气化装置。与类似生物质气生产装置相比，气化效率和气化强度都高于普通气化炉，单位投资省。其高温气态焦油在锅炉内可完全燃烧、生物质气的高温显热带入锅炉内部得到了充分利用，除尘器捕集的飞灰，平均含炭量在均在10 %以内，较普通燃煤锅炉为低，机械不完全热损失小。