生物質循環流化床鍋爐

生物質循環流化床鍋爐簡稱CFB鍋爐。循環流化床CFB( Circula ting Fluidized Bed)燃燒技術由於在替代燃料、處理各種廢棄物和保護環境三方面具有其它燃燒技術無可比擬的獨特優勢而逐漸受到各國的關注。利用該技術處理生物質是20世紀80年代末開始的,國外已具有相當的規模和一定的運行經驗,而在中國的套用剛剛起步。

基本介紹

• 中文名：生物質循環流化床鍋爐
• 外文名：Biomass circulating fluidized bed boiler
• 類型 ：發電設備
• 特點 ：清潔
• 領域： 能源
• 學科： 新能源發電

簡介

煤、石油、天然氣等化石燃料從20世紀70年代就開始大規模的開採,其存儲量急劇減少。據預測,地球上蘊藏的可開發利用的煤和石油等化石能源將分別在200年和30～ 40年以內耗竭,而天然氣按儲采比也只能用60年。目前,尋找替代能源已經引起全社會的廣泛關注。

生物質能是一種可再生能源,來源十分豐富。它是僅次於煤炭、石油和天然氣而居於世界能源消費總量第四位的能源。當前,生物質燃料的消耗已占世界總能源消耗的14% ,在開發中國家這一比例達到38%。據世界糧農組織( FAO)預測,到2050年,以生物質能源為主的可再生能源將提供全世界60%的電力和40%的燃料,其價格低於化石燃料。生物質燃料的開發利用已經成為世界的共識。在眾多的生物質能源轉換技術中,直接燃燒是高效利用生物質資源最為切實可行的方式之一。循環流化床CFB( Circula ting Fluidized Bed)燃燒技術由於在替代燃料、處理各種廢棄物和保護環境三方面具有其它燃燒技術無可比擬的獨特優勢而逐漸受到各國的關注。利用該技術處理生物質是20世紀80年代末開始的,國外已具有相當的規模和一定的運行經驗,而在中國的套用剛剛起步。了解生物質廢棄物在CFB鍋爐里燃燒的研究與套用現狀對生物質廢棄物進一步的回收利用以及解決能源問題都將具有非常重要的指導意義。

生物質成型技術

實踐已經證明,由於各種生物質燃料自身特性的原因,即使經過簡單破碎的秸稈、廢木材、稻殼等生物質廢棄物仍然具有熱值較低、形狀很不規則的特點。因此,它的爐前熱值經常發生很大的變化,若將其直接送入CFB鍋爐里進行燃燒,會出現燃燒不穩定的現象。另外,由於空隙率很高,這些體積龐大的生物質廢棄物也不利於長距離的運輸。為了解決上述矛盾,生物質壓縮成型技術應運而生。生物質壓縮成型技術是把生物質與經過除氯的添加劑混合後被鑄造模型製成具有統一尺寸、所含熱值均勻並易於輸送的衍生燃料。

將生物質加工成成型燃料是利用CFB鍋爐燃燒生物質的重要方式。成型燃料代替原生物質燃料進行燃燒,可以減少大量的化學不完全燃燒熱損失與排煙熱損失。而且燃燒速度均勻適中,燃燒相對穩定。

在生物質壓縮成型的過程中,一般都會加入一些添加劑(石灰石等)和其他輔助燃料(煤、污泥等)。這種方式充分發揮了生物質燃料易著火和其他輔助燃料燃燒穩定的優點,是當前生物質燃料進行燃燒利用的重點,各國學者的研究也大都集中於此。西方已開發國家、泰國、印尼等國已投入使用,中國和土耳其等國也正在推廣。

林業廢棄物在CFB鍋爐里的燃燒

林業廢棄物主要是指林業生產和加工過程中產生的廢棄木材、木屑(或木球)、樹皮等廢棄物。西方已開發國家研究廢棄木材作為CFB鍋爐的燃料已經很多年了。20世紀80年代末,美國就開發出大型燃燒廢木料的CFB鍋爐,分別安裝在Freso n、Rocklin和Mecca。瑞典也是以林業廢棄物作為大型CFB鍋爐的重要燃料加以利用的,儘管這些燃料的含水率有時高達50%～ 60% ,但鍋爐的熱效率仍可達到80%。丹麥為了減少二氧化碳的排放,採用奧斯龍公司的高倍率CFB鍋爐將乾草(或木屑)與煤以6∶ 4的比例送入爐內燃燒,效果較好。目前世界上最大容量的燃燒生物質的循環流化床鍋爐就是F&W公司240MW的燒廢木材的CFB鍋爐,它的成功運行為燃燒林業廢棄物的CFB鍋爐的大型化奠定了良好的基礎。此外,德國、芬蘭、法國、義大利、土耳其和俄羅斯等國家也先後對CFB鍋爐燃燒廢木材進行了研究。

Pre to F通過試驗發現: 以廢棄木材為燃料的CFB鍋爐運行情況較好,燃燒效率可以超過99%。在氣體排放方面,除了CO外, NOx、N2O、SO2、Furans等的排放都低於允許標準。HiltunenM A等[12]發現燃燒產生的灰渣很少,細而均勻。但是,由於燃料里含有較多灰熔點低的鉀,灰比較容易在鍋爐里結垢。而且,燃料里還含有氯和鹼性物質, 這些物質都有很強的腐蝕作用。Amand L E等發現,燃燒產生的灰份里含有很多金屬( Hg、Cd、Cr、Cu、Mn 和Zn 等) ,但是它們的含量都在歐洲聯合會( EC)所規定的範圍之內。Orjala M等通過研究也證明了使用CFB鍋爐燃燒廢棄木材是可行的。同時,他們從經濟上分析後又指出,作為CFB鍋爐燃料的廢棄木材不適宜遠距離輸送。舉例來說,當機組容量為25 MW時,運輸距離最好不超過70 km。若按照這個運輸距離( 70 km)進行計算,保守估計,生產每千瓦時電能可以節約6美分的成本。

以上研究對採用C FB鍋爐燃燒廢棄木材的可能性給予了充分的肯定,但由鹼金屬引起的結垢和腐蝕問題不容忽視。與此同時,各國學者對在廢棄木材里添加輔助燃料在CFB鍋爐里的燃燒特性進行了研究,而污泥是被研究的最為廣泛的一種輔助燃料。Leckner B等及Amand L E等通過實驗證明,在球狀木屑加入污泥之後, CFB鍋爐在金屬及氣體排放( CO、NOx、SO2 )控制方面都是可行的。需要指出的是,正常燃燒時,氯氣的排放量超過了歐洲聯合會所規定的標準。但是在對煙氣進行了噴射濕石灰處理後,氯氣的排放也滿足排放要求。Leckner B等還發現,對於污泥與木材的混燒,添加更多的石灰石對降低SO2 排放量也可以取得明顯的效果。另一個重要發現就是,空氣的分段送入對控制木材、污泥等高揮發分燃料燃燒的氣體排放效果不明顯。Ama nd L E等發現,煙氣中各種有害氣體的濃度主要與混合燃料中污泥各成分(氮、硫和氯)含量的有關,在未加入像石灰石處理硫和氯的情況下,所排放煙氣里的CO2 的濃度仍比較低,並且沒有輕質烴產生。他們同時還指出,經過乾燥的污泥與木屑混合燃燒對實際的操作運行非常有利,而對只經過機械除水的污泥來說,鍋爐是不能正常運行的。除污泥外,有學者對木屑與其它燃料在CFB鍋爐里的混燒進行了研究。Duo Wenli等發現,在木屑里混入2%～ 5%的TDF( Tire deriv ed fuel)作為CFB鍋爐補充燃料時,會使平均床溫升高55℃ ,而且可以改善燃燒質量; 雖然TDF含有1%的鋅和5%～ 7%的鋼鐵性物質,但TDF的加入並沒有使煙氣中總的煙塵量增加。需要注意的是,由於TDF中較高的含硫量,使SO2排放量有所增加。

所有的研究表明, CFB鍋爐混燒廢棄木材與污泥、TDF等的混合燃料在燃燒穩定性和污染物排放上的綜合性能是優於純燒廢木材的,但對於鹼金屬所引起的結垢和腐蝕問題還需進一步研究。

農業廢棄物在CFB鍋爐里的燃燒

農業廢棄物主要是指農業生產、加工過程中所產生的秸稈、稻殼等廢棄物。它產量巨大,除了少量用於返田以外,還有大量的剩餘。如何將這些農業廢棄物的化學能有效地轉化為高品位的熱能,意義十分重大。這一點對中國則更具深遠意義,這不僅關係到解決國家能源短缺和環境污染的問題,而且對解決“三農問題” ,發展農村經濟、提高農民收入、改善農村生活條件、發展循環經濟、建設節約型社會都具有十分重要的作用。CFB燃燒技術的發展為合理利用這些農業廢棄物燃料提供了一條可行之路。目前,國內外對採用CFB鍋爐燃燒各種農業廢棄物已經展開了一定的研究,並取得了一些成果。

1　秸稈在CFB鍋爐里的燃燒

秸稈是農村的傳統燃料,傳統的燃燒方法會造成大量的排煙熱損失和大量的氣體( CO、H2、CH4 等)不完全燃燒損失,利用CFB燃燒技術並採用秸稈成型技術是將這些大量的農業廢棄物進行有效的轉化和利用的重要手段。

運用秸稈成型技術,原料的密度可達0.8～1.3t/m3 ,能量密度與中質煤相當,燃燒特性明顯改善,且儲存、運輸、使用方便,可代替礦物能源。目前,國內外各種成型技術已基本成熟。然而,農作物秸稈成型燃料目前主要還是在鏈條爐和鼓泡流化床鍋爐上使用,技術比較成熟,而在CFB鍋爐上使用的相關文獻較少。

Gla zer M P等在CFB鍋爐上研究了秸稈與煤的混合燃燒後發現: 煙氣中鹼性成分的含量與初始燃料里鉀、鈉的含量有關,且氣態的鹼金屬的濃度比純秸稈燃燒時有所降低,混合燃料的SO2 排放量比純秸稈大大增加。沈伯雄等指出,生物質和煤混合燃料中煤比例的增加將會導致SO2 和NOx 的排放量增加。但是,由於生物質燃料中揮發分的燃燒而消耗大量氧氣,形成局部還原性氣氛,抑制了SO2 和NOx 的生成,致使SO2 和NOx 排放的增加量不多。

燒結是採用CFB鍋爐燃燒秸稈經常發生的問題。秸稈具有很高的鹼金屬含量,這些鹼金屬與Cl和Si以一定的比例結合會產生腐蝕和形成沉澱,並使流化床產生流化問題。燒結的發生與溫度、流化速度和氣氛有關,其中溫度是影響燒結的最主要因素。別如山等及Grubo r B D等指出,合理布置燃燒系統及受熱面和添加Fe2O3、Al2O3 等惰性添加劑可以很好的防止結焦。同時他們發現,用Fe2O3 做床料,當灰中鉀、鈉總含量超過20%且床溫在900℃以上時, 也只有很小的結塊,此性能優於Al2O3 和SiO2 作床料的情況。

2　稻殼在CFB鍋爐里的燃燒

循環流化床燃燒技術能很好地滿足稻殼的高揮發分析出迅速、固定碳難以燃盡的特點,所以,稻殼的循環流化床燃燒技術便成了當前稻殼燃燒技術的研究重點。

稻殼表面的毛刺極大地影響了稻殼的流化特性,在進行燃燒前要經過預處理。許衛國等及陳冠益等研究發現,純稻殼不易流化,與煤混合後的綜合流化性能有一定改善,而與石英砂混合效果更好。陳冠益等還發現: 鍋爐的飛灰含碳量明顯高於灰渣的含碳量。儘管如此,燃燒效率仍高達97% ;另外,由於稻殼本身氮和硫的含量極少,在不用任何脫硫劑、脫硝措施情況下,稻殼燃燒所排放出的主要大氣污染物都遠低於排放標準。以上研究結果說明了稻殼作為C FB鍋爐的燃料在運行狀況和氣體排放上是可行的,而在金屬排放方面還需要展開相應的研究。

Hansen L A等及張殿軍等研究CFB鍋爐里燃燒稻殼和煤的混合燃料時發現,稻殼裡的鹼金屬(鈉和鉀)對灰在換熱表面上的沉澱影響很大。而且,當稻殼含氯較高(如稻草)時,將使壁溫高於400℃的受熱面發生高溫腐蝕。

稻殼的灰份含量較少,通常在運行過程中也需要加入一定粒徑的添加劑(如沙子)。由於沙子的密度遠大於稻殼顆粒的密度,稻殼在爐內的運動有可能存在部分分層的現象。但總體上,稻殼顆粒在爐內仍可簡化認為是均勻混合的。

黑龍江建三江分局華盛熱電股份責任有限公司將原來燒煙煤的35t/h CFB鍋爐改燒煙煤和稻殼的混合物。根據不同的煤質變化情況,煤和稻殼的混料比例一般在2∶ 1和3∶ 1之間時燃燒工況最佳。在一年的運行過程中,鍋爐節煤在20%～ 45%(相當於原煤款200萬元) ,經濟效益相當可觀。

3　果核在CFB鍋爐里的燃燒

杏核和桃核等果核非常適合燃燒,它們的濕度很低,而且不含有像氯這樣的有害成分。因為含有很高的木質素,熱值和木材差不多。

Ay sel T A等在直徑125 mm、高1800 mm的CFB燃燒裝置里燃燒杏核和桃核發現,杏核和桃核燃燒時燃燒效率可以達到96%～ 98. 95% ,而且燃燒效率隨著過量空氣係數和床料固體顆粒循環倍率的增加而增加。試驗中使用這種燃料時所需的過量空氣係數λ在一個較高的水平( 1. 6～ 2. 1): λ低於1. 6時,燃燒效率僅僅為74% ～ 85% ; λ= 2. 1時, 燃燒時產生的SO2 和NOx 都會低於歐共體的限制要求。

對於小容量的CFB鍋爐和潔淨能源生產來說,水果核是一種很有潛力的燃料。Hǜ seyin T等通過研究杏核、桃核等農業廢棄物與土耳其煤在CFBC里的混合燃燒情況後指出,杏核、桃核與煤在CFBC里混燒不僅可以保持較高的燃燒效率( 93. 5%～ 97% ) ,而且可以實現鍋爐機組的大型化。他們同時還發現,為了維持較低的污染物排放量,果核與煤混合時存在著最小混合質量比( 1∶ 4左右)。

4　橄欖餅( Oliv e cake)在CFB鍋爐里的燃燒

Cliffe K R等、Suksankraiso r n K等、Armesto L等及Ay sel T A等發現,在CFB鍋爐里燃燒橄欖餅與煤的混合燃料可以保持較高的燃燒效率。Cliffe K R等還發現: 與純煤燃燒相比,在橄欖餅的質量占20%時,燃燒效率降低最多,但也僅僅下降5% ;隨著橄欖餅含量的增加, NOx 和SO2 的排放量減少,而N2O的排放量稍有增加。而Suksa nk raiso rn K等發現,隨著橄欖餅含量的增加, NO的排放量也稍有增加。Tor aman OY等通過試驗指出,對於利用CFB鍋爐來燃燒像污泥這樣的低燃燒質量的燃料來說, 橄欖餅將會是一個很好的輔助燃料。To pa l H等還分別進行了橄欖餅獨自燃燒,和油頁岩、柴油一起混燒的試驗。所有結果均表明,對於潔淨煤燃燒技術來說,橄欖餅在小規模的工業CFB鍋爐里混燒是很好的。

5　甘蔗渣在CFB鍋爐里的燃燒

目前對CFB鍋爐里使用甘蔗渣作為燃料的研究開展的不多,相關文獻也很少。米鐵等對甘蔗渣在循環流化床燃燒裝置里的燃燒熱解進行了研究。

據報導,中國廣西露塘糖廠35t/h混燒甘蔗渣和煤的循環流化床鍋爐取得了成功。該廠的實際運行經驗表明,鍋爐也可純燒甘蔗渣,但純燒甘蔗渣時鍋爐的熱效率會有所下降。另外,由於進料的問題,純燒甘蔗渣時會使鍋爐蒸發量下降,甘蔗渣的供給方式有待進一步研究改進。

6　向日葵莖幹在CFB鍋爐里的燃燒

由於向日葵莖幹在農業廢棄物中所占的比例較秸稈、稻殼等要小得多,所以它在CFB鍋爐里的燃燒特性還沒有得到太多的關注。Hǜ seyin T等通過實驗指出,向日葵莖幹與煤在CFB燃燒裝置里的混燒是可行的。而且,當向日葵莖幹與煤混合的質量比為1∶ 3時,污染物的排放量最小。

存在問題及展望

1) 國內外對各種生物質燃料的研究力度區別明顯: 對生物質燃料所占比重較大的廢棄木材、秸稈、稻殼研究的較多,而對果核、橄欖餅、甘蔗渣等生物質燃料的研究相對較少。另外,目前尚未發現研究水生植物在CFB鍋爐里燃燒的相關文獻。

2) 採用CFB鍋爐燃燒生物質燃料,獨燒效果不如混燒好,這是各國學者的共識。但是,國內外對各種生物質燃料與高熱值燃料混燒的研究還不系統,應在混合比例和相應的污染物排放方面(特別是金屬排放方面)進行全面的研究,最好能夠形成生物質在CFB鍋爐燃燒的資料庫。其中,將城市生活污泥、煤泥、水煤漿和TDF作為生物質的輔助燃料,均是不錯的選擇。

3) 目前,各國對採用CFB鍋爐燃燒農業廢棄物因其高鹼金屬含量所導致的鹼金屬腐蝕問題認識還不夠深刻,應該在腐蝕機理、腐蝕區域以及相應的對策上進行全面的研究。

4) 空氣的分段送入對控制木材、污泥等高揮發分燃料燃燒的氣體排放效果不明顯,其原因尚待進一步研究,而分級送風對流場的影響以及揮發分析出和燃燒所發生的區域則是研究此問題所應該著重考慮的。

5) 燃料特性對循環流化床鍋爐的設計與運行有很大影響,而關於CFB鍋爐燃燒生物質燃料數值模型方面的研究目前還不多見。如果能夠對生物質燃料在CFB鍋爐里的燃燒進行充分的數值研究也將會極大地促進CFB鍋爐在生物質燃料燃燒中的套用。