大型洗選煤中心廢棄物綜合利用分析

寇建玉，劉 豐，王振華

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

神華萬(wàn)利川布爾臺(tái)洗選中心位于地域遼闊、資源豐富的鄂爾多斯，年生產(chǎn)能力3100萬(wàn)t，洗選中心于2007年7月投產(chǎn)，2009年達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量；是神華能源股份有限公司萬(wàn)利分公司為其所屬寸草塔一、二煤礦、小柳塔煤礦和布爾臺(tái)煤礦配套建設(shè)的群礦選煤廠。

洗煤廠一旦投產(chǎn)，在生產(chǎn)高品質(zhì)精煤的同時(shí)，也會(huì)源源不斷地產(chǎn)生廢棄物—煤泥和煤矸石；布爾臺(tái)洗選中心排出的廢棄物占入選煤量的35%，其中煤矸石22%、煤泥13%(含水約22%)。初步統(tǒng)計(jì)，該洗選中心年排出煤泥約400萬(wàn)t、煤矸石約680萬(wàn)t。到目前為止，該洗煤廠排出的煤泥、煤矸石采用運(yùn)送至空閑場(chǎng)地堆放的方式處置。

煤矸石棄置不用不僅占用大片土地，其中的硫化物逸出或浸出還會(huì)污染大氣、農(nóng)田和水體。矸石山自燃輕則產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體，造成大氣污染；重則發(fā)生火災(zāi)，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災(zāi)害。

煤泥由煤炭、矸石與粘土混合組成，一般濃度(含固量)為72%～77%，顆粒直徑小于0.5mm，產(chǎn)量約為入洗原煤的10%～20%，是一種高濃度、高粘度的粘稠物料。其堆積形態(tài)極不穩(wěn)定，自流而不成形，露天堆放會(huì)對(duì)周區(qū)環(huán)境造成“遇水流失、遇風(fēng)飛揚(yáng)”的二次污染；同時(shí)煤泥還具有水分大、顆粒細(xì)、粘度大的特點(diǎn)，運(yùn)輸困難、不易儲(chǔ)存。

布爾臺(tái)洗選中心投產(chǎn)已兩年多，煤泥和煤矸石越堆越多，對(duì)周邊環(huán)境的影響也日益凸現(xiàn)；煤矸石雖然有多種綜合利用去向，但綜合考慮煤泥的特點(diǎn)并兼顧業(yè)主方的意見(jiàn)，認(rèn)為將煤矸石和煤泥就地作為鍋爐燃料用于發(fā)電和供熱具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)、環(huán)境效益，是最好的綜合利用去向。

2 燃料特性

神華能源股份有限公司萬(wàn)利分公司布爾臺(tái)群礦洗煤廠入選的原煤和產(chǎn)生的廢棄物—煤泥、煤矸石的成分分析和灰分析見(jiàn)表1。

3 機(jī)組選型

煤泥水分高、粘性大、顆粒細(xì)、易結(jié)團(tuán)，大量進(jìn)入爐膛后，難以合理的組織燃燒。煤矸石灰分高、發(fā)熱量低、磨損性強(qiáng)，鍋爐以煤矸石為單一燃料著火難、不容易達(dá)到穩(wěn)定、高效燃燒。各大鍋爐廠經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，已取得了在大型CFB機(jī)組上摻燒煤矸石的成功案例，如蒙西電廠、神華準(zhǔn)能煤矸石電廠；同時(shí)摻燒煤矸石和煤泥的300MW CFB機(jī)組也有了生產(chǎn)和投運(yùn)業(yè)績(jī)，如寧東電廠和徐礦電廠正在建設(shè)中，淮北臨渙電廠1#機(jī)組于2009年3月通過(guò)168h聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。洗選中心煤泥經(jīng)過(guò)適度干燥可以降低水分、提高發(fā)熱量；東方鍋爐廠認(rèn)為只要煤粉細(xì)度適合、發(fā)熱量高于3400 Kcal/kg，鍋爐可以100%燒煤泥。因此，布爾臺(tái)洗選中心的廢棄物可以選擇CFB和煤泥干燥 + 煤粉爐兩種方案實(shí)現(xiàn)綜合利用。

鑒于350MW、600MW 超臨界CFB技術(shù)尚處于起步和試驗(yàn)階段，本文采用330MW亞臨界機(jī)組進(jìn)行方案比較。

3.1 方案擬定原則

⑴ 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)辦公廳文件(發(fā)改辦能源[2004]864號(hào))《國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于加強(qiáng)煤矸石發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)管理工作的通知》。

⑵ 機(jī)組的年燃煤量中消耗的煤泥和煤矸石量等于選煤廠全年的煤泥(400萬(wàn)t)和煤矸石(680萬(wàn)t)產(chǎn)量。

表1 煤質(zhì)分析及灰分析

⑶ 機(jī)組的二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物的排放濃度控制在同一水平。

3.2 方案擬定

3.2.1 燃料配比

全廠采用CFB機(jī)組，鍋爐燃料中煤泥和煤矸石的比例完全按照洗煤廠排出比例確定，即：原煤∶煤泥∶煤矸石=22∶29∶49。

煤粉爐無(wú)法混燒矸石，為了保證入爐煤的發(fā)熱量在14.6MJ/kg以上，擬定混煤比例如下：原煤∶煤泥=10∶90。為消耗掉煤矸石，廠內(nèi)仍需配置CFB機(jī)組；混燒原煤和煤矸石的CFB機(jī)組混煤比例為原煤：煤矸石=35∶65。

3.2.2 裝機(jī)方案

1176t/h亞臨界CFB/煤粉鍋爐 + 330MW亞臨界、一次中間再熱直接空冷凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。

鍋爐主要技術(shù)規(guī)范：

過(guò)熱蒸汽流量 1176 t/h

過(guò)熱蒸汽出口壓力 17.6 MPa.g

過(guò)熱蒸汽出口溫度 540 ℃

鍋爐保證熱效率(按低位發(fā)熱量)：

90 %/91.5 %(CFB/煤粉鍋爐)

3.2.3 燃料輸送系統(tǒng)

3.2.3.1 CFB 方案

原煤和煤矸石采用常規(guī)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行輸送，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)內(nèi)分別設(shè)置一級(jí)粗碎，一級(jí)細(xì)碎對(duì)原煤及矸石進(jìn)行破碎處理，以滿足CFB鍋爐燃料入爐粒度要求；粒度合格的原煤和矸石輸送至爐前煤斗，再通過(guò)給煤機(jī)輸送至爐膛中燃燒。

煤泥在洗煤廠洗選車(chē)間經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)獨(dú)立于電廠輸煤系統(tǒng)的煤泥管道輸送系統(tǒng)，直接將煤泥輸送到循環(huán)流化床鍋爐頂部或中部密相區(qū)中進(jìn)行燃燒。

3.2.3.2 煤泥干燥 + 煤粉爐方案

方案的核心在于煤泥烘干系統(tǒng)。烘干系統(tǒng)將煤泥的含水率從22%降低至15%～17%后，與原煤混合；然后通過(guò)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)輸送至電廠。根據(jù)煤質(zhì)分析，適于采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)；燃燒系統(tǒng)與常規(guī)煤粉爐相同。

3.2.4 污染物排放

3.2.4.1 CFB 方案

CFB的燃燒溫度在850-950℃之間，屬于低溫燃燒，可以有效抑制熱力型NOx的生成；同時(shí)鍋爐采用分級(jí)燃燒，能夠在燃燒過(guò)程中有效控制NOx和SO2的產(chǎn)生。通常情況下CFB的NOx生成量?jī)H為煤粉鍋爐的1/3-1/4，NOx的排放濃度低于200-300mg/Nm3。此外，CFB在燃燒過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫，脫硫效率達(dá)90%以上。

CFB在抑制NOx和SO2生成方面的優(yōu)勢(shì)，使CFB機(jī)組不需要配置爐外脫硫和脫硝系統(tǒng)就可以滿足國(guó)家NOx和SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)然，由于沒(méi)有設(shè)置濕法脫硫系統(tǒng)，CFB機(jī)組需配置更高除塵效率的除塵設(shè)備以彌補(bǔ)煤粉爐方案由于安裝濕法脫硫裝置帶來(lái)的50%的洗塵效果。

3.2.4.2 煤泥干燥 + 煤粉爐方案

采用常規(guī)的石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)和SCR脫硝工藝以滿足SO2和NOx的排放要求，除塵器的除塵效率低于CFB 方案。

4.技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 技術(shù)比較

盡可能的消耗掉布爾臺(tái)洗選中心生產(chǎn)排出的煤泥及矸石是本工程進(jìn)行鍋爐選型和配置的基本原則，由于煤泥和矸石的產(chǎn)量非?？捎^，使燃料預(yù)處理和輸送系統(tǒng)較普通燃煤鍋爐電廠更為龐大和復(fù)雜。

同時(shí)摻燒煤矸石和煤泥的300MW CFB機(jī)組如寧東電廠和徐礦電廠正在建設(shè)中，淮北臨渙電廠1#機(jī)組已經(jīng)投運(yùn)；但以煤泥作為單一燃料的大型CFB和煤粉爐機(jī)組的建設(shè)尚未啟動(dòng),還處于理論研究階段。

如采用煤泥干燥 + 煤粉爐方案，鍋爐和燃料預(yù)處理及輸送系統(tǒng)是技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)，須進(jìn)行充分的調(diào)研和技術(shù)論證，以盡可能的降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

另外，煤泥顆粒細(xì)、水分高、揮發(fā)分高、粘度大，即使進(jìn)行了必要的干燥，煤倉(cāng)堵煤的可能性依然存在。采用雙曲線小煤斗、加大煤斗傾角、內(nèi)襯高分子材料、設(shè)置疏松裝置等防堵煤措施，可以在一定程度上降低原煤倉(cāng)堵煤的可能性；但由于煤泥結(jié)團(tuán)的特性不明確，充分的調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行仍然是必要的。雖然從煤質(zhì)分析看，選用中速磨煤機(jī)是適宜的；但鑒于煤泥的特殊性，磨煤機(jī)的選型建議通過(guò)試磨最終確定。

4.2 經(jīng)濟(jì)比較

4.2.1 2×330MW亞臨界CFB機(jī)組與煤粉爐機(jī)組比較

不考慮洗煤廠煤泥及煤矸石產(chǎn)量的情況，在機(jī)組容量相同、鍋爐污染物排放要求(脫硫系統(tǒng)設(shè)備按90%脫硫效率計(jì)列，脫硝系統(tǒng)設(shè)備按50%脫硝效率計(jì)列)相同的情況下，對(duì)CFB和煤粉鍋爐兩種的裝機(jī)方案的初投資和燃料費(fèi)用等進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備初投資和燃料費(fèi)用綜合經(jīng)濟(jì)比較

從表2可以看出，雖然CFB的造價(jià)高于煤粉鍋爐，但CFB方案節(jié)約了磨煤機(jī)、送粉管道、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、燃料預(yù)處理系統(tǒng)等方面的投資，其總投資較煤泥干燥+煤粉爐方案低16815萬(wàn)元。CFB方案采用原煤、煤泥、煤矸石摻燒，三者配比為22∶29∶49；而煤粉爐方案采用原煤和煤泥摻燒，摻燒比例為10∶90；由于煤矸石和煤泥價(jià)格相當(dāng)，原煤的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤矸石和煤泥，CFB方案的年燃料費(fèi)用也高出煤粉爐方案很多。CFB方案對(duì)洗選中心廢棄物的消耗比較均衡，煤矸石和煤泥均有消耗，但總量少于煤粉爐方案；煤粉爐方案只消耗了煤泥，但煤泥的消耗量大于CFB方案對(duì)廢棄物的消耗總量。

可見(jiàn)，CFB方案在初投資和廢棄物的均衡消耗方面有優(yōu)勢(shì)，而煤粉爐方案在年燃料費(fèi)用和廢棄物消耗總量方面有優(yōu)勢(shì)。

4.2.2 多臺(tái)330MW亞臨界CFB機(jī)組與煤粉爐機(jī)組比較

消耗掉洗選中心產(chǎn)生的全部煤泥和煤矸石，采用單一爐型—CFB，需要建設(shè)10臺(tái)CFB機(jī)組；采用CFB+煤粉爐機(jī)組的方案，需要建設(shè)4臺(tái)煤粉鍋爐和8臺(tái)CFB鍋爐。表3就不同的裝機(jī)方案，在鍋爐污染物排放要求(脫硫系統(tǒng)設(shè)備按90%脫硫效率計(jì)列，脫硝系統(tǒng)設(shè)備按50%脫硝效率計(jì)列)相同的條件下，對(duì)全廠設(shè)備初投資和燃料費(fèi)用等進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 設(shè)備初投資和燃料費(fèi)用綜合經(jīng)濟(jì)比較

5 未考慮設(shè)備運(yùn)行及折舊費(fèi)用

從表3可以看出，除CFB機(jī)組在系統(tǒng)設(shè)置和煤粉鍋爐的差異外，由于機(jī)組數(shù)量較多，煤粉爐+CFB方案的初投資和年燃料費(fèi)用均高于CFB方案；煤粉爐+CFB方案的年發(fā)電量高于CFB方案，單位千瓦時(shí)燃料費(fèi)用也高于CFB方案。

6 結(jié)論

目前已有摻燒煤矸石的大型CFB機(jī)組投運(yùn)，如蒙西電廠等；同時(shí)摻燒煤矸石和煤泥的大型CFB電廠—淮北臨渙電廠已經(jīng)投運(yùn)，寧東電廠和徐礦電廠正在建設(shè)中，因此CFB無(wú)論是摻燒煤矸石還是同時(shí)摻燒煤矸石和煤泥在技術(shù)上都比較成熟。煤粉爐采用干燥后的煤泥作為單一燃料，在理論上也是可行的；但由于沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上仍存在原煤倉(cāng)易堵煤，鍋爐組織燃燒、燃料預(yù)處理及輸送、磨煤機(jī)出粉情況難以預(yù)測(cè)等風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)論是采用CFB還是煤粉爐消耗煤泥和煤矸石，都會(huì)給洗選中心帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益；兩臺(tái)330MW亞臨界CFB機(jī)組(摻燒煤泥和煤矸石)和兩臺(tái)同參數(shù)、容量的煤粉爐(單純燒煤泥)機(jī)組相比，CFB機(jī)組在初投資和廢棄物的均衡消耗方面優(yōu)于煤粉爐，而煤粉爐機(jī)組在年燃料費(fèi)用和廢棄物消耗總量方面有優(yōu)勢(shì)。

規(guī)模較大的洗煤廠如布爾臺(tái)洗選中心，如果要消耗掉每年產(chǎn)生的全部煤泥及煤矸石，需要建設(shè)多臺(tái)機(jī)組。單一爐型火力發(fā)電廠較爐型多樣化電廠，無(wú)論運(yùn)行管理還是檢修維護(hù)都簡(jiǎn)單容易得多；而且從表3可以看出，無(wú)論初投資還是燃料費(fèi)用，只建設(shè)CFB機(jī)組的方案較CFB+煤粉爐方案更有優(yōu)勢(shì)。因此，建設(shè)大型洗煤廠的同時(shí)同步建設(shè)容量相當(dāng)?shù)亩嗯_(tái)大容量CFB機(jī)組是洗煤廠廢棄物—煤泥和煤矸石實(shí)現(xiàn)綜合利用的不錯(cuò)途徑；如果廢棄物產(chǎn)量過(guò)高，考慮到機(jī)組臺(tái)數(shù)過(guò)多、建設(shè)周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，建議同時(shí)考慮煤泥及煤矸石外運(yùn)或分廠址建設(shè)CFB機(jī)組等方案。