鼓泡流化床燃燒

鼓泡流化床燃燒(BFB)鍋爐具有如下特點：燃燒效率低,飛灰含碳量高；爐牆和埋管磨損嚴重脫硫效率低；床面積熱負荷較小, 不易大型化；排塵濃度高。國內現已基本消失,但在國外該燃燒技術正成為生物質及其它廢棄物燃燒的首選。BFB 技術在分散式熱電系統,特別是在生物質及廢棄物的燃燒方面明顯優於其它現有技術,經濟和環境效益良好。在國內外實踐的基礎上,繼續開發利用BFB 技術符合我國的資源、能源和環境的可持續發展政策。

基本介紹

• 中文名：鼓泡流化床燃燒
• 外文名：Bubbling fluidized bed combustion
• 學科：能源工程
• 領域：新能源
• 簡稱：BFB
• 優點：環保節能

簡介

自上世紀60年代初起, 流化床技術開始用於鍋爐的燃燒, 到上世紀80年代中期我國已擁有三千多台流化床鍋爐, 且均採用鼓泡流化床(BFB)燃燒技術。由於該技術效率低、飛灰含碳量高、埋管磨損嚴重、容量不易擴大、脫硫率低和粉塵排放濃度高等, 在90年代後逐漸被更先進的循環流化床(CFB)燃燒技術取代,現在國內幾乎已沒有了鼓泡流化床鍋爐。但是, 在國外尤其在歐洲和北美地區, 鼓泡床燃燒不但依然存在,而且不斷創新發展。對於日益擴大的分散式供電和供熱體系, 鼓泡床在資源、技術、經濟和環保方面占有明顯的優勢, 現已成為生物質和其它廢棄物燃燒的首選。

近年來, 美國FW (包括原芬蘭Alhst rom)和B &W 公司, 奧地利能源與環境(AEE)公司, 瑞典Gotaverken和Wart sila Biopow er 公司, 芬蘭UPM -Kymmene 、Kv aerner Pow er 、Enprima 、Fortum 和OsmoKaulamo Engineering(OKE)公司等, 均有不少鼓泡床鍋爐用於生物質燃燒和多種燃料混燒的新的業績, 容量已擴大到200 t/h 以上。

BFB 鍋爐燃用生物質時的特點

流化床燃燒生物質的一大問題是床料的團聚和對爐內受熱面的灰污。由於生物質的灰中, 鉀和鈉等鹼金屬氧化物的含量較高, 十分容易與床砂生成低熔點的共晶體(Na2O·2SiO2和K2O·4SiO2), 致使砂粒相互粘結形成大的顆粒團, 沉積在床底, 破壞流化狀態。有些生物質的灰中含矽較多, 如稻麥稈等, 會引起受熱面的灰污。還有些生物質或廢棄物含有較多的氯化物, 會導致受熱面金屬的高溫腐蝕。這些原來被認為是導致BFB鍋爐遭淘汰的主要缺陷, 通過在技術上採取適當的對策已基本可以解決。

(1)燃燒效率低,飛灰含碳量高。生物質固定碳含量低(可燃揮發分高), 不需要很長的燃盡時間, 而且含灰量通常小於3 %, 飛灰中未燃盡碳的損失很小。採用較低的床速或爐內簡易分離裝置, 可使燃燒效率接近或達到CFB的水平。

(2)爐牆和埋管磨損嚴重。現在的BFB鍋爐設計取消埋管受熱面或將其設在低速副床內, 採用加防磨措施的厚壁管和高強度的耐火混凝土澆鑄料, 可減輕磨損。

(3)脫硫效率低。生物質中含硫極低(通常為0 .05 %～0 .3 %), 必要時加入石灰石粉可使脫硫效率達到50 %～60 %, 滿足環保排放標準。

(4)床面積熱負荷較小, 不易大型化。目前一般主張BFB鍋爐的最大容量在50 MW左右, 在此範圍內,不會引起加料/排料口布置困難和床內燃燒不均等問題。

(5)排塵濃度高。實際上BFB鍋爐的原始排塵濃度比CFB鍋爐小得多, 因為其灰大部分以渣的形式從爐底排出, 而CFB鍋爐的灰大多以飛灰的形式從煙道排出。關鍵在於過去中小型機組沒有配置高效的靜電或布袋除塵器。

BFB與CFB鍋爐的比較

在煤的燃燒上, 尤其是大型機組, CFB鍋爐因為有很高的燃燒和脫硫效率, 其優勢十分明顯, 但對中小型機組, 特別是燃用生物質和其它廢棄物時, BFB鍋爐應為首選, 其原因如下。

(1)新入爐的燃料僅占熾熱床料的1 %～3 %, 巨大的熱容量可使加入床內的燃料很快著火。BFB鍋爐床層內物料的密度和熱容量比CFB 鍋爐大得多, 因而燃料適應性比CFB 鍋爐好, 更適應多種燃料的混和燃燒和替代。

(2)BFB鍋爐可燃用粒度範圍更寬、熱值更低的各種燃料, 如0～50 mm , 熱值5～ 10MJ/kg 。

(3)BFB鍋爐出口煙氣的原始含塵濃度比CFB鍋爐低30 %～50 %, 且顆粒較粗, 對除塵器的要求較低。

(4)BFB鍋爐燃燒效率可達99%, 鍋爐效率85%以上, 達到或接近CFB鍋爐的水平。另外, 由於鼓風壓頭較低, 沒有旋風分離器和返料高壓風機, 動力消耗比CFB 鍋爐低20 %以上。

(5)BFB鍋爐起停和運行操作更簡便, 負荷調節範圍較CFB鍋爐大。

(6)BFB鍋爐結構簡單, 體積小, 投資和運行成本較低, 經濟和環境效益較高。

BFB鍋爐技術的新發展

針對生物質和其它廢棄物的燃燒特點,BFB 鍋爐在以下幾個方面取得了顯著進展。

(1)開底式布風裝置。為了應對生物質燃燒易造成床料團聚的問題, 設計採用開底式布風裝置。該裝置全部或部分取消布風板, 以密集矩陣式風帽的小孔噴出高速氣流形成流化空氣墊, 托住床料並使之成鼓泡流化狀態。若床料顆粒發生團聚, 過大的顆粒就從風帽間的空隙中落入灰倉, 以保證連續正常的流化狀態。

(2)非矽床料。這種床料不含矽, 可以避免因鉀鈉引起的團聚。據芬蘭OKE 公司介紹, 目前已試驗成功多種材料, 大都來自冶金廢渣。也可根據燃料特性專門研製此類床料。

(3)多種燃料混燒。生物質和廢物來源廣泛, 種類繁多, 成分多變, 性能各異, 一般燃燒方式無法應對。鼓泡床通常設計為幾種燃料混燒, 同時也考慮替代燃料的可能性, 燃料適應性較好。設計的主要燃料有:各種秸稈、樹皮、廢木屑、造紙污泥、市政污泥、垃圾及垃圾衍生燃料(RDF)等;摻燒燃料有:各種煤(主要是劣質的泥煤、褐煤和焦粉等), 重油和廢油, 天然氣和低熱值燃氣, 工業廢料, 如廢輪胎、食品及製藥廢渣等。

(4)新型風帽。為防止高溫腐蝕和便於維修, 已開發出多種風帽, 如分體式、定向側吹式, 以及幾種風帽組合式。分體式風帽由帽體和帽蓋組合而成, 帽蓋的材料能承受磨損和高溫腐蝕, 且易於更換, 帽體的冷卻效果較好, 可用一般耐熱鑄鐵或鑄鋼。

(5)舊爐改造。為適應能源和環境政策的改變,不少用戶將其燃煤或燃油鍋爐改為主燒或摻燒生物質和廢棄物的BFB鍋爐。

　

國外BFB鍋爐套用實例

(1)義大利Ravenna城1999 年安裝了一台年燒250000 t 城市廢物的BFB鍋爐(約7MW), 蒸發量為25 t/h , 主蒸汽參數4 .1 MPa 、380 ℃。燃料是RDF和RSA的混合物。RSA是一種來源固定的廢料, 主要由紙箱板、廢紙、木片和塑膠組成。混合燃料的灰分為20%、水分15 %～25 %、熱值14 .5～16 .7 MJ/ kg , 粒度小於10 mm , 但0 .5 mm 以下的不大於10 %。通過噴氨和濕法清洗, 粉塵<10 mg/m3(標準狀態, 下同),SO2 <100 μL/L , NO x <200 μL/ L , HCl <10μL/L ,HF +HBr <2μL/L , HCN <0 .5μL/L , CO <50μL/L , PAH(多環芳烴)<0 .1μL/L , 總金屬量<0 .6μL/L , 其中單項A s 、Cr 和Co <0 .5 μL/ L。

(2)1998年, FW公司為加拿大BC 省MacMilanBloedel公司的Pow ell River紙廠建造一台BFB 鍋爐, 蒸發量272 t/h , 主蒸汽參數6 .2 MPa、477℃。設計燃料是樹皮與紙廠一/二級廢水污泥的混合物, 水分23 %～30 %、灰分2 .5 %～16 %、熱值約14 MJ/kg , 摻燒天然氣。因木材曾在海中飄浮, 灰中鹼金屬(Na2O+K2 O)高達10 %～ 15 %, 這使得床料團聚和高溫腐蝕問題突出。對此, 採取了以下措施:1)使用防止形成低熔點化合物的床料;2)降低爐溫(約815 ℃);3)實現床內穩定均勻的流化混合;4)煙氣再循環調節床溫;5)以較高的速度排除和補充床料, 以控制床內鹼的濃度;6)採用耐腐材料的風帽和過熱器管。該爐實測排放數據為:NOx 152 mg/m3 , CO 129 mg/m3 , 粉塵3 .98mg/m3 , 飛灰含碳量3 .3 % 。

(3)日本三菱重工公司於2001年建成一台60 t/hBFB 鍋爐, 燃用廢木屑(占輸入熱量的57 %～100 %),摻燒煤。為同時控制CO、NOx 和Dio xin(二惡英)排放, 床溫控制在850℃左右, 過量空氣係數0 .6 , 維持還原性氣氛, 以降低NOx 產生;採用4級二次風噴射系統, 使煙溫最高升至1 200℃, 以降低Dio xin 和CO排放;到爐膛出口時溫度降至800℃, 過量空氣係數1 .3 , 從而實現預定的排放目標:CO <100 mg/m3 ,NOx <150 mg/m3 , Dio xin <0 .1ngTEQ(毒性當量)/m3 。該鍋爐設有煙氣再循環、爐渣冷卻和飛灰再燃裝置, 以及脫硫塔和布袋除塵器, 以全面保證該機組在經濟和環境上的高性能。

(4)1998 年美國俄亥俄州West Car ro llton 鎮Frase r 紙廠投運一台B &W 公司的BFB 鍋爐, 蒸發量27 t/h , 主蒸汽參數4 .2 MPa , 399℃。鍋爐採用雙汽包、底部支撐、開底式布風裝置。床料用細河沙, 設有砂倉、振動篩和氣力輸砂裝置, 床砂循環利用。主要燃燒擠壓脫水後的紙漿淤泥(水分45%～50 %, 熱值約4 .9 MJ/kg), 摻燒優質煙煤約0 .5 %。運行溫度760～871℃, 排煙溫度168℃。設有二次風, 煙氣再循環,SNCR , 石灰石粉等裝置和布袋除塵器, 以保障NOx 、CO 、SO2和粉塵排放達標。

(5)1993 年芬蘭Kvaerner (原Tampel la)能源公司為Rauhalahti 熱電廠建造一台大型BFB 鍋爐, 蒸發量360 t/h(泥煤+廢木)到396 t/h(泥煤+廢木+煤), 主蒸汽參數13 .6 MPa , 533℃。燃料為泥煤(水分45%, 熱值10 MJ/kg)、木屑、樹皮和鋸末(水分45 %～50 %, 熱值7～9 MJ/kg), 摻燒少量的煤或油。床面積122m2 , 床料為篩分河砂0 .5～1 .5 mm , 靜止床料高0 .4 ～ 0 .6 m , 鍋爐效率約85%。

(6)芬蘭Mikkeli市South-Savo能源公司的Pursiala熱電廠共有3台FW公司提供的BFB 鍋爐, 主要燃料為木屑、鋸末和樹皮的混合物(占60%), 水分低於30%的風乾泥煤(占40%)。由於採用高效靜電/布袋除塵器以及爐內噴石灰石粉和低溫燃燒等措施, 粉塵、SO2 和NOx 的排放均遠低於標準。除塵灰用作景觀和森林的肥料。

某新設計BFB鍋爐的技術特點

最近與芬蘭OKE公司聯合開發的多種燃料BFB鍋爐為一台次高壓單汽包自然循環鍋爐, 蒸發量65 t/h , 主蒸汽參數6.8 MPa , 480℃。當前應某國外客戶的要求, 燃用樹皮、木屑、紙漿污泥和柴油4種燃料。其中, 樹皮和木屑的水分約50%左右, 污泥的水分70%, 柴油占總輸入熱量的10 %～35 %。

設計用0 .5～1 .0 mm 細河沙作床料, 運行溫度800～860℃。採用柱形組合風帽, 小孔風速較高, 近90 m/s , 四周布置雙孔角形側吹風帽。空氣預熱器將燃燒用的一/二次風加熱到120℃, 比例為4 :6 。點火油燃燒器布置在床面上部, 負荷油燃燒器布置在爐膛上部。爐膛的中下部敷設絕熱耐火層, 不設埋管受熱面。床溫控制靠調節再循環煙氣量實現。

鍋爐最大特點是完全取消了傳統的布風板, 採用開底式流化床, 由數根大風管、眾多的小風管和風帽組成。小風管按密集矩陣方式焊接在大風管上, 風帽安裝在小風管頂部, 流化風通過小風管和風帽小孔高速水平噴出, 形成空氣墊, 維持床料的鼓泡流化狀態。在運行過程中, 床料會發生團聚, 逐漸形成大顆粒團, 大到流化風無法將其托起時, 顆粒團就從風帽間隙中落入下部灰倉, 經冷卻排出床外到振動篩, 並將隨之落下的合格沙粒用氣力輸送回砂倉內循環利用。

鍋爐的另一個顯著特點是採用底部支撐結構, 即不設鋼架, 全部重量由兩根下降管、多個集箱和爐膛及對流煙道的膜式水冷壁支撐, 鋼耗減少1/3左右。考慮生物質中含Cl較高, 對過熱器和風帽可能產生高溫腐蝕, 選材上給予了充分注意。

由於採用較低的燃燒溫度、分級送風和煙氣再循環等措施, 該鍋爐NO x 排放遠低於相關標準。在單燒生物質時, 原始SO2 排放濃度不高, 加之在爐內添加石灰石粉脫硫, 以及尾部布袋除塵器的脫硫作用,SO2 排放也容易滿足要求。當摻燒煤和其它高硫燃料時,如廢輪胎, 重油等, 則需考慮專門的脫硫裝置。另外, 本設計採用布袋除塵器, 效率達99 .9 %, 能滿足嚴格的粉塵排放要求。