300 MW 燃煤電廠污泥摻燒技術研究及應用

李德波，孫超凡，馮斌全，梁漢賢，蘇湛清，崔乘亮，蔣勇軍

（1.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州 510080；2.華潤南沙電廠，廣州 510060）

0 引言

燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是實現(xiàn)煤電低碳轉型，更大幅度降低二氧化碳排放的重要發(fā)展方向，而化石燃料燃燒產(chǎn)生碳排放導致氣候變化，造成極端天氣和災害日益嚴重，《巴黎協(xié)定》提出對全球氣溫升高需控制在2 ℃以內(nèi)的要求，使得燃煤火電二氧化碳成為其發(fā)展最主要的制約因素。 國家能源局和生態(tài)環(huán)境部于2018 年6 月28日批準全國84 個燃煤火電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電的試點項目，包括300 MW 亞臨界至1 000 MW 超超臨界燃煤電廠，預示著我國煤電企業(yè)開始在較大范圍內(nèi)進行生物質(zhì)耦合發(fā)電改造工作。

國內(nèi)一些研究者開展了燃煤電廠污泥摻燒研究工作。 張成[1]等運用數(shù)值模擬技術開展了污泥摻燒技術研究，研究了不同摻燒比例、不同含水率下燃燒特性。 朱天宇[2]等開展了摻燒不同種類污泥鍋爐的燃燒特性的研究，以420 t/h 四角切圓燃煤鍋爐進行了單煤燃燒和2 種污泥在不同含水率的質(zhì)量配比下的摻燒數(shù)值模擬研究，研究結果表明，采用EDM（渦耗散模型）能夠較好地模擬污泥配比和含水率對鍋爐燃燒及污染物排放特性的影響。 張一帆[3]等進行了城市污泥焚燒過程中Pb 和Cd 遷移特性的研究。 蔣志堅[4]等進行了城市污泥流化床焚燒爐飛灰中重金屬遷移特性的研究，研究結果表明：Cd 和As 為易揮發(fā)性重金屬，在爐膛內(nèi)揮發(fā)的Cd 和As 及其化合物蒸汽在503 ℃和475 ℃時幾乎全部富集于飛灰顆粒，Cr，Mn，Cu，Zn 主要通過夾帶富集于飛灰顆粒，為難揮發(fā)性重金屬。 聞哲[5]等進行了城鎮(zhèn)污泥干化焚燒處置技術與工藝簡介研究，對直接熱干化、間接熱干化、直接-間接聯(lián)合熱干化技術的工作原理和優(yōu)缺點進行了比較分析，研究結果表明，污泥干化焚燒技術類型是多樣，采用煙氣或者蒸汽對污泥進行干化都是可行的，將污泥干化后利用流化床焚燒爐進行單獨焚燒或者在電站鍋爐進行摻燒是最具有發(fā)展前景的技術路線，而污泥輸送、高效干化技術與設備開發(fā)及廠區(qū)臭氣治理等是有待進一步研究的問題。 曹通[6-7]等開展了煤粉爐協(xié)同處置工業(yè)污泥現(xiàn)場試驗研究，利用熱電廠煤粉爐小比例摻燒工業(yè)污泥現(xiàn)場試驗，對摻燒后爐膛溫度、飛灰含碳量、鍋爐效率等參數(shù)的變化，對二噁英、SO2和NOX等主要污染物進行了現(xiàn)場監(jiān)測，研究表明，隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛溫度降低，飛灰含碳梁增加，飛灰和爐渣中重金屬含量增加。 袁言言[8]等利用Aspen plus 軟件開展了污泥焚燒能量利用與污染物排放特性的研究。 盛洪產(chǎn)[9]等進行了循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒造紙污泥的運行特性分析，對1 臺130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐進行熱力平衡計算和煙風阻力計算，研究了不同污泥摻燒質(zhì)量分數(shù)對鍋爐運行特性的影響，研究表明，隨著污泥摻燒質(zhì)量分數(shù)的增大，爐膛出口煙氣溫度下降，排煙溫度升高，鍋爐效率降低，入爐干化污泥量大幅增加，而入爐煤量有減小，煙氣量和灰量增加，過熱器減溫水顯著增加，一次風空氣側阻力，二次風空氣側阻力和煙氣側阻力均增大。 葛江[10]等進行了煙煤與污泥混燒過程中重金屬As，Zn 和Cr 的遷移規(guī)律和灰渣浸出特性的研究。 殷立寶[11]等開展了四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥燃燒與NOX排放特性的數(shù)值模擬研究，采用ANSYS FLUENT 軟件對四角切圓燃煤鍋爐摻燒不同質(zhì)量分數(shù)和不同含水率印染污泥燃燒特性和污染物排放特性進行了數(shù)值模擬，研究結果表明，隨著印染污泥摻燒質(zhì)量分數(shù)的提高，爐膛整體溫度有下降，當含水率升高時，爐膛整體溫度水平下降；并結合爐膛燃燒和NOX排放，推薦摻燒質(zhì)量分數(shù)和含水率分別為10%和40%的印染污泥技術是可行的。 劉蘊芳[12]等進行了煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放特性研究。 張成等開展了100 MW 燃煤鍋爐污泥摻燒試驗與數(shù)值模擬研究，研究結果表明，在相同摻燒比例的情況下，降低污泥含水率，NOX排放有所增加；摻燒比例小于20%時，鍋爐燃燒特性與污染物排放NOX與單煤燃燒差異較小；當摻燒比例大于20%時，鍋爐燃燒效果變差，NOX排放大幅度上升。 魏礫宏[13]等進行了污泥與煤混燒灰的結渣特性以及礦物質(zhì)轉變規(guī)律的研究，研究結果表明，污泥和煤摻燒比例為20%時，爐內(nèi)溫度達到1 100 ℃，會引起輕微結渣；達到1 200 ℃時，會引起嚴重結渣。 唐子君[14]等進行了城市污水污泥與煤混燒的熱重試驗研究，獲得了城市污水污泥與煤混燒的特性。 國內(nèi)其它研究者[15-19]利用數(shù)值模擬技術開展了燃燒特性及污染物生成規(guī)律的研究。

本文針對300 MW 燃煤電廠開展污泥摻燒過程中出現(xiàn)的關鍵問題進行研究，提出了相應的解決措施，同時針對目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的問題進行分析，為準確評估污泥摻燒對燃煤電廠影響、現(xiàn)場開展燃煤耦合生物質(zhì)摻燒技術改造和現(xiàn)場優(yōu)化運行提供了重要的依據(jù)。

1 污泥摻燒相關環(huán)保標準

1.1 入廠污泥標準

由于我國并未制定專門的燃煤電廠協(xié)同處置污泥的技術規(guī)范及泥質(zhì)標準，燃煤電廠摻燒污泥時，首先必須對進行摻燒的污泥泥質(zhì)進行研究。污泥成分比較復雜，從污水廠來源劃分，一般分為生活污水廠污泥、工業(yè)污泥和危險廢物污泥，生活污泥有害成分較少，而工業(yè)污泥成分復雜，一般含有較多的重金屬等有害成分，具體有害成分與工廠工藝有關，每個污水廠特性不一樣，需要分別對待。 進行工業(yè)污泥摻燒，要針對污泥進行化驗，確保泥質(zhì)合格且有害成分可接受的前提下進行，避免摻燒量過大影響發(fā)電廠灰渣特性。危險廢物類污泥（含油污泥、有機溶劑污泥、表面處理廢物類污泥等）只能送到專門的危險廢物處置部門處理，不能在燃煤鍋爐進行摻燒。 由于燃煤機組重金屬排放量比較少，國內(nèi)沒有針對燃煤電廠制定重金屬排放指標，污泥一般含有較多重金屬，為了避免對環(huán)境造成影響，目前燃煤電廠開展污泥摻燒時參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》、GB/T 24602-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》制定入爐摻燒污泥的泥質(zhì)標準，對于未達到入爐標準的污泥，將拒絕接收。

1.2 污泥煙氣監(jiān)測標準

由于原煤中重金屬含量極低，現(xiàn)有燃煤電廠排放沒有關于重金屬排放的標準，然而污泥中含有較多重金屬，發(fā)電廠摻燒污泥時必須對煙氣中的重金屬進行檢測與控制。 針對污泥重金屬特性，并參照燃煤電廠超低排放標準與垃圾發(fā)電廠GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》，按照標準從嚴的原則制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標準，并定期監(jiān)測。 表1 為污泥摻燒后鍋爐煙氣監(jiān)測建議的標準（單位已換算成標準狀態(tài)下），目前我國還沒有相關的標準，因此迫切需要進行燃煤電廠污泥摻燒煙囪排放口煙氣污染物監(jiān)測標準的制定工作。

表1 鍋爐摻燒污泥的排放標準

2 污泥摻燒對機組運行影響分析

2.1 煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放

煤粉爐摻燒干化污泥后，由于污泥自身含有的重金屬元素種類和含量較燃煤有一定的差異，因此煤和污泥摻燒后灰渣中的重金屬含量以及煙氣中有害氣體的排放較單燒原煤時相比會有差異。 通過檢測、比較污泥和煤及其不同摻混比例后的原樣及其灰渣中的重金屬含量，可以初步判斷樣品在燃燒后重金屬的遷徙轉換特征。 表2 為某燃煤電廠摻燒生活污泥時，對污泥重金屬進行化驗得到的結果，其中的標準為參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》表3、表4 分別為對應煤質(zhì)和污泥的工業(yè)分析和元素分析結果。

表2 污泥重金屬成分化驗結果

表3 污泥元素分析數(shù)據(jù)

通過實驗研究可以看出：污泥中的各種重金屬元素的含量比煤中重金屬含量偏高，但是由于摻燒比例最大8%，因此，燃料中重金屬總含量并不大。 比較單煤和不同摻混比例后的混煤的灰渣中的重金屬含量，摻燒污泥后，灰渣中的重金屬含量較單燒單煤相比都有了一定幅度的升高，但是由于摻燒比例最大8%，整體上升幅度不大。

表4 原煤元素分析數(shù)據(jù)

摻燒污泥與燃燒單煤相比，CO 和HCl 及其他有機氣體排放濃度基本相同，SO2和NOX排放變化不大，由于摻混污泥后混煤的含碳量下降，因此CO2排放濃度略有降低。 污泥灰分比較多，摻燒后產(chǎn)生的飛灰有所增加，但由于發(fā)電廠配置了靜電除塵和濕式電除塵設備，摻燒污泥后煙塵排放沒有發(fā)生變化。

總體來說，在最大8%摻燒比例下，與燃燒單煤相比，在污染物排放方面沒有產(chǎn)生明顯的變化，未發(fā)現(xiàn)由于摻燒污泥帶來明顯的有害氣體排放濃度顯著升高的狀況。

2.2 污泥摻燒對脫硝系統(tǒng)運行影響分析

污泥摻燒對脫硝系統(tǒng)運行的影響主要有煙氣流量增加和灰分變化對催化劑磨損的影響以及堿金屬中毒兩方面。 堿金屬含量一類是活性堿，如氯化物、硫酸鹽及碳酸鹽等；另一類是非活性堿，主要存在于硅酸鹽礦物中。 堿金屬引起催化劑中毒包括物理中毒和化學中毒，其中物理中毒是因為燃煤鍋爐SCR 脫硝系統(tǒng)中，堿金屬通常不以液態(tài)形式存在，其鹽顆粒只是沉積在催化劑表面或堵塞催化劑的部分孔洞，阻礙NO 和NH3向催化劑內(nèi)部擴散，從而使催化劑中毒失活。 若有水蒸汽在催化劑上凝結，堿金屬將引起化學中毒。

最大8%比例污泥摻燒后，煙氣流量略有增加，灰分略有增加，幅度也很小，但由于目前常用的印尼褐煤灰分遠低于設計煤種的灰分，因此對催化劑磨損影響較小。 對于物理中毒，由于污泥灰中堿金屬成分和發(fā)電廠常用煤種堿金屬成分偏差不大，加上摻燒比例較低，基本沒有發(fā)生變化。 并且通過有效的吹灰，不會發(fā)生大量沉積，因此不會因為摻燒污泥導致物理中毒趨勢增加。同樣，由于SCR（選擇性催化還原法）脫硝系統(tǒng)區(qū)域煙氣溫度控制較高，水蒸氣不會在SCR 脫硝系統(tǒng)區(qū)域凝結，化學中毒趨勢也不會明顯變化。總的來說摻燒最大8%污泥不會對鍋爐摻燒對SCR 脫硝系統(tǒng)運行帶來明顯影響。

2.3 污泥摻燒對鍋爐結焦的影響分析

某發(fā)電廠常用煤種和摻燒的生活污泥的灰分情況見表5。

表5 電廠常用煤種和污泥的灰分情況

從污泥和煤的灰成分分析可知，發(fā)電廠常用煤種和污泥的灰成分特性有一定差異。 污泥灰成分與煤相比，污泥中有較高的磷化合物，P2O5含量在混泥灰中高達11.72%，而在煤中只有0.16%，F(xiàn)e2O3含量在煤種高達14.98%，混泥灰中只有6.5%；SiO2和Al2O3含量在煤灰中分別為34.58%和11.29%，在混泥灰中分別占44.48%和22.29%，說明煤灰中的硅鋁酸鹽含量較泥灰中低；計算其結焦指數(shù)，發(fā)電廠常用煤種為3.98，生活污泥為2.11，污泥結焦指數(shù)都比常用煤種低，摻燒污泥有抑制常用印尼煤結焦的趨勢。

2.4 污泥摻燒對制粉系統(tǒng)運行影響分析

由于污泥干化后的硬度與污泥的來源，不同時間段污泥的性質(zhì)有很大聯(lián)系。 但相較于原煤污泥的物性還是偏軟的。 污泥水分與發(fā)電廠原來燃煤的水分比較接近，制粉系統(tǒng)干燥出力基本能滿足要求，且摻燒比例只有最大8%，混合燃料熱值最大下降4%，制粉系統(tǒng)鍋爐燃料質(zhì)量需要增加約4%，制粉系統(tǒng)出力基本沒有影響。

3 污泥摻燒鍋爐性能優(yōu)化試驗

3.1 性能試驗目的

為了確保燃煤耦合污泥發(fā)電項目安全可靠運行，降低污泥摻燒過程中對機組原有的燃煤煤質(zhì)和制粉系統(tǒng)的影響，降低對煤電機組運行安全、運行效率、負荷調(diào)節(jié)和經(jīng)濟性影響，基于GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，開展了300 MW燃煤電廠污泥摻燒優(yōu)化試驗。 干化污泥摻燒試驗在220～330 MW 多個負荷下進行，分別進行了干化污泥質(zhì)量摻混比為3%，4%，5%和7%的多項試驗，整個試驗過程中，鍋爐燃燒穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)出力、鍋爐帶負荷能力滿足生產(chǎn)要求，鍋爐效率無明顯變化。

3.2 性能試驗結果

整個試驗過程中，鍋爐燃燒穩(wěn)定，主、再熱汽溫基本達到設計值，制粉系統(tǒng)出力、鍋爐帶負荷能力滿足生產(chǎn)要求，試驗得出以下主要結論：

（1）在280 MW 負荷下，進行了干化污泥質(zhì)量摻混比分別為0%，3%，5%，7%的4 個工況試驗，鍋爐熱效率分別為92.50%，92.51%，92.72%和92.68%，修正后鍋爐熱效率分別為92.65%，92.75%，92.93%和92.87%。 從干化污泥摻燒前、后，以及不同干化污泥摻混比例的鍋爐熱效率來看，鍋爐熱效率未發(fā)生明顯變化，說明在目前試驗比例下，干化污泥摻燒并未造成鍋爐燃料燃盡率下降，未影響鍋爐熱效率。

（2）在220 MW 負荷下，進行了干化污泥質(zhì)量摻混比分別為0%，4%，7%的3 個工況試驗，鍋爐熱效率分別為92.15%，92.20%和92.08%，修正后鍋爐熱效率分別為92.38%，92.42%和92.28%。 與280 MW 負荷摻燒試驗規(guī)律一致，220 MW 負荷下干化污泥摻燒前、后鍋爐熱效率基本一致，說明在試驗期間，試驗比例下的干化污泥摻燒未影響鍋爐燃料燃盡率，未影響鍋爐熱效率。

4 結論

針對300 MW 燃煤電廠開展污泥摻燒下，現(xiàn)場實際摻燒過程中出現(xiàn)的關鍵問題進行了研究，提出了相應的解決策略，同時針對目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的關鍵問題進行了分析，得出主要結論如下：

（1）污泥來源多樣，成分復雜，燃煤電廠環(huán)保設施缺少二噁英收集手段，建議發(fā)電廠摻燒污泥主要來源于生活污水處理廠，謹慎處置重金屬含量較大的工業(yè)污泥，禁止處置危廢類的污泥。

（2）國內(nèi)沒有針對燃煤電廠摻燒污泥的泥質(zhì)標準，發(fā)電廠需要根據(jù)國家相關標準制定出符合自身的泥質(zhì)標準，定期進行化驗。 燃煤電廠摻燒污泥建議參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》與GB/T 24602-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》，制定嚴格的污泥入爐標準，必須同時滿足以上2 個國標要求的污泥才允許摻燒。

（3）由于原煤重金屬含量極低，國家沒有針對燃煤電廠重金屬排放制定標準，然而部分污泥重金屬含量較高，燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對重金屬排放進行監(jiān)測。 燃煤電廠摻燒污泥根據(jù)GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標準，按照規(guī)定定期監(jiān)測。

（4）燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對灰渣進行化驗，確保飛灰、爐渣等副產(chǎn)品的品質(zhì)不受影響。 經(jīng)過現(xiàn)場長時間摻燒試驗表明，燃煤電廠摻燒污泥比例在10%以內(nèi)時，不會影響灰渣、石膏的品質(zhì)。

（5）需要污泥摻燒對燃煤電廠鍋爐及附屬設備影響較少，經(jīng)過現(xiàn)場長時間摻燒試驗表明，在10%摻燒比例下，不會影響鍋爐安全運行。

（6）由于污泥水分含量大，灰分大，熱值較低，污泥摻燒對爐膛熱負荷有一定影響，機組負荷在220 MW 以上摻燒污泥，可以保證燃燒穩(wěn)定。

（7）燃煤電廠摻燒污泥，在7%比例以內(nèi)進行摻燒，對鍋爐效率有影響，造成鍋爐效率下降。

（8）燃煤電廠摻燒污泥，在8%比例以內(nèi)進行摻燒，不會影響電廠煙氣超低排放。

本文研究成果為我國燃煤電廠污泥摻燒提供了重要的參考，具有重要的理論價值和工程應用效果。