超超臨界機組煤泥摻燒的干法應(yīng)用

王林偉， 崇培安， 張 磊

(1. 淮北申皖發(fā)電有限公司， 安徽淮北 235000； 2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

近年來，隨著環(huán)境問題不斷凸顯和社會對可持續(xù)發(fā)展問題認(rèn)識的日益深入，煤炭洗選廢棄物的處理和利用方式受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。2016 年，我國進入了第十三個五年規(guī)劃和全面建設(shè)小康社會的階段，社會的發(fā)展和不斷完善推動著我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。中國作為能源消費大國，近十年以來，煤炭、石油、天然氣等化石能源消費總量一直保持穩(wěn)步增長，煤炭的消耗最為顯著，我國以煤炭為主導(dǎo)的能源現(xiàn)狀在較長的時間內(nèi)不會改變。

洗選是進行煤炭清潔利用的主要手段，原煤入洗量及煤泥產(chǎn)量呈逐年上升趨勢。我國能源部印發(fā)的《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020)》中指出，預(yù)計2020年我國煤炭產(chǎn)量將達(dá)到45 億t，原煤入洗率接近 80%，屆時按入洗原煤質(zhì)量的10%計算，煤泥產(chǎn)量約為3.6 億t[1]。目前煤泥大規(guī)模處理技術(shù)水平依然較低，處理方式不合理，煤泥利用率為70%，其中回?fù)街忻?、直接燃燒等為主要方式，遠(yuǎn)不能達(dá)到煤泥的處理能力及清潔利用的要求。因此，煤炭洗選廢棄物對提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級的要求更加緊迫，國家加強了對煤泥處置的力度。

為了提高煤泥利用率、實現(xiàn)煤泥規(guī)?；茫P者進行超超臨界煤泥摻燒試驗，重點研究了煤泥的干法應(yīng)用。

1 煤泥燃燒利用技術(shù)

煤泥燃燒發(fā)電是實現(xiàn)煤泥規(guī)?；玫氖滓x擇途徑[2]，煤泥的循環(huán)流化床燃燒處理是一種常見的方式，興起于20世紀(jì)90年代，雖然只有不到30 a的時間，但是在國內(nèi)得到了較快的發(fā)展。目前國內(nèi)煤泥燃燒利用方法主要有以下幾個方面：

(1) 濕法利用是將濕煤泥直接入爐燃燒發(fā)電。該方法在流化床中應(yīng)用較多，濕煤泥在床內(nèi)形成凝聚結(jié)團，為了防止煤泥塊團在流化床內(nèi)沉積破壞流化質(zhì)量，通常采用異比重流化床技術(shù)[3]。

(2) 煤泥與中煤摻燒可利用現(xiàn)有設(shè)備資源，具有較好的經(jīng)濟性，但同時存在很多問題，如輸煤穩(wěn)定性下降、鍋爐效率下降、機組安全性降低等。

(3) 煤泥制漿燃燒是基于高濃度水煤漿技術(shù)發(fā)展起來的一項煤泥綜合利用手段[4]。但是煤泥制成的漿液含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，約為40%，造成大量燃燒熱損失，產(chǎn)生大量煙氣，對煙風(fēng)系統(tǒng)、燃燒設(shè)備和燃燒條件有較高的要求，適用性不強。

(4) 干法利用是提高煤泥燃燒特性的一種手段。通過對煤泥進行干燥，降低煤泥中水分，從而提高發(fā)熱量，改變?nèi)紵匦浴Ｒ院|(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的煤泥為例，降低1%含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其發(fā)熱量可提高1.43%，而且干燥后，不僅能夠單獨燃燒，還能夠與其他煤種進行摻燒[5]。

燃燒煤泥進行發(fā)電是煤泥規(guī)模化利用的方式，而煤泥的高水分特性是其規(guī)?；玫淖钪饕萍s因素。對煤泥施行干燥處理，降低煤泥水分，其發(fā)熱量得到提高，最終能夠?qū)崿F(xiàn)煤泥規(guī)模化利用。

2 煤泥干燥方案

實現(xiàn)煤泥干燥的方法主要有機械干燥和熱力干燥。機械方法有篩分、離心和壓濾三種方式，但其脫水率不高，處理過后，煤泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍在20%左右，須要經(jīng)過熱力方式進一步干燥。在國內(nèi)，工業(yè)應(yīng)用的熱力干燥方法主要是煙氣干燥、蒸汽干燥等[6]。

2.1 煙氣干燥

煙氣干燥以高溫?zé)煔庾鳛闊崃υ磳γ耗噙M行干燥，具有以下優(yōu)點：煤泥與高溫?zé)煔鉄嵩粗苯咏佑|，干燥強度高、傳熱效率高；系統(tǒng)簡單、投資少、處理量大；檢修方便、維護成本低。煙氣干燥的缺點主要有：300～700 ℃的高溫?zé)犸L(fēng)在烘干高揮發(fā)分含量的煤泥時，存在揮發(fā)分析出、煤塵爆炸的風(fēng)險，有安全隱患；電廠規(guī)?；稍锩耗鄷r，從鍋爐抽取的煙氣量受到鍋爐運行的限制；電廠采用煙氣干燥工藝通常需要在鍋爐較近的地方有工程場地。

2.2 蒸汽干燥

蒸汽干燥是利用低壓蒸汽(溫度通常小于250 ℃)作為熱力源干燥煤泥的技術(shù)，對比煙氣干燥，蒸汽干燥有以下優(yōu)點：以電廠低品質(zhì)的余熱蒸汽作為熱源，提高熱能利用率；干燥溫度低，系統(tǒng)安全性能好；蒸汽消耗量少，蒸發(fā)煤泥中1 kg水只需要1.3 kg蒸汽；熱交換后的蒸汽經(jīng)處理后可作為鍋爐回水重復(fù)利用，節(jié)約水資源。雖然蒸汽干燥的安全性高、能耗低，但干燥處理量不大，且后期干燥效率低，一般只能將煤泥干燥到含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%。

2.3 真空射流干燥

真空射流干燥是一種低溫(60 ℃以內(nèi))非傳遞的脫水方式，將原料在高速氣流中混合，然后通過真空噴射發(fā)生器產(chǎn)生較高速氣流沖擊波，粉碎氣流中的固體物料，在粉碎過程中使固體物料和所含水分分離，再經(jīng)過氣液固三相分離裝置完成脫水和固體顆粒的回收[7]。該干燥技術(shù)由于設(shè)備穩(wěn)定性差、維護工作量大，所以應(yīng)用較少。

2.4 微波干燥

微波干燥具有干燥均勻、清潔無污染、易于控制等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于化工、食品、木材、礦業(yè)、藥材等領(lǐng)域，但對其在煤泥干燥的應(yīng)用研究很少。煤泥在微波輻射的作用下，吸收微波能轉(zhuǎn)化為自身熱能，用來蒸發(fā)所含水分。微波干燥在煤泥工程化應(yīng)用中運行能耗高、運行過程操作復(fù)雜，尚未有工程案例。

3 煤泥摻燒的影響

3.1 機組概況

為了分析煤泥摻燒對鍋爐各方面的影響，某電廠進行了煤泥摻燒試驗。原料煤泥為宿州北部地區(qū)淮礦所屬煤礦煤泥，均為經(jīng)過機械脫水的壓濾煤泥。機組為660 MW超超臨界機組，鍋爐為SG-1908/27.9-M6006塔式鍋爐，鍋爐設(shè)計煤種為煙煤，汽輪機為N660-27/600/600、中間再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機。鍋爐燃煤及煤泥的分析結(jié)果見表1(濕泥煤是指干燥前的煤泥)。

表1 鍋爐燃煤及煤泥分析

3.2 煤泥摻燒的影響

3.2.1 對爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映了鍋爐的燃燒狀況，爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鍋爐熱效率越低。不同機組負(fù)荷下，爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨濕煤泥質(zhì)量流量的變化見圖1。

圖1 濕煤泥質(zhì)量流量與爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖1可知：當(dāng)摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量在20 t/h以下時，各負(fù)荷下的爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化；當(dāng)濕煤泥質(zhì)量流量繼續(xù)增大時，爐渣含碳分?jǐn)?shù)增速明顯提高，負(fù)荷越低增速越快。

3.2.2 對飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也體現(xiàn)了鍋爐燃燒狀態(tài)，飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高會使鍋爐經(jīng)濟性降低，同時大量飛灰給環(huán)保處理帶來負(fù)擔(dān)。不同機組負(fù)荷下，飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨濕煤泥質(zhì)量流量的變化見圖2。

圖2 濕煤泥質(zhì)量流量與飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖2可知：摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量對飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大，各個負(fù)荷下?lián)綗箫w灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠保持在一個比較穩(wěn)定的區(qū)間(0.6%～0.9%)。

3.2.3 對引風(fēng)機電流的影響

煤泥含較多水分，燃燒產(chǎn)生的煙氣量增加，引起引風(fēng)機電流增加，具體見圖3。

圖3 濕煤泥質(zhì)量流量與引風(fēng)機電流的關(guān)系

由圖3可知：隨著摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量的增大，引風(fēng)機電流成線性增長，通過控制摻燒比例不會對引風(fēng)機電流的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

摻燒煤泥對鍋爐性能的影響還有以下幾個方面：

(1) 爐內(nèi)煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，并且發(fā)熱量降低，在相同負(fù)荷時，所需煤量增加，導(dǎo)致磨煤機、風(fēng)機輸出功率增加，電耗增加。

(2) 入爐煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大接導(dǎo)致鍋爐著火和穩(wěn)燃能力下降。

(3) 爐內(nèi)煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大導(dǎo)致鍋爐受熱面磨損加劇，其中省煤器磨損最為嚴(yán)重，會縮短省煤器的壽命。

(4) 入爐煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，制粉系統(tǒng)需要更多干燥風(fēng)，易造成一次風(fēng)量上升、一次風(fēng)率提高、二次風(fēng)率減小，造成鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕。

通過控制煤泥的干燥程度和摻燒比例、優(yōu)化燃燒、提高電廠運行人員的技術(shù)水平，不利影響可以得到有效控制。

4 干法應(yīng)用實例

4.1 摻燒方案

在主流煤泥干燥技術(shù)的選取方面，對比煙氣干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)特點，從安全性、持續(xù)性和可行性綜合考慮，選擇蒸汽干燥技術(shù)。將濕煤泥經(jīng)過給料輸送到干化機中，利用電廠蒸汽在干化機中對濕煤泥進行干燥，干燥后的干煤泥通過皮帶進入干煤泥倉中，再通過皮帶輸送到煤場皮帶與原煤摻混，干燥后的尾氣進入電除塵器進行處理，干燥后的冷凝水再回電廠的凝結(jié)水系統(tǒng)。該方案的特點和優(yōu)勢為：

(1) 干燥熱源采用低壓蒸汽，蒸汽耗量小、能耗低，同時便于后期增加干燥出力。

(2) 干燥后的尾氣進入電廠煙氣處理系統(tǒng)，對環(huán)境影響較小。

(3) 整個干燥系統(tǒng)對鍋爐不產(chǎn)生影響。

(4) 干燥工藝采用200 ℃以下蒸汽，干燥過程中煤泥爆炸燃燒的風(fēng)險小。

(5) 干燥機采用環(huán)式回轉(zhuǎn)干燥機，干燥過程穩(wěn)定，干燥后煤泥揚塵少。

4.2 效果分析

根據(jù)電廠的實際情況進行分析，燃用設(shè)計煤種時，額定負(fù)荷下鍋爐燃煤質(zhì)量流量為251.9 t/h。根據(jù)工藝設(shè)計結(jié)果，摻燒煤泥干燥后的質(zhì)量流量為20 t/h，直接按摻燒量來計算，摻燒質(zhì)量比約為7.6%，摻燒比例較小，混合后燃料的組分變化非常小，無論是水分、灰分或硫分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱值都在實際燃燒的燃料變化范圍以內(nèi)，不會對鍋爐的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生太大的影響。

根據(jù)電廠設(shè)計煤種數(shù)據(jù)，w(Mar)=5.4%，w(Aar)=29.77%，而干燥后煤泥的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～14%，因摻燒質(zhì)量比較小，所以摻燒煤泥送入爐膛燃燒，不會增加原煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。干燥后煤泥的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會高于原煤太多，且摻燒質(zhì)量比較小，可以認(rèn)為摻燒后對燃煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大。

綜上所述，該電廠摻燒煤泥從鍋爐性能來說，影響不大，可以根據(jù)機組實際情況調(diào)整適當(dāng)比例摻燒。摻燒煤泥改造后的經(jīng)濟性分析見表2。

表2 評價數(shù)據(jù)表

根據(jù)項目的具體情況，計算項目在計算期內(nèi)每年的資金使用狀況，以充分反映項目的經(jīng)濟性及實用性。根據(jù)已確定的價格，得到財務(wù)效益主要指標(biāo)：稅后財務(wù)內(nèi)部收益率為15.92%；稅后投資回收期為3.02 a。

5 結(jié)語

筆者以某電廠660 MW超超臨界機組為例，對其進行煤泥摻燒應(yīng)用分析，得出主要結(jié)論如下：

(1) 對比了煙氣干燥、蒸汽干燥、真空射流干燥和微波干燥，從安全性、持續(xù)性和可行性角度考慮，選擇了蒸汽干燥技術(shù)進行實際改造應(yīng)用。

(2) 就煤泥摻燒后對機組爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和引風(fēng)機電流等的影響進行分析，在控制煤泥摻燒質(zhì)量比、優(yōu)化調(diào)整運行方式的情況下，摻燒干燥后煤泥對機組的性能影響不大。

與傳統(tǒng)流化床燃燒煤泥相比，超超臨界機組利用蒸汽干燥濕煤泥能有效充分利用現(xiàn)有社會資源，達(dá)到環(huán)保經(jīng)濟高效處理煤泥的目的。在今后還應(yīng)對超超臨界機組長時間摻燒煤泥的影響進一步研究分析，保證機組壽命。