0 引 言

鋁及鋁合金的熔煉是鋁加工企業(yè)生產(chǎn)中的第一道重要工序，而熔鋁爐是熔鑄機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，在生產(chǎn)能耗中占很大的比例，在一些企業(yè)鑄造生產(chǎn)中其燃料消耗達(dá)到總能耗的50%左右^[1-2]。目前，我國熔鋁爐燃料的單耗指標(biāo)較高，平均熔鋁燃油單耗約為100kg /t?Al，工業(yè)比較發(fā)達(dá)，技術(shù)比較先進(jìn)的企業(yè)中，熔鋁燃油單耗可降低至為60kg/ t?Al，但和發(fā)達(dá)國家熔鋁燃油單耗約50kg/ t?Al相比，仍有較大差距。同時(shí)，以化石能源為燃料的熔鋁爐在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種污染物，包括煙塵及其所含微量有害元素污染，二氧化硫，氮氧化物，二氧化碳，一氧化碳及有機(jī)污染物氣體，灰渣、重金屬污染物等^[2-5]。由此可見，我國熔鋁爐通過節(jié)能減排技術(shù)改造的潛力巨大。

生物質(zhì)能源屬于可再生能源，由于含硫量極低，可大大減少SO₂的排放，是典型的綠色低碳能源。同時(shí)，生物質(zhì)比天然氣、燃料油等傳統(tǒng)化石能源單位熱量成本更低，使用生物質(zhì)能替代天然氣、燃料油等傳統(tǒng)能源可以有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，顯著提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)氣化是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾募夹g(shù)。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)夂螅眯瘦^高，而且用途廣泛，市場前景好^[6-7]。然而，生物質(zhì)氣化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用尚處于探索階段，成功進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的生物質(zhì)燃?xì)馊垆X爐示范工程目前國內(nèi)外都沒有公開報(bào)道。本文介紹了燃油熔鋁爐進(jìn)行生物質(zhì)燃料替代的改造及運(yùn)行情況，研究了改造后的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，并討論了生物質(zhì)氣化燃燒技術(shù)應(yīng)用于熔鋁爐生產(chǎn)運(yùn)行過程中遇到的主要問題及解決方案。

1 工作原理及工藝流程

本項(xiàng)目采用生物質(zhì)空氣氣化技術(shù)，生物質(zhì)在一定的熱力學(xué)環(huán)境下，將組成生物質(zhì)的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為含有CO、H₂和甲CH₄等成分的可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w通過專用燃燒器進(jìn)行充分燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能提供給熔鋁爐，以滿足熔爐工藝要求。

本項(xiàng)目主要新增與改造的系統(tǒng)由原料儲(chǔ)存、上料設(shè)備、生物質(zhì)氣化爐、灰渣處理裝置、燃?xì)廨斔汀⑷垆X爐燃燒器、熔鋁爐煙風(fēng)系統(tǒng)及主輔設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成。其工藝流程如圖1所示：

圖1 生物質(zhì)燃?xì)馊垆X爐工藝流程圖

原料由皮帶送料機(jī)送入斗式提升機(jī)，并通過斗式提升機(jī)和螺旋給料機(jī)由上部送入氣化爐，氣化介質(zhì)空氣通過鼓風(fēng)機(jī)送入氣化爐風(fēng)室，原料在氣化爐爐排上方進(jìn)行部分燃燒，在爐排上方自上而下形成干燥層、熱解層、還原層和氧化層，依靠氧化層燃燒所產(chǎn)生熱量為還原層、熱解層及干燥層提供能量。通過空氣的合理匹配，盡量將能量轉(zhuǎn)化和保留到可燃?xì)怏w中，可燃?xì)怏w在引風(fēng)機(jī)作用下，經(jīng)旋風(fēng)分離器凈化除塵后送入熔鋁爐燃燒器燃燒。燃燒后的熱煙氣通過蓄熱式燃燒系統(tǒng)將助燃冷空氣預(yù)熱后排出。

在生物質(zhì)氣化設(shè)備維護(hù)及緊急停爐情況下，使用燃油作為備用燃料，保證熔鋁爐生產(chǎn)工藝過程的正常進(jìn)行。

2.1 原料

本氣化系統(tǒng)以枝丫、造材截頭、木塊、板皮、次小薪材等農(nóng)林廢棄物加工而成的木片為原料，符合國家及地方以“三剩物”和次小薪材為原料生產(chǎn)加工的資源綜合利用產(chǎn)品相關(guān)優(yōu)惠政策^[8-10]。常用生物質(zhì)的主要特性如表1所示。

表1 生物質(zhì)特性

2.2 氣化系統(tǒng)

本氣化系統(tǒng)以中國科學(xué)院廣州能源研究所自主研發(fā)的新型固定床作為氣化反應(yīng)器^[11]，經(jīng)過對(duì)相關(guān)氣化設(shè)備不斷完善，已分別在工業(yè)鍋爐、不銹鋼退火爐、熔鋁爐等場合進(jìn)行試用，該生物質(zhì)氣化爐性能日趨穩(wěn)定，處理能力不斷提高，原料適應(yīng)性也越來越強(qiáng)，可以木片、成型顆粒、棕櫚殼等作為原料，單爐原料處理能力可達(dá)2t/h。每臺(tái)氣化爐的輸出熱容量約為25GJ/h，可滿足2臺(tái)20t熔鋁爐（熱負(fù)荷以12GJ/h計(jì)算）的燃?xì)庥昧恳蟆?/p>

本氣化爐可以空氣、氧氣、水蒸氣等作為氣化介質(zhì)，通過改變氣化介質(zhì)可調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃?xì)饨M分及熱值。本工藝的產(chǎn)品生物質(zhì)燃?xì)夥稀陡咝录夹g(shù)企業(yè)認(rèn)定管理辦法》中國家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)領(lǐng)域中第六項(xiàng)“新能源及節(jié)能技術(shù)”的“生物質(zhì)氣化和液化技術(shù)”的產(chǎn)品要求，屬于高新技術(shù)產(chǎn)品^[12]。最常用的空氣氣化過程所生產(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)庵饕M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。其低位熱值在5.0MJ/Nm³～6.0MJ/Nm³之間，可燃?xì)怏w溫度約為400℃左右，在高溫引風(fēng)機(jī)作用下，經(jīng)除塵凈化后送入燃燒系統(tǒng)，在熔鋁爐中直接燃燒溫度最高可達(dá)1250℃，可滿足熔鋁爐生產(chǎn)過程對(duì)溫度的要求。

2.3 燃燒系統(tǒng)

空氣氣化所生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)鉃楹猩倭拷褂停ㄒ詺鈶B(tài)形式存在）等雜質(zhì)高溫低熱值燃?xì)?，針?duì)生物質(zhì)燃?xì)獾奶匦?，并結(jié)合熔鋁爐原燃燒系統(tǒng)特性，專門開發(fā)生物質(zhì)低熱值燃?xì)?燃油混燒裝置，正常情況下以生物質(zhì)燃?xì)庾鳛槿剂希诰o急情況下使用燃油作為備用燃料，保證燃燒過程的穩(wěn)定、高效和安全。

熔鋁爐原燃燒系統(tǒng)中未安裝廢氣余熱利用設(shè)備，為充分利用廢氣所攜帶的熱量，提高系統(tǒng)熱效率，改造后燃燒系統(tǒng)中采用連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)，該技術(shù)可以很好的克服火焰切換式蓄熱燃燒方式的缺點(diǎn)，在蓄熱燃燒系統(tǒng)工作過程中，通過換向裝置可以實(shí)現(xiàn)向燃燒器連續(xù)供應(yīng)熱空氣，燃?xì)獾墓?yīng)不需要停止，不需切換，比較合適于生物質(zhì)低熱值燃?xì)獾奶匦?；同時(shí)，可以在蓄熱狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)單個(gè)火焰的連續(xù)燃燒，火焰的強(qiáng)度和燃?xì)鈿夥找部梢哉{(diào)節(jié)，比較合適于熔鋁爐中的燃燒。

3 熔鋁爐系統(tǒng)改造前后運(yùn)行特性

現(xiàn)有20t熔鋁爐（臥式矩形火焰反射爐）的主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示：

表2 現(xiàn)有熔鋁爐主要參數(shù)

現(xiàn)有熔鋁爐生產(chǎn)周期在6～8h內(nèi)波動(dòng)，在每個(gè)生產(chǎn)周期中，燃燒器累計(jì)開啟時(shí)間在4～5.5h范圍內(nèi)無序波動(dòng)，為了滿足熔鋁爐正常生產(chǎn)的需要，改造后的熔鋁爐運(yùn)行參數(shù)如表3所示。

表3  改造后熔鋁爐主要技術(shù)參數(shù)

從實(shí)際運(yùn)行情況看，利用生物質(zhì)固定床氣化爐和蓄熱式燃燒裝置可以滿足現(xiàn)有熔鋁爐的工藝要求。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益

通過本項(xiàng)目的改造，熔鋁爐使用相對(duì)廉價(jià)、清潔的生物質(zhì)作為燃料，將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

從經(jīng)濟(jì)效益來看，每臺(tái)20t熔鋁爐年生產(chǎn)鋁材2萬噸，年消耗燃油1600噸、每噸燃油以4500元/噸計(jì)算，費(fèi)用720萬元，采用生物質(zhì)能提供同樣能源的前提下，每噸鋁棒生產(chǎn)成本為可在原燃料成本基礎(chǔ)上降低5～10 %，每年節(jié)約燃料費(fèi)用36～72萬元。對(duì)于許多大型鋁材廠，每年熔鑄鋁材總產(chǎn)量通常達(dá)20萬噸以上，如果全部使用生物質(zhì)燃料替代現(xiàn)有的燃油或者天然氣，企業(yè)每年節(jié)省燃料費(fèi)可達(dá)1000萬元以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

從環(huán)保效益來看，生物質(zhì)燃?xì)馊紵廴疚锱欧胖笜?biāo)（詳見表4）明顯優(yōu)于重油，接近天然氣對(duì)應(yīng)指標(biāo)^[13]。

表4 熔鋁爐廢氣監(jiān)測結(jié)果^*

*：表中數(shù)據(jù)不含熔鋁原料中所含雜質(zhì)引起的污染物

生物質(zhì)燃?xì)馊紵廴疚锱欧胚_(dá)到國家及地方相關(guān)行業(yè)的環(huán)保要求^[13-16]，生物質(zhì)替代煤、燃油等高污染化石能源的大幅度減少SO₂和顆粒物的排放。而且，生物質(zhì)在生長過程吸收的CO₂與使用過程排放的CO₂數(shù)量上基本相等，環(huán)保效益顯著。

4.2 主要問題

由于生物質(zhì)能源在工業(yè)化應(yīng)用和推廣中尚處于初步階段，生物質(zhì)能源在替代燃油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源作為熔鋁爐燃料的技術(shù)改造和生產(chǎn)運(yùn)營中面臨著以下主要問題：

（1）熔鋁爐系統(tǒng)現(xiàn)有條件限制。對(duì)現(xiàn)有熔鋁爐進(jìn)行技術(shù)改造過程需要在熔鋁爐附近新建生物質(zhì)氣化系統(tǒng)和改造燃燒系統(tǒng)，但改造過程中，常遇到各臺(tái)熔鋁爐布置比較分散，周圍空間不足等問題，需要熔鋁爐企業(yè)協(xié)助統(tǒng)籌規(guī)劃和安排系統(tǒng)改造各項(xiàng)工作來解決。

（2）原料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。由于原料成本占生物質(zhì)燃?xì)獾纳a(chǎn)成本很大比重，原料的收購價(jià)格是影響本項(xiàng)目是否盈利的最關(guān)鍵因素。為此項(xiàng)目運(yùn)營單位建立了行之有效的原料收購、運(yùn)輸和存儲(chǔ)模式，以保證原料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，由此解決了原料供應(yīng)方面存在的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）熔鋁爐差異性帶來的技術(shù)問題。本生物質(zhì)氣化技術(shù)本身較為成熟，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要存在于不同工業(yè)熔鋁爐特有工藝的變化對(duì)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的影響。本項(xiàng)目技術(shù)提供單位開發(fā)了多種氣化技術(shù)、燃燒技術(shù)以及配套的燃?xì)鈨艋斔图夹g(shù)和余熱回收利用技術(shù)，大大提高了氣化燃燒技術(shù)對(duì)熔鋁爐的適用性。

（4）市場風(fēng)險(xiǎn)。熔鋁爐企業(yè)原來使用的化石能源價(jià)格受市場影響波動(dòng)，如果國際油價(jià)大幅度下降，生物質(zhì)燃?xì)馀c化石能源的性能價(jià)格比優(yōu)勢將會(huì)削弱，影響生物質(zhì)能源的市場推廣。為此，本項(xiàng)目采用能源管理合同的形式開展合作，有效地保證熔鋁爐企業(yè)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地降低生物質(zhì)能源推廣的市場風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

通過對(duì)熔鋁爐進(jìn)行生物質(zhì)燃料替代的技術(shù)改造，研究了生物質(zhì)氣化燃燒系統(tǒng)及熔鋁爐的生產(chǎn)運(yùn)行特性，討論了生物質(zhì)燃?xì)馓娲垆X爐燃料項(xiàng)目推廣遇到的主要問題并提出了解決方案。研究表明：生物質(zhì)氣化燃燒技術(shù)的應(yīng)用可滿足熔鋁爐對(duì)溫度、產(chǎn)能等各方面要求，并可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益；遇到的主要問題包括熔鋁爐現(xiàn)有條件限制、生物質(zhì)原料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)、熔鋁爐差異性帶來的技術(shù)問題以及生物質(zhì)能源的市場風(fēng)險(xiǎn)，合同能源管理是有效促進(jìn)本項(xiàng)目推廣的合作模式。
本文通過生物質(zhì)氣化燃燒系統(tǒng)及熔鋁爐的實(shí)際運(yùn)行過程和結(jié)果研究了生物質(zhì)能源作為熔鋁爐燃料進(jìn)行技術(shù)改造后的運(yùn)行特性、所取得的效益及遇到的主要問題。通過研究和分析，得出以下結(jié)論:

（1）生物質(zhì)氣化燃燒技術(shù)的應(yīng)用可滿足熔鋁爐生產(chǎn)過程對(duì)溫度、產(chǎn)能等各方面要求。

（2）生物質(zhì)能源替代燃油、天然氣等化石能源作為熔鋁爐燃料，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。

（3）本項(xiàng)目推廣的主要問題包括熔鋁爐系統(tǒng)現(xiàn)有條件限制、生物質(zhì)原料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)、熔鋁爐差異性帶來的技術(shù)問題以及生物質(zhì)能源的市場風(fēng)險(xiǎn)，合同能源管理是有效推廣本項(xiàng)目的合作模式。