引言目前，因天然气热值高、燃烧产物环境友好，大部分熔铝炉采用天然气做燃料。但是天然气价格昂贵，造成熔铝炉运行成本较高；因天然气热值高，控制不好时易导致燃烧温度过高、氮氧化物排放量大、铝液烧损率高、炉顶有坍塌风险等问题[1-2]。采用生物质燃气代替天然气燃烧加热是解决熔铝炉运行问题的有效途径之一，因此研究如何将生物质气化燃烧技术成功地应用于熔铝炉、实现熔铝炉和生物质气化炉高效组合具有重要意义。研发设计熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，以提高综合能源利用效率，降低氮氧化物排放量和熔铝炉运行成本。1现有熔铝炉和生物质气化炉存在的问题熔铝炉排放的烟气温度高达1 000 ℃，给环境造成热污染，浪费大量的余热资源，但是传统的熔铝炉工艺缺少有效利用此部分余热的途径或设备。目前，大多数生物质气化炉采用冷空气作为气化剂，导致气化炉气化率低、运行成本高。如果采用高温空气做气化剂，能够极大地提高气化效率，但加热空气需要消耗大量的额外燃料，无法降低综合运行成本。而熔铝炉具有高温余热排放的特点，利用熔铝炉排出的余热产生800 ℃左右的高温空气供气化炉使用，可以极大地提高气化炉的气化效率；同时因完全不需要消耗额外的燃料，生物质气化炉的经济性提高。研究设计熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，充分利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），产生较高热值的生物质燃气，以替代天然气供熔铝炉燃烧，在极大地提升生物质气化炉综合能效的同时，降低熔铝炉的氮氧化物排放量和热污染。2生物质气化燃烧系统的结构设计熔铝炉专用生物质气化燃烧系统结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.020.F001图1熔铝炉专用生物质气化燃烧系统结构系统由生物质气化炉、熔铝炉、余热回收系统（包括余热回收器、余热锅炉和相关管道系统）以及二氧化碳吸附塔组成。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，其中进料口用于投入生物质固体废料。熔铝炉设有两个燃烧器、第一排气口和第二排气口。两个燃烧器的燃烧口朝向熔铝炉内腔交叉设置，第一排气口连通第一换热器，第二排气口连通第二换热器。第一换热器、第二换热器放热后的熔铝炉烟气通过风机输送至余热回收器。生物质气化炉出气口通过第一管道连接至两燃烧器给熔铝炉供应生物质气体燃料，第一管道上依次设置二氧化碳吸附塔和第一换热器；其中二氧化碳吸附塔用于将生物质气化炉产生的生物质气提纯（吸附二氧化碳），从而提高燃料热值，脱附风机将二氧化碳吸附塔吸附的二氧化碳脱附后送至生物质气化炉参与还原反应；第一换热器用于将熔铝炉排放烟气加热生物质气，进一步提高生物质气热值。罗茨风机通过第二管道将助燃空气输送至两燃烧器与生物质气混合燃烧，第二管道上依次设置第二换热器和喷射器；其中第二换热器用于将风机吸入的冷空气加热至高温热空气，充分利用熔铝炉排放的烟气余热；喷射器用于将部分放热后的烟气和高温热空气混合形成设定含氧量的助燃风，放热后的烟气从余热回收器通过第三管道引至喷射器，混合后的助燃风温度略低于混合前的热空气温度。第二换热器加热后的高温热空气除了给熔铝炉提供助燃空气外，还通过第四管道连接至生物质气化炉第二进气口，用于给生物质气化炉供应高温热空气。余热回收器连接余热锅炉，将第一换热器、第二换热器放热后的熔铝炉烟气通过余热锅炉进一步释放余热，将水泵输入的冷水加热产生水蒸气，并通过第五管道连接至生物质气化炉第一进气口，用于给生物质气化炉提供水蒸气，提高生物质气化炉产气效率。在生物质气化炉中，高温热空气、水蒸气和生物质固体废料混合，经过一系列反应形成生物质气。生物质气化炉内化学反应原理如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.020.F002图2生物质气化炉内化学反应原理3生物质气化燃烧系统的工艺熔铝炉专用生物质气化燃烧工艺包括：在生物质气化炉中将生物质固体废料、水蒸气和热空气混合反应生成低热值的生物质燃气；吸附去除生物质气中的二氧化碳，并利用熔铝炉烟气余热加热生物质气，将其转换为高热值的生物质气；熔铝炉烟气余热将冷空气加热成高温热空气，分别供熔铝炉助燃和生物质气化炉气化使用，进一步生产水蒸气作为生物质气化炉气化剂；将部分放热后的烟气和高温热空气混合形成设定含氧量的助燃风，设定含氧量的助燃风温度略低于高温热空气；设定含氧量的助燃风与高热值的生物质气混合作为熔铝炉的燃料燃烧。生物质气化炉从上部输入生物质废料，下部输入120 ℃水蒸气和800 ℃高温空气，气化效率远高于普通气化炉。生物质气化炉产生的低热值生物质气由气化炉上部抽出，进入第一换热器吸收熔铝炉烟气余热后变成600 ℃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1 000 ℃左右的高温烟气，一部分通过第一换热器将生物质燃气加热至600 ℃；另一部分通过第二换热器将助燃空气加热到800 ℃，充分回收熔铝炉的余热。800 ℃的热空气一部分去气化炉做气化剂，另外一部分和260 ℃的低温烟气混合形成700 ℃的含氧量18%左右的低氧助燃风，再进入燃烧器和600 ℃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。熔铝炉中形成高温低氧的燃烧环境，在保证铝液熔化率的前提下，降低了氮氧化物的排放量，减少了铝液的烧损量，避免炉顶坍塌。经过换热器的烟气温度已经降至260 ℃左右，为了进一步利用余热，在换热器后加装余热锅炉，可以产生120 ℃的蒸汽供生物质气化炉使用，实现能源梯级利用。将上述高温空气和蒸汽供给生物质气化炉，能够满足其气化要求，提高气化效率，由于掺入了水蒸气作为气化剂，使生物质燃气中的氢气成分增加，生物质燃气热值可以提高10%以上。同时烟气温度降至120 ℃左右再通过烟囱排放，有效地降低了热污染；能源梯级利用进一步减少了熔铝炉的燃料消耗量，提高了熔铝炉的能源利用效率。一般生物质燃气的热值仅为天然气的1/7，不足以满足熔铝炉的生产要求。设计首先利用熔铝炉排出的烟气余热，将生物质燃气加热至600 ℃以上，很大程度上弥补了生物质燃气热值不高的缺陷；其次，利用熔铝炉的烟气余热产生了800 ℃以上的热空气，并和经换热器放热后的260 ℃低温烟气混合，形成700 ℃、含氧量18%的高温低氧助燃风。较高的助燃风温度进一步弥补了生物质燃气热值不高的缺陷，使生物质燃气在确保熔铝炉产量不变的前提下可以彻底替代天然气在熔铝炉上成功应用。利用熔铝炉排出的烟气余热产生800 ℃的高温空气和120 ℃的蒸汽供气化炉使用，可以大大提高气化炉的气化效率。根据现场测试数据，气化效率可达78%，而普通生物质气化炉气化效率只有60%左右。利用熔铝炉的烟气余热产生热空气和蒸汽，完全不需要消耗额外的燃料，所以生物质气化炉的经济性极大地提高。设计的两个燃烧器采用高速射流的方式工作，助燃风温度的大幅度提高可以导致其体积急剧膨胀，有效提高助燃风喷入熔铝炉炉膛的速度，形成高速燃烧的火焰射流。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现象。该燃烧方式也被称为柔和燃烧，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[3]。燃烧器安装在熔铝炉的两个角部形成交叉射流方式；射流速度较高，但在炉膛内的行进路径较长，因此停留时间几乎不变，可以确保熔铝炉的熔化效率。两个燃烧器的燃烧口下倾角度为0°~15°。燃烧口下倾角度较低时，燃烧口喷出的火焰离铝液面比较近，可以加快固体铝熔化速度。助燃风温度太高，易造成输送风机叶片损坏，本设计采用喷射器代替风机送风，即利用喷射抽吸的原理，将800 ℃的热空气和260 ℃的烟气混合为700 ℃、含氧量18%的高温低氧热风，送至燃烧器。一般设定含氧量助燃风的氧含量比例为15%~18%。本设计采用700 ℃、含氧量18%的高温低氧的助燃风助燃，可以有效降低熔铝炉的氮氧化物排放量。气体燃烧过程中，氮氧化物的生成由助燃风的氮在高温条件下氧化而成，其生成量取决于温度和氧含量，因此熔铝炉内高温燃烧产生的“局部高温区”是生成大量氮氧化物的主要原因。消除“局部高温区”的有效措施之一是采用烟气再循环技术降低助燃空气的含氧量。助燃风的氧含量为21%时，熔铝炉氮氧化物的排放量为4×10-3；氧含量下降至15%时，氮氧化物的排放量可以减少到5.2×10-4。因此适当降低助燃风的氧含量，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风的含氧量，降低炉膛内局部温度以及形成局部还原性气氛，使炉内温度分布更均匀，局部最高温度明显降低，形成高温低氧的燃烧环境，进而有效抑制氮氧化物的生成[4-5]。利用烟气再循环技术会导致助燃风的氧含量大幅度降低，但助燃风必须具有足够的温度才能确保燃烧稳定，因此本设计将助燃风加热到700 ℃。提高助燃风温度和降低氧浓度是实现氮氧化物低排放的必要条件，而且助燃风温度和氧气浓度具有较佳匹配值。根据现场测试数据，助燃风温为700 ℃时，含氧量为18%效果较好。生物质气化炉采用冷空气气化时，还原层主要发生反应（1）；本设计中生物质气化炉采用800 ℃热空气和120 ℃水蒸气气化时，由于热量充足，会发生反应（1）和反应（2）[6-7]。C+CO2=2CO（1）C+H2O=CO+H2 （2）生成的生物质燃气中氢气含量达10%左右，生物质气热值极大地提高。输入生物质气化炉的热空气温度范围一般为500~800 ℃；低于500 ℃时，氢气生成量不多；高于800 ℃时，气化炉内容易发生结焦现象；为了充分利用熔铝炉烟气余热，本设计采用的热空气温度为800 ℃。输入生物质气化炉进行气化的水蒸气温度范围一般为100~120 ℃，超过100 ℃时水气化为水蒸气，过高的温度对水蒸气携带热量几乎无影响（水蒸气潜热远大于显热），因此水蒸气温度超过120 ℃无意义。本设计中水蒸气温度取120 ℃，可以确保冷水能够完全变为水蒸气。生物质气化炉出气口与两个燃烧器之间的管道上设有二氧化碳吸附塔，吸附塔上设有脱附风机，其将吸附塔吸附的生物质燃气中二氧化碳成分脱附、回收至生物质气化炉。生物质燃气通过二氧化碳吸附塔时，利用吸附剂捕捉二氧化碳，流出二氧化碳吸附塔的生物质燃气不含二氧化碳或二氧化碳含量很低，生物质燃气的热值显著提高。利用脱附风机将捕捉的二氧化碳送回生物质气化炉的还原层，还原层中，二氧化碳和生物质原料发生反应(C+CO2=2CO)。生物质气化炉具备高温气化反应所需的高温环境，上述反应可以顺利进行，生物质气化炉的产气量显著增加，可以实现二氧化碳循环利用和生物质气化炉的零碳排放。4生物质气化燃烧系统的优点及效果与现有技术相比，生物质气化燃烧系统的优点和效果如下：（1）生物质气化炉采用800 ℃热空气做气化剂，气化效率高。（2）生物质气化炉采用120 ℃水蒸气进行生物质气化，燃气中氢气含量高达10%，热值大为提高。（3）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，助燃风预热温度高且氧含量低，可以在熔铝炉炉膛中形成高温低氧燃烧环境，在保证燃烧温度和熔铝炉产量的情况下，氮氧化物排放量大大降低。（4）熔铝炉利用生物质燃气替代天然气做燃料，生物质燃气热值低于天然气，炉膛温度相对较低（熔化铝材的温度足够），不会发生大量的铝液烧损及炉顶坍塌现象。（5）熔铝炉与生物质气化炉完美耦合运行，充分利用了熔铝炉烟气余热，通过生物质气化炉将生物质废料高效气化为生物质燃气，其价格远低于天然气，可以有效降低熔铝炉的运行成本，同时综合能源消耗量显著降低，能源利用效率大大提高。（6）采用喷射器（基于抽吸引射原理）将放热后的低温烟气和高温热空气均匀混合，形成熔铝炉助燃风，无须风机送风，解决了普通风机不耐高温的问题。（7）熔铝炉的燃烧器采用对角布置，可以有效延长生物质燃气在炉膛内的停留时间，进一步提高熔铝炉的能源利用效率。（8）通过二氧化碳吸附塔将生物质气化炉产气中的二氧化碳成分脱附，回收至生物质气化炉，极大地提高了生物质燃气的热值，实现二氧化碳循环利用和生物质气化炉的零碳排放。5结语目前，大部分熔铝炉采用天然气做燃料，存在运行成本高、排烟温度高、氮氧化物排放量大、铝液烧损率高、炉顶有坍塌风险等问题；大部分生物质气化炉采用冷空气作为气化剂，气化率低、运行成本高。研究设计熔铝炉专用生物质气化燃烧系统，在生物质气化炉中将生物质固体废料、水蒸气和热空气混合反应，生成低热值的生物质燃气；吸附去除生物质气中的二氧化碳，并利用熔铝炉烟气余热加热生物质气，将其转换成高热值生物质气；熔铝炉烟气余热将冷空气加热成高温热空气，分别供熔铝炉助燃和生物质气化炉气化使用，进一步生产水蒸气作为生物质气化炉气化剂；将部分放热后的烟气和高温热空气混合，形成设定含氧量的助燃风；设定含氧量的助燃风与高热值的生物质气混合，作为熔铝炉的燃料燃烧。系统充分利用了熔铝炉的高温余热以及生物质气化炉的气化功能，产生较高热值的生物质燃气，以替代天然气供熔铝炉燃烧，在降低熔铝炉运行成本和提升系统综合能效的同时显著降低了熔铝炉的氮氧化物排放量和热污染。