一种熔铝炉专用生物质气化燃烧系统及工艺的制作方法

1.本发明属于生物质气化技术领域，具体涉及一种熔铝炉专用生物质气化燃烧系统及工艺。


背景技术：

2.目前，大多熔铝炉采用天然气做燃料。天然气热值高、环保性好，获得了广泛应用；但是天然气存在价格昂贵，燃烧温度过高等缺点，极易造成熔铝炉运行成本居高不下。此外，采用天然气燃料，由于其热值较高导致极易发生燃烧温度过高，氮氧化物排放量过高，铝液烧损率高，炉顶容易坍塌等问题，亟待解决。解决这个问题的比较好的一种办法就是采用生物质燃气，可利用生物质气化炉把生物质废料气化变为生物质燃气，其价格远低于天然气，可有效降低熔铝炉的运行成本。此外生物质气由于热值较低，其氮氧化物生成量比较少，炉膛温度也相对较低(熔化铝材的温度是足够的)，不会发生大量的铝液烧损及炉顶坍塌现象。因此如何把生物质气化技术成功地应用于熔铝炉上，已经成为一个亟待解决的问题。此外，大多数生物质气化炉采用冷空气作为气化剂，气化率低、成本高。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的不足，本发明提供一种熔铝炉专用生物质气化燃烧系统及工艺，其采用熔铝炉的余热产生热空气作气化炉的气化剂，极大地提高了气化效率，并提高了整个系统的能源综合利用效率。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，其包括：生物质气化炉、熔铝炉和余热回收器，
6.所述生物质气化炉设有进料口、第一进气口、第二进气口和出气口，所述进料口用于投入生物质废料；
7.所述熔铝炉具有：两燃烧器、第一排气口和第二排气口，两所述燃烧器的燃烧口朝所述熔铝炉内腔交叉设置，第一排气口连通有第一换热器，第二排气口连通有第二换热器；所述出气口通过第一管道连接至两所述燃烧器，所述第一管道上设有所述第一换热器，其中，所述第一换热器用于将所述生物质气化炉产生的第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气；
8.所述第二换热器通过第二管道连接至两所述燃烧器，所述第二管道上设有喷射器，所述余热回收器通过第三管道给所述喷射器输送烟气，所述第二换热器用于将供给的第一温度的空气加热为第二温度的空气，其中，所述喷射器用于将烟气和第二温度的空气混合形成设定含氧量的空气，其中，所述设定含氧量的空气的温度低于第二温度的空气；
9.所述第二换热器通过第四管道连接至所述第二进气口，所述第四管道用于给所述生物质气化炉提供第二温度的空气；
10.所述第一换热器和所述第二换热器连接至余热回收器，所述余热回收器连接有余
热锅炉，所述余热锅炉通过第五管道连接至所述第一进气口，所述第五管道用于给所述生物质气化炉提供水蒸气；
11.所述第二温度的空气、所述水蒸气和所述生物质废料混合反应形成所述第一热值的生物质气。
12.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，进一步地，所述出气口与所述燃烧器之间设有二氧化碳吸附塔，所述二氧化碳吸附塔上设有脱附风机，在所述脱附风机的作用下，所述二氧化碳吸附塔将所述第一热值的生物质气中的二氧化碳回收至生物质气化炉。
13.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，进一步地，所述燃烧器的燃烧口下倾角度0
°
至15
°
。
14.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，进一步地，所述第一换热器和所述第二换热器连接至余热回收器的管道上设有风机，所述第二换热器上还设有罗茨风机，所述罗茨风机用于引入第一温度的空气。
15.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，进一步地，所述第二管道上设有阀门，所述第四管道上设有阀门；所述余热锅炉连接有烟囱和水泵。。
16.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，进一步地，所述余热锅炉连接有烟囱和水泵。
17.一种熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，用于如上所述的燃烧系统，所述燃烧工艺包括：
18.将生物质废料、水蒸气和空气混合反应生成第一热值的生物质气；
19.将供给的第一温度的空气加热为第二温度的空气；
20.将生物质气化炉产生的第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气，其中，去除所述第一热值的生物质气的二氧化碳；
21.将烟气和第二温度的空气混合形成设定含氧量的空气，其中，设定含氧量的空气的温度低于第二温度的空气；
22.设定含氧量的空气与第二热值的生物质气混合作为熔铝炉的燃料。
23.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，进一步地，其特征在于，熔铝炉燃烧生成的烟气用于将第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气，以及将供给的第一温度的空气加热为第二温度的空气。
24.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，进一步地，所述设定含氧量的空气的氧含量比例为15％-18％。
25.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，进一步地，第二温度的空气、水蒸气和生物质废料混合反应形成第一热值的生物质气；
26.其中，反应至少包括：
27.c co2＝2co
28.c h2o＝co h2
29.第一热值的生物质气中的氢气含量比例为8％-12％，所述二氧化碳至少部分回收自第一热值的生物质气。
30.如上所述的熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，进一步地，熔铝炉燃烧生成的烟气
经过余热锅炉产生水蒸汽，其中，水蒸气的温度范围为100-120摄氏度，第二温度的空气温度范围为500-800摄氏度。
31.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
32.1、本发明采用800度热空气做气化剂，气化效率高。
33.2、本发明采用120度水蒸气进行生物质气化，燃气中氢气含量高，热值高。
34.3、本发明采用余热回收技术和烟气再循环技术，生物质燃气预热温度高，助燃空气预热温度高而氧含量低，可以在炉膛中形成高温低氧环境，在保证燃烧温度的情况下，氮氧化物排放量极大降低。
35.4、本发明采用本方案可以用生物质燃气替代天然气，运行成本降低，氮氧化物生成量较少，同时不会发生大量的铝液烧损及炉顶坍塌现象。
36.5、本发明采用喷射器(利用抽吸引射原理)将烟气和高温热空气均匀混合，无需风机。解决了高温风机不耐热的问题。
37.6、本发明熔铝炉的燃烧器采用对角布置，可有效延长生物质燃气在炉膛内的停留时间，进一步提高了熔铝炉的能源利用效率。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明实施例的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统的结构示意图；
40.图2为本发明实施例的生物质气化炉内化学反应的原理图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.实施例：
43.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为
了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.参见图1、图2，图1为本发明实施例的熔铝炉专用生物质气化燃烧系统的结构示意图；图2为本发明实施例的生物质气化炉内化学反应的原理图。
48.一种熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，其包括：生物质气化炉、熔铝炉和余热回收器，所述生物质气化炉设有进料口、第一进气口、第二进气口和出气口，所述进料口用于投入生物质废料；所述熔铝炉具有：两燃烧器、第一排气口和第二排气口，两所述燃烧器的燃烧口朝所述熔铝炉内腔交叉设置，第一排气口连通有第一换热器，第二排气口连通有第二换热器；所述出气口通过第一管道连接至两所述燃烧器，所述第一管道上设有所述第一换热器，其中，所述第一换热器用于将所述生物质气化炉产生的第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气；所述第二换热器通过第二管道连接至两所述燃烧器，所述第二管道上设有喷射器，所述余热回收器通过第三管道给所述喷射器输送烟气，所述第二换热器用于将供给的第一温度的空气加热为第二温度的空气，其中，所述喷射器用于将烟气和第二温度的空气混合形成设定含氧量的空气，其中，所述设定含氧量的空气的温度低于第二温度的空气；所述第二换热器通过第四管道连接至所述第二进气口，所述第四管道用于给所述生物质气化炉提供第二温度的空气；所述第一换热器和所述第二换热器连接至余热回收器，所述余热回收器连接有余热锅炉，所述余热锅炉通过第五管道连接至所述第一进气口，所述第五管道用于给所述生物质气化炉提供水蒸气；所述第二温度的空气、所述水蒸气和所述生物质废料混合反应形成所述第一热值的生物质气。
49.本实施例中，生物质气化炉由上部进入生物质废料，下部进入120摄氏度水蒸气和800摄氏度高温空气，气化效率极大提高。所产生的低热值生物质气由气化炉上部抽出进入熔炉后部的换热器变成600度以上的生物质燃气再进入布置在熔铝炉角部的燃烧器。熔铝炉排出的1000度左右的高温烟气。一部分通过换热器将生物质燃气加热到600度，一部分通过换热器将助燃空气加热到800度，充分回收熔铝炉的余热。800摄氏度的热空气一部分去气化炉做气化剂，另外一部分和260摄氏度的低温烟气混合形成700摄氏度的含氧量18％左右的低氧热空气，再进入燃烧器和600摄氏度的生物质燃气一起喷入熔铝炉中燃烧，有效解决了生物质燃气热值低，燃烧温度低的难题。能够在熔炉中，形成高温低氧的燃烧环境，既保证了铝液的熔化率，又降低了氮氧化物排放量，同时减少铝液的烧损量，也避免了炉顶的坍塌现象。
50.此外，经过换热器的烟气温度已经下降到260度左右，为进一步利用余热在尾部加装了余热锅炉。产生120度的蒸汽供气化炉使用，有效提高了生物质燃气中氢气的含量，进一步提高了生物质燃气的热值。同时烟气降低到120度左右再通过烟囱排放，有效地降低了熔铝炉的燃料消耗量，提高了熔铝炉的能源利用效率。
51.需要说明的是，生物质燃气的热值不足以满足熔铝炉的生产要求，生物质燃气的热值一般只有天然气的1/7，本发明利用熔铝炉产生的烟气加热生物质燃气，使用生物质燃气做燃料的同时降低氮氧化物的排放量，使熔铝炉排放的氮氧化物符合国家环保标准。
52.因此，针对该技术背景，本发明的技术构思如下：
53.本发明首先利用“熔铝炉”排出的烟气余热，将生物质燃气加热到600℃以上，在很大程度上弥补了生物质燃气热值不高的缺陷；其次，本发明利用熔铝炉的烟气余热产生了800℃以上的热空气，并和熔铝炉排出的低温烟气相混合，形成温度为700℃、含氧量为18％的高温低氧的助燃空气。其较高的助燃空气温度进一步弥补了生物质燃气热值不高的缺陷，使生物质燃气可以彻底替代天然气，在熔铝炉上成功应用，确保熔铝炉的产量保持不变。
54.最后需要指出的是，目前生物质气化炉的效率普遍偏低，其主要原因是没有高温空气做气化剂。如果要产生高温空气，需要消耗大量的燃料。而熔铝炉恰恰具有高温余热排放的特点。利用熔铝炉排出的余热产生800℃的高温空气供气化炉使用，可以极大的提高气化炉的气化效率。根据现场测试数据，此时气化效率可以达到78％，而普通生物质气化炉的气化效率只有60％左右。而利用熔铝炉的余热产生800℃的热空气，完全不需要消耗额外的燃料，所以生物质气化炉的经济性大为提高。本发明充分用熔铝炉的高温余热以及生物质气化炉的气化功能(将生物质固体废料变为生物质燃气)，实现提高生物质燃气的热值来替代天然气，降低熔铝炉的氮氧化物排放量以达到国家环保标准，同时极大提高生物质气化炉的效率等多重目的。
55.进一步地，本发明还将熔铝炉的余热充分利用在生物质气化炉的气化生产上，以提高生物质气化炉的气化效率和生物质燃气的热值。
56.具体的，熔铝炉能排出1000℃左右的高温烟气，通过热交换器可以产生800℃的高温热空气。换热后生成的260摄氏度左右低温烟气，还可以通过热交换产生120度的蒸汽，形成能源梯级利用。而将高温空气和蒸汽供给生物质气化炉正好能满足其气化要求，不但可以提高其气化效率，而且由于掺入了水蒸气做气化剂，还可以使生物质燃气中的氢气成分大为增加，整体热值提高10％以上。
57.进一步地，本发明的两所述燃烧器采用了高速射流的方式工作，具体的，助燃空气温度的大幅度提高可以导致其体积急剧膨胀，从而有效提高助燃空气喷入熔铝炉炉膛内的速度，形成高速燃烧的火焰射流。此高速射流可以卷吸炉膛内大量的高温烟气，形成高温低氧的弥散燃烧环境，有效消除了局部高温区的存在。该燃烧方式也称为柔和燃烧，可以使火焰体积成倍增加、火焰温度场分布更加均匀、从而降低炉膛内局部温度以及形成局部还原性气氛，使炉内平均温度分布更加均匀，局部最高温度明显降低，进一步降低了氮氧化物的排放量。需要指出的是，本发明中燃烧器安排在熔铝炉的两个角部形成交叉射流方式；虽然射流速度较高，但是在炉膛内的行进路径较长，所以停留时间几乎不变，可以确保熔铝炉的熔化效率。此外，本发明的喷射器采用喷射抽吸的原理，将800摄氏度的热空气和260摄氏度
的烟气混合成700摄氏度、含氧量为18％的高温低氧热空气，从而消除了采用热风机进行抽气输送，因热空气温度太高造成热风机叶片容易损坏的弊端。
58.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述出气口与所述燃烧器之间设有二氧化碳吸附塔，所述二氧化碳吸附塔上设有脱附风机，在所述脱附风机的作用下，所述二氧化碳吸附塔将所述第一热值的生物质气中的二氧化碳回收至生物质气化炉。本实施例中，当生物质燃气通过二氧化碳吸附塔时，利用吸附剂将二氧化碳捕捉下来。这样流出二氧化碳吸附塔的生物质燃气就不含有二氧化碳或含有极低的二氧化碳，生物质燃气的热值显著提高。利用脱附风机将捕捉下来的二氧化碳送回生物质气化炉的还原层，在生物质气化炉的还原层中，二氧化碳和生物质原料发生如下反应：c co2＝2co。由于生物质气化炉具备高温气化反应所需要的高温环境，因此上述反应可以顺利进行。不但生物质气化炉产气量可以显著增加，而且可以实现二氧化碳循环利用，实现生物质气化炉的碳零排放。
59.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述燃烧器的燃烧口下倾角度0
°
至15
°
。本实施例中，燃烧器的燃烧口下倾角度较低时，燃烧器的燃烧口喷出的火焰离铝液面比较近，致使加快固体铝熔化速度。
60.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第一换热器和所述第二换热器连接至余热回收器的管道上设有风机，所述第二换热器上还设有罗茨风机，所述罗茨风机用于引入第一温度的空气。
61.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第二管道上设有阀门，所述第四管道上设有阀门。
62.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述余热锅炉连接有烟囱和水泵。
63.一种熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺，用于如上所述的燃烧系统，所述燃烧工艺包括：
64.将生物质废料、水蒸气和空气混合反应生成第一热值的生物质气；
65.将生物质气化炉产生的第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气，其中，去除所述第一热值的生物质气的二氧化碳；
66.将烟气和第二温度的空气混合形成设定含氧量的空气，其中，设定含氧量的空气的温度低于第二温度的空气；
67.设定含氧量的空气与第二热值的生物质气混合作为熔铝炉的燃料；
68.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，熔铝炉燃烧生成的烟气用于将第一热值的生物质气加热成第二热值的生物质气，以及将供给的第一温度的空气加热为第二温度的空气。
69.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述设定含氧量的空气的氧含量比例为15％-18％。本实施例中，本发明采用温度为700℃含氧量为18％的高温低氧的助燃空气来助燃还可以有效的降低“熔铝炉”的氮氧化物排放量。因为气体燃烧过程中氮氧化物的生成是由空气中氮在高温条件下氧化而成，其生成量取决于温度和氧含量，因此熔铝炉内高温空气燃烧产生的“局部高温区”是生成大量nox的主要原因。而消除“局部高温区”的有效措施是采用烟气再循环技术降低助燃空气的含氧量。模拟结果表明，当助燃空气中的氧含量为21％时，熔铝炉氮氧化物排放量为4000
×
10-6
；当空气中氧含量下降至15％时，氮氧化物排放量可以减少到520
×
10-6
。所以，适当降低空气中的氧含量，形成高温低氧燃烧环
境，可以有效地抑制氮氧化物的产生和排放。采用烟气再循环技术可以降低助燃空气的含氧量，从而降低炉膛内局部温度以及形成局部还原性气氛，使炉内平均温度分布更加均匀，局部最高温度明显降低，形成高温低氧的燃烧环境，进而有效抑制排放量的生成。需要指出的是，烟气再循环技术会导致助燃空气中的氧含量大幅度降低，此时助燃空气必须具有足够的预热温度才能确保燃烧稳定(因此本发明中将助燃空气温度加热到700℃)。所以提高助燃空气加热温度和降低助燃空气的氧浓度(通过烟气再循环实现)是实现氮氧化物低排放的必要条件，而且预热空气温度和相对应的氧气浓度有一个较佳值。根据以往的现场经验来看，当助燃空气为700℃时，其含氧量为18％效果较好。此外，利用吸附剂将生物质燃气的二氧化碳捕捉下来，生物质燃气就不含有二氧化碳或含有极低的二氧化碳，生物质燃气的热值显著提高。
70.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，第二温度的空气、水蒸气和生物质废料混合反应形成第一热值的生物质气。本实施例中，当生物质气化炉采用冷空气气化时，还原层主要发生以下反应：
71.c co2＝2co
72.当生物质气化炉采用本发明提出的800摄氏度热空气和120摄氏度水蒸气气化时，由于热量充足，会发生以下反应：
73.c co2＝2co
74.c h2o＝co h275.因此生物质燃气中氢气含量达到10％左右，生物质燃气的热值大为提高。同时，利用脱附风机将捕捉下来的二氧化碳送回生物质气化炉的还原层，在生物质气化炉的还原层中，二氧化碳和生物质原料发生如下反应：c co2＝2co。由于生物质气化炉具备高温气化反应所需要的高温环境，因此上述反应可以顺利进行。不但生物质气化炉产气量可以显著增加，而且可以实现二氧化碳循环利用，实现生物质气化炉的碳零排放。
76.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，熔铝炉燃烧生成的烟气经过余热锅炉产生水蒸汽。
77.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，水蒸气的温度范围为100-120摄氏度，热空气温度范围为500-800摄氏度。本实施例中，生物质气化炉的热空气一般为500-800摄氏度。低于500摄氏度，氢气生成量不多；高于800摄氏度，气化炉内容易发生结焦现象。此外，一般采用100-120摄氏度的水蒸气进行气化，超过100摄氏度水就会气化为水蒸气，过高的温度对水蒸气携带的热量没有多大影响，没有意义。因此，水蒸气温度取120摄氏度即可，主要目的为确保水能够完全变为水蒸气。
78.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
79.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的
普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。