体排放(CO、NO x、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。L eckner B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。Am and L E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。D uo W enli等[7]发现,在木屑里混入2%~5%的TD F(T ire 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TD F含有1%的锌和5%~7%的钢铁性物质,但TD F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TD F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、TD F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废木材的,但对于碱金属所引起的结垢和腐蚀问题还需进一步研究。
3 农业废弃物在CFB锅炉里的燃烧
农业废弃物主要是指农业生产、加工过程中所产生的秸秆、稻壳等废弃物。它产量巨大,除了少量用于返田以外,还有大量的剩余。如何将这些农业废弃物的化学能有效地转化为高品位的热能,意义十分重大[3]。这一点对中国则更具深远意义,这不仅关系到解决国家能源短缺和环境污染的问题,而且对解决“三农问题”,发展农村经济、提高农民收入、改善农村生活条件、发展循环经济、建设节约型社会都具有十分重要的作用[4]。CFB燃烧技术的发展为合理利用这些农业废弃物燃料提供了
一条可行之路。目前,国内外对采用CFB锅炉燃烧各种农业废弃物已经展开了一定的研究,并取得了一些成果[18-20]。
3.1 秸秆在CFB锅炉里的燃烧
秸秆是农村的传统燃料,传统的燃烧方法会造成大量的排烟热损失和大量的气体(CO、H2、CH4等不完全燃烧损失,利用CFB燃烧技术并采用秸秆成型技术是将这些大量的农业废弃物进行有效的转化和利用的重要手段[18,19]。
运用秸秆成型技术,原料的密度可达0.8~1.3t m3,能量密度与中质煤相当,燃烧特性明显改善,且储存、运输、使用方便,可代替矿物能源。目前,国内外各种成型技术已基本成熟[20,21]。
然而,农作物秸秆成型燃料目前主要还是在链条炉和鼓泡流化床锅炉上使用,技术比较成熟,而在CFB锅炉上使用的相关文献较少。
Glazer M P等[22]在CFB锅炉上研究了秸秆与煤的混合燃烧后发现:烟气中碱性成分的含量与初始燃料里钾、钠的含量有关,且气态的碱金属的浓度比纯秸秆燃烧时有所降低,混合燃料的SO2排放量比纯秸秆大大增加。沈伯雄等[23]指出,生物质和煤混合燃料中煤比例的增加将会导致SO2和NO x的排放量增加。但是,由于生物质燃料中挥发分的燃烧而消耗大量氧气,形成局部还原性气氛,抑制了SO2和NO x的生成,致使SO2和NO x排放的增加量不多。
烧结是采用CFB锅炉燃烧秸秆经常发生的问题。秸秆具有很高的碱金属含量,这些碱金属与C l和Si以一定的比例结合会产生腐蚀和形成沉淀,并使流化床产生流化问题[22]。烧结的发生与温度、流化速度和气氛有关,其中温度是影响烧结的最主要因素。别如山等[8]及Grubo r B D等[24]指出,合理布置燃烧系统及受热面和添加Fe2O3、A l2O3等惰性添加剂可以很好的防止结焦。同时他们发现,用Fe2O3做床料,当灰中钾、钠总含量超过20%且床温在900℃以上时,也只有很小的结块,此性能优于
A l2O3和Si O2作床料的情况。
3.2 稻壳在CFB锅炉里的燃烧
循环流化床燃烧技术能很好地满足稻壳的高挥发分析出迅速、固定碳难以燃尽的特点,所以,稻壳的循环流化床燃烧技术便成了当前稻壳燃烧技术的研究重点。
稻壳表面的毛刺极大地影响了稻壳的流化特性,在进行燃烧前要经过预处理。许卫国等[25]及陈冠益等[18]研究发现,纯稻壳不易流化,与煤混合后的综合流化性能有一定改善,而与石英砂混合效果更好。陈冠益等还发现:锅炉的飞灰含碳量明显高于灰渣的含碳量。尽管如此,燃烧效率仍高达97%;另外,由于稻壳本身氮和硫的含量极少,在不用任何脱硫剂、脱硝措施情况下,稻壳燃烧所排放出的主要大气污染物都远低于排放标准。以上研究结果说明了稻壳作为CFB锅炉的燃料在运行状况和气体排放上是可行的,而在金属排放方面还需要展开相应的研究。
H ansen L A等[26]及张殿军等[27]研究CFB锅炉里燃烧稻壳和煤的混合燃料时发现,稻壳里的碱金属(钠和钾对灰在换热表面上的沉淀影响很大。而且,当稻壳含氯较高(如稻草时,将使壁温高于400℃的受热面发生高温腐蚀。
稻壳的灰份含量较少,通常在运行过程中也需要加入一定粒径的添加剂(如沙子。由于沙子的密度远大于稻壳颗粒的密度,稻壳在炉内的运动有可能存在部分分层的现象。但总体上,稻壳颗粒在炉内仍可简化认为是均匀混合的[28]。
黑龙江建三江分局华盛热电股份责任有限公司将原来烧烟煤的35t h CFB锅炉改烧烟煤和稻壳的混合物。根据不同的煤质变化情况,煤和稻壳的混料比例一般在2∶1和3∶1之间时燃烧工况最佳。在一年的运行过程中,锅炉节煤在20%~45% (相当于原煤款200万元,经济效益相当可观[29]。
3.3 果核在CFB锅炉里的燃烧
杏核和桃核等果核非常适合燃烧,它们的湿度很低,而且不含有像氯这样的有害成分。因为含有很高的木质素,热值和木材差不多。
A ysel T A等[19]在直径125mm、高1800mm的CFB燃烧装置里燃烧杏核和桃核发现,杏核和桃核燃烧时燃烧效率可以达到96%~98.95%,而且燃烧效率随着过量空气系数和床料固体颗粒循环倍率的增加而增加。试验中使用这种燃料时所需的过量空气系数Κ在一个较高的水平(1.6~2.1:Κ低于1.6时,燃烧效率仅仅为74?~85?;Κ=2.1时,燃烧时产生的SO2和NO x都会低于欧共体的限制要求。
文献[19]中还指出,对于小容量的CFB锅炉和洁净能源生产来说,水果核是一种很有潜力的燃料。Hüseyin T等[30]通过研
862农业工程学报2006年
究杏核、桃核等农业废弃物与土耳其煤在CFBC里的混合燃烧
情况后指出,杏核、桃核与煤在CFBC里混烧不仅可以保持较高的燃烧效率(93.5%~97%,而且可以实现锅炉机组的大型化。他们同时还发现,为了维持较低的污染物排放量,果核与煤混合时存在着最小混合质量比(1∶4左右。
3.4 橄榄饼(O live cake在CFB锅炉里的燃烧
C liffe K R等[20]、Suk sank raiso rn K等[21]、A r m esto L等[31]及A ysel T A等[32]发现,在CFB锅炉里燃烧橄榄饼与煤的混合燃料可以保持较高的燃烧效率。C liffe K R等还发现:与纯煤燃烧相比,在橄榄饼的质量占20%时,燃烧效率降低最多,但也仅仅下降5%;随着橄榄饼含量的增加,NO x和SO2的排放量减少,而N2O的排放量稍有增加。而Suk sank raiso rn K等发现,随着橄榄饼含量的增加,NO的排放量也稍有增加。To ram an O Y 等[33]通过试验指出,对于利用CFB锅炉来燃烧像污泥这样的低燃烧质量的燃料来说,橄榄饼将会是一个很好的辅助燃料。Topal H等[34]还分别进行了橄榄饼独自燃烧,和油页岩、柴油一起混烧的试验。所有结果均表明,对于洁净煤燃烧技术来说,橄榄饼在小规模的工业CFB锅炉里混烧是很好的。
3.5 甘蔗渣在CFB锅炉里的燃烧