生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)量的與日俱增及環(huán)保要求的不斷提高使循環(huán)流化床燃燒技術(shù)逐漸在生物質(zhì)廢棄物的處理和利用方面扮演越來越重要的角色。該文綜述了采用循環(huán)流化床鍋爐用生物質(zhì)廢棄物(林業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物)作為燃料進(jìn)行焚燒處理的國內(nèi)外現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了廢棄木材、秸稈、稻殼、果核、橄欖餅、甘蔗渣和向日葵莖干這些生物質(zhì)廢棄物在循環(huán)流化床鍋爐里燃燒的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了目前存在的問題及努力的方向。

0引言

煤、石油、天然氣等化石燃料從20世紀(jì)70年代就開始大規(guī)模的開采，其存儲量急劇減少。據(jù)預(yù)測，地球上蘊(yùn)藏的可開發(fā)利用的煤和石油等化石能源將分別在200年和30～40年以內(nèi)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(jīng)引起全社會的廣泛關(guān)注[1，2]。

生物質(zhì)能是一種可再生能源，來源十分豐富。它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源。當(dāng)前，生物質(zhì)燃料的消耗已占世界總能源消耗的14%，在發(fā)展中國家這一比例達(dá)到38%。據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)預(yù)測，到2050年,以生物質(zhì)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，其價格低于化石燃料。生物質(zhì)燃料的開發(fā)利用已經(jīng)成為世界的共識[3-5]。在眾多的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中，直接燃燒是高效利用生物質(zhì)資源最為切實可行的方式之一[6]。循環(huán)流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)燃燒技術(shù)由于在替代燃料、處理各種廢棄物和保護(hù)環(huán)境三方面具有其它燃燒技術(shù)無可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢而逐漸受到各國的關(guān)注[7，8]。利用該技術(shù)處理生物質(zhì)是20世紀(jì)80年代末開始的，國外已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗，而在中國的應(yīng)用剛剛起步[9，10]。

了解生物質(zhì)廢棄物在CFB鍋爐里燃燒的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀對生物質(zhì)廢棄物進(jìn)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(dǎo)意義。以此為出發(fā)點，本文對國內(nèi)外采用循環(huán)流化床燃燒裝置焚燒生物質(zhì)廢棄物燃料的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對未來進(jìn)行了展望。

1生物質(zhì)成型技術(shù)

實踐已經(jīng)證明，由于各種生物質(zhì)燃料自身特性的原因，即使經(jīng)過簡單破碎的秸稈、廢木材、稻殼等生物質(zhì)廢棄物仍然具有熱值較低、形狀很不規(guī)則的特點。因此，它的爐前熱值經(jīng)常發(fā)生很大的變化，若將其直接送入CFB鍋爐里進(jìn)行燃燒，會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外，由于空隙率很高，這些體積龐大的生物質(zhì)廢棄物也不利于長距離的運(yùn)輸。為了解決上述矛盾，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是把生物質(zhì)與經(jīng)過除氯的添加劑混合后被鑄造模型制成具有統(tǒng)一尺寸、所含熱值均勻并易于輸送的衍生燃料。

將生物質(zhì)加工成成型燃料是利用CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)的重要方式。成型燃料代替原生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒，可以減少大量的化學(xué)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(wěn)定[9]。

在生物質(zhì)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(fā)揮了生物質(zhì)燃料易著火和其他輔助燃料燃燒穩(wěn)定的優(yōu)點，是當(dāng)前生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒利用的重點，各國學(xué)者的研究也大都集中于此。西方發(fā)達(dá)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[6，8-10]。

2林業(yè)廢棄物在CFB鍋爐里的燃燒

林業(yè)廢棄物主要是指林業(yè)生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的廢棄木材、木屑(或木球)、樹皮等廢棄物。

西方發(fā)達(dá)國家研究廢棄木材作為CFB鍋爐的燃料已經(jīng)很多年了。20世紀(jì)80年代末，美國就開發(fā)出大型燃燒廢木料的CFB鍋爐，分別安裝在 Freson、Rocklin和Mecca。瑞典也是以林業(yè)廢棄物作為大型CFB鍋爐的重要燃料加以利用的，盡管這些燃料的含水率有時高達(dá) 50%～60%，但鍋爐的熱效率仍可達(dá)到80%。丹麥為了減少二氧化碳的排放，采用奧斯龍公司的高倍率CFB鍋爐將干草(或木屑)與煤以6∶4的比例送入爐內(nèi)燃燒，效果較好。目前世界上最大容量的燃燒生物質(zhì)的循環(huán)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(yùn)行為燃燒林業(yè)廢棄物的CFB鍋爐的大型化奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，德國、芬蘭、法國、意大利、土耳其和俄羅斯等國家也先后對CFB鍋爐燃燒廢木材進(jìn)行了研究[9，10，11-14]。

PretoF[11]通過試驗發(fā)現(xiàn):以廢棄木材為燃料的CFB鍋爐運(yùn)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等的排放都低于允許標(biāo)準(zhǔn)。Hiltunen MA等[12]發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)生的灰渣很少，細(xì)而均勻。但是，由于燃料里含有較多灰熔點低的鉀，灰比較容易在鍋爐里結(jié)垢。而且，燃料里還含有氯和堿性物質(zhì)，這些物質(zhì)都有很強(qiáng)的腐蝕作用。

AmandLE等[13]發(fā)現(xiàn)，燃燒產(chǎn)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(lián)合會(EC)所規(guī)定的范圍之內(nèi)。OrjalaM等[14]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(jīng)濟(jì)上分析后又指出，作為CFB鍋爐燃料的廢棄木材不適宜遠(yuǎn)距離輸送。舉例來說，當(dāng)機(jī)組容量為25MW時，運(yùn)輸距離最好不超過70km。若按照這個運(yùn)輸距離(70km)進(jìn)行計算，保守估計，生產(chǎn)每千瓦時電能可以節(jié)約6美分的成本[11]。

以上研究對采用CFB鍋爐燃燒廢棄木材的可能性給予了充分的肯定，但由堿金屬引起的結(jié)垢和腐蝕問題不容忽視。與此同時，各國學(xué)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(jìn)行了研究，而污泥是被研究的最為廣泛的一種輔助燃料。LecknerB等[15]及AmandLE等[13，16，17]通過實驗證明，在球狀木屑加入污泥之后，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(lián)合會所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。但是在對煙氣進(jìn)行了噴射濕石灰處理后，氯氣的排放也滿足排放要求。

LecknerB等[15]還發(fā)現(xiàn)，對于污泥與木材的混燒，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(fā)現(xiàn)就是，空氣的分段送入對控制木材、污泥等高揮發(fā)分燃料燃燒的氣體排放效果不明顯。AmandLE等[16，17]發(fā)現(xiàn)，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(guān)，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，并且沒有輕質(zhì)烴產(chǎn)生。他們同時還指出，經(jīng)過干燥的污泥與木屑混合燃燒對實際的操作運(yùn)行非常有利，而對只經(jīng)過機(jī)械除水的污泥來說，鍋爐是不能正常運(yùn)行的。

除污泥外，有學(xué)者對木屑與其它燃料在CFB鍋爐里的混燒進(jìn)行了研究。DuoWenli等[7]發(fā)現(xiàn)，在木屑里混入2%～5%的TDF(Tire derived fuel)作為CFB鍋爐補(bǔ)充燃料時，會使平均床溫升高55℃，而且可以改善燃燒質(zhì)量;雖然TDF含有1%的鋅和5%～7%的鋼鐵性物質(zhì)，但TDF的加入并沒有使煙氣中總的煙塵量增加。需要注意的是，由于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(wěn)定性和污染物排放上的綜合性能是優(yōu)于純燒廢木材的，但對于堿金屬所引起的結(jié)垢和腐蝕問題還需進(jìn)一步研究。

3農(nóng)業(yè)廢棄物在CFB鍋爐里的燃燒

農(nóng)業(yè)廢棄物主要是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工過程中所產(chǎn)生的秸稈、稻殼等廢棄物。它產(chǎn)量巨大，除了少量用于返田以外，還有大量的剩余。如何將這些農(nóng)業(yè)廢棄物的化學(xué)能有效地轉(zhuǎn)化為高品位的熱能，意義十分重大[3]。這一點對中國則更具深遠(yuǎn)意義，這不僅關(guān)系到解決國家能源短缺和環(huán)境污染的問題，而且對解決“三農(nóng)問題”，發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入、改善農(nóng)村生活條件、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會都具有十分重要的作用[4]。CFB燃燒技術(shù)的發(fā)展為合理利用這些農(nóng)業(yè)廢棄物燃料提供了一條可行之路。目前，國內(nèi)外對采用CFB鍋爐燃燒各種農(nóng)業(yè)廢棄物已經(jīng)展開了一定的研究，并取得了一些成果[18-20]。

3.1秸稈在CFB鍋爐里的燃燒

秸稈是農(nóng)村的傳統(tǒng)燃料，傳統(tǒng)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(shù)并采用秸稈成型技術(shù)是將這些大量的農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)化和利用的重要手段[18，19]。

運(yùn)用秸稈成型技術(shù)，原料的密度可達(dá)0.8～1.3t/m3，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒特性明顯改善，且儲存、運(yùn)輸、使用方便，可代替礦物能源。目前，國內(nèi)外各種成型技術(shù)已基本成熟[20，21]。

然而，農(nóng)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(shù)比較成熟，而在CFB鍋爐上使用的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

GlazerMP等[22]在CFB鍋爐上研究了秸稈與煤的混合燃燒后發(fā)現(xiàn):煙氣中堿性成分的含量與初始燃料里鉀、鈉的含量有關(guān)，且氣態(tài)的堿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[23]指出，生物質(zhì)和煤混合燃料中煤比例的增加將會導(dǎo)致SO2和NOx的排放量增加。

但是，由于生物質(zhì)燃料中揮發(fā)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(jié)是采用CFB鍋爐燃燒秸稈經(jīng)常發(fā)生的問題。秸稈具有很高的堿金屬含量，這些堿金屬與Cl和Si以一定的比例結(jié)合會產(chǎn)生腐蝕和形成沉淀，并使流化床產(chǎn)生流化問題[22]。燒結(jié)的發(fā)生與溫度、流化速度和氣氛有關(guān)，其中溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。別如山等[8]及GruborBD等[24]指出，合理布置燃燒系統(tǒng)及受熱面和添加Fe2O3、Al2O3等惰性添加劑可以很好的防止結(jié)焦。同時他們發(fā)現(xiàn)，用Fe2O3做床料，當(dāng)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(jié)塊，此性能優(yōu)于Al2O3和SiO2作床料的情況。

3.2稻殼在CFB鍋爐里的燃燒

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)能很好地滿足稻殼的高揮發(fā)分析出迅速、固定碳難以燃盡的特點，所以，稻殼的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)便成了當(dāng)前稻殼燃燒技術(shù)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(jìn)行燃燒前要經(jīng)過預(yù)處理。許衛(wèi)國等[25]及陳冠益等[18]研究發(fā)現(xiàn)，純稻殼不易流化，與煤混合后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(fā)現(xiàn):鍋爐的飛灰含碳量明顯高于灰渣的含碳量。盡管如此，燃燒效率仍高達(dá)97%;另外，由于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(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。以上研究結(jié)果說明了稻殼作為CFB鍋爐的燃料在運(yùn)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(yīng)的研究。

HansenLA等[26]及張殿軍等[27]研究CFB鍋爐里燃燒稻殼和煤的混合燃料時發(fā)現(xiàn)，稻殼里的堿金屬(鈉和鉀)對灰在換熱表面上的沉淀影響很大。而且，當(dāng)?shù)練ず容^高(如稻草)時，將使壁溫高于400℃的受熱面發(fā)生高溫腐蝕。

稻殼的灰份含量較少，通常在運(yùn)行過程中也需要加入一定粒徑的添加劑(如沙子)。由于沙子的密度遠(yuǎn)大于稻殼顆粒的密度，稻殼在爐內(nèi)的運(yùn)動有可能存在部分分層的現(xiàn)象。但總體上,稻殼顆粒在爐內(nèi)仍可簡化認(rèn)為是均勻混合的[28]。

黑龍江建三江分局華盛熱電股份責(zé)任有限公司將原來燒煙煤的35t/hCFB鍋爐改燒煙煤和稻殼的混合物。根據(jù)不同的煤質(zhì)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(yùn)行過程中，鍋爐節(jié)煤在20%～45%(相當(dāng)于原煤款200萬元),經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀[29]。

3.3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(zhì)素，熱值和木材差不多。

AyselTA等[19]在直徑125mm、高1800mm的CFB燃燒裝置里燃燒杏核和桃核發(fā)現(xiàn)，杏核和桃核燃燒時燃燒效率可以達(dá)到96%～98.95%，而且燃燒效率隨著過量空氣系數(shù)和床料固體顆粒循環(huán)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系數(shù)λ在一個較高的水平(1.6～2.1):λ低于1.6時,燃燒效率僅僅為74%～85%;λ=2.1時，燃燒時產(chǎn)生的SO2和NOx都會低于歐共體的限制要求。

文獻(xiàn)[19]中還指出，對于小容量的CFB鍋爐和潔凈能源生產(chǎn)來說，水果核是一種很有潛力的燃料。HüseyinT等[30]通過研究杏核、桃核等農(nóng)業(yè)廢棄物與土耳其煤在CFBC里的混合燃燒情況后指出，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(xiàn)鍋爐機(jī)組的大型化。他們同時還發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量比(1∶4左右)。

3.4橄欖餅(Olivecake)在CFB鍋爐里的燃燒

CliffeKR等[20]、SuksankraisornK等[21]、ArmestoL等[31]及AyselTA等[32]發(fā)現(xiàn)，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。CliffeKR等還發(fā)現(xiàn):與純煤燃燒相比，在橄欖餅的質(zhì)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SuksankraisornK等發(fā)現(xiàn)，隨著橄欖餅含量的增加,NO的排放量也稍有增加。ToramanOY等[33]通過試驗指出，對于利用CFB鍋爐來燃燒像污泥這樣的低燃燒質(zhì)量的燃料來說，橄欖餅將會是一個很好的輔助燃料。

TopalH等[34]還分別進(jìn)行了橄欖餅獨(dú)自燃燒，和油頁巖、柴油一起混燒的試驗。所有結(jié)果均表明，對于潔凈煤燃燒技術(shù)來說，橄欖餅在小規(guī)模的工業(yè)CFB鍋爐里混燒是很好的。

3.5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(guān)文獻(xiàn)也很少。米鐵等對甘蔗渣在循環(huán)流化床燃燒裝置里的燃燒熱解進(jìn)行了研究，相關(guān)的信息參見文獻(xiàn)[35]。

另據(jù)文獻(xiàn)[36]報道，中國廣西露塘糖廠35t/h混燒甘蔗渣和煤的循環(huán)流化床鍋爐取得了成功。該廠的實際運(yùn)行經(jīng)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，由于進(jìn)料的問題，純燒甘蔗渣時會使鍋爐蒸發(fā)量下降,甘蔗渣的供給方式有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

3.6向日葵莖干在CFB鍋爐里的燃燒

由于向日葵莖干在農(nóng)業(yè)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(guān)注。HüseyinT等[30]通過實驗指出，向日葵莖干與煤在CFB燃燒裝置里的混燒是可行的。而且，當(dāng)向日葵莖干與煤混合的質(zhì)量比為1∶3時，污染物的排放量最小。

4存在問題及展望

1)國內(nèi)外對各種生物質(zhì)燃料的研究力度區(qū)別明顯:對生物質(zhì)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(zhì)燃料的研究相對較少。另外，目前尚未發(fā)現(xiàn)研究水生植物在CFB鍋爐里燃燒的相關(guān)文獻(xiàn)。

2)采用CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)燃料，獨(dú)燒效果不如混燒好,這是各國學(xué)者的共識。但是，國內(nèi)外對各種生物質(zhì)燃料與高熱值燃料混燒的研究還不系統(tǒng)，應(yīng)在混合比例和相應(yīng)的污染物排放方面(特別是金屬排放方面)進(jìn)行全面的研究，最好能夠形成生物質(zhì)在CFB鍋爐燃燒的數(shù)據(jù)庫。其中，將城市生活污泥、煤泥、水煤漿和TDF作為生物質(zhì)的輔助燃料，均是不錯的選擇。

3)目前，各國對采用CFB鍋爐燃燒農(nóng)業(yè)廢棄物因其高堿金屬含量所導(dǎo)致的堿金屬腐蝕問題認(rèn)識還不夠深刻，應(yīng)該在腐蝕機(jī)理、腐蝕區(qū)域以及相應(yīng)的對策上進(jìn)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(fā)分燃料燃燒的氣體排放效果不明顯，其原因尚待進(jìn)一步研究，而分級送風(fēng)對流場的影響以及揮發(fā)分析出和燃燒所發(fā)生的區(qū)域則是研究此問題所應(yīng)該著重考慮的。

5)燃料特性對循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計與運(yùn)行有很大影響,而關(guān)于CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)燃料數(shù)值模型方面的研究目前還不多見。如果能夠?qū)ι镔|(zhì)燃料在CFB鍋爐里的燃燒進(jìn)行充分的數(shù)值研究也將會極大地促進(jìn)CFB鍋爐在生物質(zhì)燃料燃燒中的應(yīng)用。