循环流化床锅炉焚烧生物质燃料的研究进展

循环流化床锅炉焚烧生物质燃料的研究进展 摘要生物质废弃物产量的与日俱增及环保要求的不断提高使循环流化床燃烧技术逐渐在生物质废弃物的处理和利用方面扮演越来越重要的角色。该文综述了采用循环流化床锅炉用生物质废弃物林业废弃物、农业废弃物作为燃料进行焚烧处理的国内外现状，详细介绍了废弃木材、秸秆、稻壳、果核、橄榄饼、甘蔗渣和向日葵茎干这些生物质废弃物在循环流化床锅炉里燃烧的研究和应用现状，指出了目前存在的问题及努力的方向。 引言 煤、石油、天然气等化石燃料从20世纪70年代就开始大规模的开采，其存储量急剧减少。据预测，地球上蕴藏的可开发利用的煤和石油等化石能源将分别在200年和30～40年以内耗竭，而天然气按储采比也只能用60年。目前，寻找替代能源已经引起全社会的广泛关注[1，2]。 生物质能是一种可再生能源，来源十分丰富。它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。当前，生物质燃料的消耗已占世界总能源消耗的14，在发展中国家这一比例达到38。据世界粮农组织FAO预测，到2050年,以生物质能源为主的可再生能源将提供全世界60的电力和40的燃料，其价格低于化石燃料。生物质燃料的开发利用已经成为世界的共识[3-5]。在众多的生物质能源转换技术中，直接燃烧是高效利用生物质资源最为切实可行的方式之一[6]。循环流化床CFBCirculating Fluidized Bed燃烧技术由于在替代燃料、处理各种废弃物和保护环境三方面具有其它燃烧技术无可比拟的独特优势而逐渐受到各国的关注[7，8]。利用该技术处理生物质是20世纪80年代末开始的，国外已具有相当的规模和一定的运行经验，而在中国的应用刚刚起步[9，10]。 了解生物质废弃物在CFB锅炉里燃烧的研究与应用现状对生物质废弃物进一步的回收利用以及解决能源问题都将具有非常重要的指导意义。以此为出发点，本文对国内外采用循环流化床燃烧装置焚烧生物质废弃物燃料的现状进行介绍，并对未来进行了展望。 1生物质成型技术 实践已经证明，由于各种生物质燃料自身特性的原因，即使经过简单破碎的秸秆、废木材、稻壳等生物质废弃物仍然具有热值较低、形状很不规则的特点。因此，它的炉前热值经常发生很大的变化，若将其直接送入CFB锅炉里进行燃烧，会出现燃烧不稳定的现象。另外，由于空隙率很高，这些体积庞大的生物质废弃物也不利于长距离的运输。为了解决上述矛盾，生物质压缩成型技术应运而生。生物质压缩成型技术是把生物质与经过除氯的添加剂混合后被铸造模型制成具有统一尺寸、所含热值均匀并易于输送的衍生燃料。 将生物质加工成成型燃料是利用CFB锅炉燃烧生物质的重要方式。成型燃料代替原生物质燃料进行燃烧，可以减少大量的化学不完全燃烧热损失与排烟热损失。而且燃烧速度均匀适中，燃烧相对稳定[9]。 在生物质压缩成型的过程中，一般都会加入一些添加剂石灰石等和其他辅助燃料煤、污泥等。这种方式充分发挥了生物质燃料易着火和其他辅助燃料燃烧稳定的优点，是当前生物质燃料进行燃烧利用的重点，各国学者的研究也大都集中于此。西方发达国家、泰国、印尼等国已投入使用，中国和土耳其等国也正在推广[6，8-10]。 2林业废弃物在CFB锅炉里的燃烧 林业废弃物主要是指林业生产和加工过程中产生的废弃木材、木屑或木球、树皮等废弃物。 西方发达国家研究废弃木材作为CFB锅炉的燃料已经很多年了。20世纪80年代末，美国就开发出大型燃烧废木料的CFB锅炉，分别安装在Freson、Rocklin和Mecca。瑞典也是以林业废弃物作为大型CFB锅炉的重要燃料加以利用的，尽管这些燃料的含水率有时高达50～60，但锅炉的热效率仍可达到80。丹麦为了减少二氧化碳的排放，采用奥斯龙公司的高倍率CFB锅炉将干草或木屑与煤以6∶4的比例送入炉内燃烧，效果较好。目前世界上最大容量的燃烧生物质的循环流化床锅炉就是FW公司240MW的烧废木材的CFB锅炉，它的成功运行为燃烧林业废弃物的CFB锅炉的大型化奠定了良好的基础。此外，德国、芬兰、法国、意大利、土耳其和俄罗斯等国家也先后对CFB锅炉燃烧废木材进行了研究[9，10，11-14]。 PretoF[11]通过试验发现以废弃木材为燃料的CFB锅炉运行情况较好，燃烧效率可以超过99。在气体排放方面，除了CO外，NOx、N2O、SO2、Furans等的排放都低于允许标准。Hiltunen MA等[12]发现燃烧产生的灰渣很少，细而均匀。但是，由于燃料里含有较多灰熔点低的钾，灰比较容易在锅炉里结垢。而且，燃料里还含有氯和碱性物质，这些物质都有很强的腐蚀作用。 AmandLE等[13]发现，燃烧产生的灰份里含有很多金属Hg、Cd、Cr、Cu、Mn和Zn等,但是它们的含量都在欧洲联合会EC所规定的范围之内。OrjalaM等[14]通过研究也证明了使用CFB锅炉燃烧废弃木材是可行的。同时，他们从经济上分析后又指出，作为CFB锅炉燃料的废弃木材不适宜远距离输送。举例来说，当机组容量为25MW时，运输距离最好不超过70km。若按照这个运输距离70km进行计算，保守估计，生产每千瓦时电能可以节约6美分的成本[11]。 以上研究对采用CFB锅炉燃烧废弃木材的可能性给予了充分的肯定，但由碱金属引起的结垢和腐蚀问题不容忽视。与此同时，各国学者对在废弃木材里添加辅助燃料在CFB锅炉里的燃烧特性进行了研究，而污泥是被研究的最为广泛的一种辅助燃料。LecknerB等[15]及AmandLE等[13，16，17]通过实验证明，在球状木屑加入污泥之后，CFB锅炉在金属及气体排放CO、NOx、SO2控制方面都是可行的。需要指出的是，正常燃烧时，氯气的排放量超过了欧洲联合会所规定的标准。但是在对烟气进行了喷射湿石灰处理后，氯气的排放也满足排放要求。 LecknerB等[15]还发现，对于污泥与木材的混烧，添加更多的石灰石对降低SO2排放量也可以取得明显的效果。另一个重要发现就是，空气的分段送入对控制木材、污泥等高挥发分燃料燃烧的气体排放效果不明显。AmandLE等[16，17]发现，烟气中各种有害气体的浓度主要与混合燃料中污泥各成分氮、硫和氯含量的有关，在未加入像石灰石处理硫和氯的情况下，所排放烟气里的CO2的浓度仍比较低，并且没有轻质烃产生。他们同时还指出，经过干燥的污泥与木屑混合燃烧对实际的操作运行非常有利，而对只经过机械除水的污泥来说，锅炉是不能正常运行的。 除污泥外，有学者对木屑与其它燃料在CFB锅炉里的混烧进行了研究。DuoWenli等[7]发现，在木屑里混入2～5的TDFTire derived fuel作为CFB锅炉补充燃料时，会使平均床温升高55℃，而且可以改善燃烧质量；虽然TDF含有1的锌和5～7的钢铁性物质，但TDF的加入并没有使烟气中总的烟尘量增加。需要注意的是，由于TDF中较高的含硫量，使SO2排放量有所增加。 所有的研究表明，CFB锅炉混烧废弃木材与污泥、TDF等的混合燃料在燃烧稳定性和污染物排放上的综合性能是优于纯烧