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生物质燃气与再生铝熔炼刍议

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生物质燃气与再生铝熔炼刍议

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第一  行业背景

一、概况

再生铝是由废旧铝、边角料和废铝合金材料或含铝的废料,经重新熔化提炼而得到的铝合金或铝金属,是金属铝的一个重要来源。再生铝主要是以铝合金的形式出现的。

再生铝的熔炼始于本世纪初,我国则起始于上世纪70年代。在某些工业发达国家,如原联邦德国、英国、意大利、法国、美国等,再生铝已经成为铝及铝合金的重要供应源泉,其占原铝产量有相当大的比例。

随着原铝产量的增长引起废铝件和废铝料量的增长,现代技术已经使再生铝的质量不低于成分相同的原铝合金,而且每吨再生铝的能耗仅为从矿石制取原铝的5%左右,生产成本低,投资又少。

二、生产工艺

废铝熔炼前需要将各种废铝件进行选分或解体(切割成规则的小块体),分离出去铁和其他有色金属零件,再加以适当调配和处理,以便达到所要求的再生铝及铝合金成分。如将松散的片状废铝料利用机械压实成包,便于快速装炉并减少表面的氧化。铝屑(按外部形态可分为鬈状和 散粒状的)几乎都含有水分和油腻以及尘土混合物和铁屑,需要预先在250~300℃下干燥、蒸发后,进行筛分、磁选和压团。

三、产品用途

目前再生铝占世界原铝年产量的1/3以上。再生铝与原铝性能相同,可用再生铝锭重熔、精炼和净化,经调整化学成分制成各种铸造铝合金和变形铝合金,进而加工成铝铸件或塑性加工铝材。

再生铝在各行业的应用比例:蓝色:汽车零部件 红色:摩托车零部件 绿色:通讯家电 紫色:建筑材料。湖蓝:其它行业。

 

第二  我国再生铝行业发展的概况

一、节约自然资源,降低铝矿资源对外依赖度

我国铝土矿保有量仅占世界的2.8% ,而当前我国每年的电解铝产量和消费量均超过全球总量的50%。2016年我国铝土矿产量为6500万吨,进口量约为5200万吨,对外依赖度达到 44.44%,铝矿供给矛盾突出。推进再生铝行业的发展具有重大的战略意义。2019年世界再生铝产量3300万吨,我国715万吨,约占世界产能的21%。再生铝平均增长率达到12.3%。目前我国再生铝注册企业达到7377家,前三名分别是广东的959家、山东的831家和山西的668家。预计2022年再生铝产量达到667万吨。

第三  产业政策

 

一、企业布局

再生铝项目必须符合国家产业政策和铝工业发展总体规划、土地利用总体规 划、城镇规划、主体功能区规划。在国家法律、法规、规章及规划确定或县级以 上人民政府批准的饮用水源保护区、基本农田保护区、自然保护区、生态保护区 等重点保护地区,城镇中心区及近郊,居民集中区等敏感区域附近建设再生铝企业,应根据环境影响评价结论确定厂址位置及其与周围人群和敏感区域的距离。

二、生产规模及主要外部条件

新建再生铝项目,规模应在10万吨/年及以上;现有再生铝企业的生产规模不小于5万吨/年。

三、工艺和装备

再生铝项目必须按照规模化、环保型的发展模式建设,必须采用双室炉、带蓄热式燃烧系统满足废烟气热量回收利用、提高金属回收率等先进熔炼炉型,并配套建设铝灰渣综合回收及二噁英防控能力的设备设施。禁止利用直接燃煤反射炉和4吨以下其他反射炉生产再生铝,禁止采用坩埚炉熔炼再生铝合金。现有再 生铝生产系统,应采取有效措施去除原料中含氯物质及切削油等有机物。

四、能源消耗

再生铝生产系统,必须有节能措施,新建及改造再生铝项目综合能耗应低于130千克标准煤/吨铝,现有再生铝企业综合能耗应低于150千克标准煤/吨铝。

五、资源消耗及综合利用新建、改扩建废铝再生利用项目铝的总回收率 95%以上,现有废铝再生利 用企业铝的回收率 91%以上。

六、废铝再生利用企业应配备热灰处理设备,如热渣压制机、炒灰机、回转式热灰处理设备等,综合回收铝灰渣,最终废弃铝灰渣中铝含量3%以下。废水循环利用率98%以上。

七、环境保护

再生铝项目应严格执行建设项目环境影响评价管理制度,落实各项环境保护 措施,生产项目未经环境保护部门验收不得正式投产。企业要做到工业废水深度 处理后循环利用,减少排放。新建及现有再生铝项目配套生产设备中需配备废铝 熔炼烟气、粉尘高效处理装置,做到烟气、粉尘收集过滤后达标排放;同时对所 产生的固体废弃物进行无害化处置,防止产生二次污染。

八、安全生产与职业病防治

再生铝建设项目必须符合《安全生产法》、《职业病防治法》等法律法规规定;新建和改造项目安全设施和职业病防护设施必须严格履行“三同时”手续。

第四  生物质气化在再生铝行业中的应用

一、可再生铝熔炼中的燃料问题

现阶段,我国废铝再生利用主要采用火法熔炼。在熔炼过程中,采用的燃料主要有煤、焦炭、重油、柴油、煤气、天然气、生物质可燃气等。铝及铝合金的熔炼是铝加工企业生产中的第一道重要工序,而熔铝炉是熔铸机组的关键设备,也是主要耗能设备,在生产能耗中占很大的比例,在一些企业铸造生产中其燃料消耗达到总能耗的50%左右。因此,燃料种类及技术方法的选择决定了项目的经济性和环保性。随着国家碳达峰、碳中和目标的确定,传统的石化能源正被逐步限制,例如煤、焦油、重油和柴油等,天然气虽属于清洁能源,但它仍属于石化能源,更严重的挑战是天然气价格高,供应不稳,对再生铝熔炼行业产生不可忽视的负面影响。

二、生物质气化与再生铝

生物质气化不同于发酵产生的生物质沼气,它是利用空气中的氧气或含氧物作气化剂,在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应生物质气化技术对处理大量的农作物废弃物、减轻环境污染、提高人民生活水平等多方面都发挥着积极的作用。

整个过程可分为:干燥、热解、氧化和还原。

(1)干燥过程生物质进入气化炉后,在热量的作用下,析出表面水分。在200~300℃时为主要干燥阶段。

(2)热解反应当温度升高到300℃以上时开始进行热解反应。在300~400℃时,生物质就可以释放出70%左右的挥发组分,挥发分主要包括水蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。

(3)氧化反应热解的剩余木炭与引入的空气发生反应,同时释放大量的热以支持生物干燥、热解和后续的还原反应。

(4)还原过程没有氧气存在,氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木炭发生反应,生成氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发分组成了可燃气体,完成了固体生物质向气体燃料的转化过程。

 

三、生物质燃气作为再生铝熔炼的燃料气体。其技术线路图如下图3-1

 

生物质应用于可再生铝熔炼系统由原料储存、上料系统、气化系统、炭灰处理系统、燃气净化系统、燃气输送系统、窑炉燃烧器、窑炉烟风系统及控制系统构成。其工艺流程如图3-2。

 

   图3-2 生物质气化气替代天然气可再生铝燃料工艺流程图

1-料仓;2-输送机;3-提升机;4-螺旋进料器;5-气化炉;6-鼓风机;7-旋风分离器(两级);8-燃气净化降温系统;9-罗茨风机;10-燃气总管;11-燃烧器;12-窑炉;13-烟囱

 

沈阳某生物质燃气公司在河南禹州、江西新余投产的生物质燃气再生铝熔炼项目
 
 

第五  生物质气化技术应用于再生铝的优势

一、资源优势

生物质能(Biomass Energy)是历史最悠久的能源,国际公认的第四大能源,是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,是一种来源广,价格低廉的清洁零碳可再生能源。

目前我国的生物质能源量约为5亿吨标准煤,约等于我国每年能源消耗量的10%左右。

二、环保优势

 

排放项目

天然气

生物质气化

生物质颗粒

柴油

标准值

含硫量(%)

≤0.15

≤0.01

≤0.11

≤0.2-0.3

≤0.5-2.8

/

SO2(mg/ m3)

28

13

46

120

200

30

NOx(mg/ m3)

50

50

220

230

150

200

烟尘(mg/ m3)

11

12

64

42

60

30

 

采用生物质气化燃气替代石化燃料是减少污染物排放的可行且行之有效的方法之一。生物质是可再生物质,在生长过程中会吸收空气中的二氧化碳,所以生物质作为燃料的时候,其排入大气中的二氧化碳的总量不变,是减轻温室气体的有效方法之一。

三、成本优势

生物质比天然气、燃料油等传统化石能源单位热量成本更低,使用生物质能替代天然气可以有效降低企业生产成本,显著提高企业经济效益。
根据实际调研,可再生铝采用火法熔炼技术消耗天然气约70 m3/T,取天然气采购价格4 元/m3(此处天然气热值取8500 Kcal/Nm3),仅燃料部分可再生铝成为为280 元/T,且不含天然气管道修建等费用。采用生物质燃气。生物质原料价格采购价格为500 元/吨,1公斤生物质原料可产生2立方米的生物质燃气(生物质燃气热值约为1200 Kcal/ Nm3),按7比1折算后,生物质燃气在同等热值条件下约相当于天然气单价为1.8元/Nm3,。再考虑生物质水分和气化设备折旧等其它因素,我们可以将生物质燃气与天然气同等热值的成本确定为2元/Nm3,,仅为天然气价格的二分之一左右,且不含不占用能源指标和减排收益。其次与天然气比较,生物质燃气还有生物质炭收益,大概可以冲减5%左右的燃料成本。
四、政策和税收优势
(1)2005年颁布《再生能源法》,2009年国家又修订了该法。生物质发电、供热得到国家的鼓励。
(2)2007年8月国家发改委出台《可再生能源中长期发展规划》:现在生物质能的发展方向是高效清洁利用,将生物质转换为优质能源,包括电力、燃气、液体燃料和成型燃料等。
(3)2008年国务院办公厅《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》【国办发(2008)105号】指出:“积极利用秸秆生物气化(沼气),热解气化、固化成型及炭化等发展生物质能。”  
(4)财政部2008年10月《关于秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》,支持秸秆成型、气化、干馏的企业。
(5)国家发改委、能源局《关于开展秸秆气化清洁能源利用工程建设的指导意见》
(6)2018年全国人大修改《循环经济促进法》,鼓励开发生物质能源。
(7)2021年3月 国家发改委发布《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》。“扩大秸秆清洁能源利用规模,鼓励利用秸秆等生物质能供热供气供暖,优化农村用能结构,推进生物质天然气在工业领域应用。”
(8)2022年国务院政府工作报告和国家发改委有关文件规定:生物质能源不占用当地能源指标。
(9)所得税优惠。财政部、国家税务总局2008年47号文件“关于执行资源综合利用企业所得税优惠目录有关问题的通知”中规定符合目录中要求的企业所得税减按90%计算。与生物质燃气有关系的是第16条:原料是农作物秸秆或壳皮,应用范围是代木产品、电力、热力及燃气。使用强度是80%以上。
(10)增值税优惠。2015年9月16日,财政部、国家税务总局下发通知,决定对资源综合利用产品和劳务增值税进行整合和调整。规定符合目录要求的企业可以享受“即征即退”的增值税优惠。与我们生物质燃气有关的内容有第“4.1”和“4.2”。其中“4.1”:原料是餐厨垃圾、畜禽粪便、稻壳、花生壳、玉米壳、茶油壳、棉子壳、三剩物、次小薪材、农作物秸秆、蔗渣,以及利用上述资源发酵产生的沼气。用途为生物质压块、沼气等燃料,电力、热力。使用强度为95%以上。“4.2”的原料为三剩物、次小薪材、农作物秸秆、沙柳。用途与我们有关的是生物炭、活性炭。使用强度为95%以上。
(11)根据《国家温室气体资源减排方法学》,生物质燃气可以参加碳减排认证。
第六  生物质燃气在再生铝熔炼中遇到的问题和解决思路
一、灰分。生物质燃气与天然气比较灰分含量比较大,如果不处理有可能影响产品质量、和窑炉燃烧机、蓄热设备、流量计的正常使用。目前根据同行的实验,生物质燃气在进入窑炉前进行二次旋风除尘后基本可以消除灰分的负面影响。
二、焦油。生物质燃气中的焦油一直是应用中的难题。解决思路是静电除焦、水洗除焦和生物质除焦。我们采取的是最简单、最安全、最环保、最经济的生物质除焦,虽洁净度不如电除和水洗,但加上燃气的降温技术清洁程度够用了。

三、计量。燃气的计量也是生物质燃气应用的主要困难之一。解决的思路一是气体的洁净处理后满足计量设备的要求,但增加了燃气成本。二是产品计量替代气体计量。比如根据再生铝原料的投入量测定燃气的消耗;三是采用抗污染能力强,或不与气体直接接触的计量设备,考虑靶式流量计、孔板流量计和常温气体的超声波流量计。

目前生物质燃气大多用于供热项目,在再生铝行业的应用很少。实际上我们解决了灰分、焦油和计量困扰后,生物质燃气在再生铝熔炼行业有更广阔的发展前景和更优势的投资回报。基本上同等强度的热能项目,生物质燃气再生铝项目的投资比生物质燃气锅炉项目投资降低近一倍,而回报率至少高出30%。生物质燃气还可以应用在部分矿石冶炼、物料烘干和陶瓷行业应用,环保和经济优势显著;生物质燃气制氢也是未来的热门课题。

 

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