污泥摻燒對(duì)燃煤機(jī)組鍋爐效率及環(huán)保系統(tǒng)的影響

張宗振，李德波，李新虎，馮永新，周杰聯(lián)，陳 拓，鐘 俊，廖宏楷

（1.華潤海豐電廠，廣東 汕尾 510060；2.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣州 510080；3.國粵（韶關(guān)）發(fā)電有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

0 引言

國家能源局和生態(tài)環(huán)境部于2018 年6 月28日批準(zhǔn)全國84 個(gè)燃煤發(fā)電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電的試點(diǎn)項(xiàng)目，包括300 MW 亞臨界至1 000 MW 超超臨界燃煤電廠，預(yù)示著我國煤電開始在較大范圍和規(guī)模進(jìn)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。李峰等[1]進(jìn)行了塔式鍋爐產(chǎn)生含水率60%污泥耦合發(fā)電技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究，研究者提出了可摻燒含水率達(dá)60%的污泥耦合發(fā)電技術(shù)，可以直接處理污水處理廠污泥，無需蒸汽干化，降低投資，大幅度減少污泥處置成本。陳大元等[2]進(jìn)行了燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電技術(shù)綜述性研究，針對(duì)我國大量城鎮(zhèn)污泥處理面臨的難題，研究者分析了污泥干化技術(shù)及干化污泥煤質(zhì)指標(biāo)，介紹了污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電等3 種燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝。陳翀等[3]進(jìn)行了300 MW 燃煤鍋爐協(xié)同處置干化污泥的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，研究者通過在300 MW 燃煤鍋爐中進(jìn)行不摻燒污泥與摻燒不同比例污泥的試驗(yàn)，研究了摻燒污泥對(duì)燃煤煙氣中HCl，SO2和NOX等排放指標(biāo)的影響，同時(shí)研究了摻燒污泥后煙氣及飛灰中重金屬分布和二惡英濃度變化的情況，研究者還針對(duì)結(jié)渣、沾污、熱值、水分和經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)摻燒進(jìn)行理論分析。吳浪等[4]進(jìn)行了摻燒污泥對(duì)電廠鍋爐影響的研究。劉永付等[5]進(jìn)行了大型燃煤電站鍋爐協(xié)同處置污泥的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。劉韻芳等[6]進(jìn)行了煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放特性的研究。研究結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)室配比和燃燒的條件下，大部分重金屬元素Pb，Cu，Cr，Ni 殘留在灰渣中，Zn 及Cd部分殘留阻塞灰渣中，As，Hg 和Se 等易揮發(fā)元素釋放到煙氣中。李德波等[8-11]開展了燃煤耦合污泥摻燒灰熔點(diǎn)特性的研究，發(fā)現(xiàn)燃煤摻燒污泥后，灰熔點(diǎn)會(huì)降低，可能對(duì)鍋爐結(jié)焦等帶來不利影響。殷立寶等[11]、張成等[12]、朱天宇等[13]、李德波等[15-16]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。國內(nèi)其他一些研究者[17-27]開展了污泥摻燒相關(guān)理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了對(duì)現(xiàn)場有一定指導(dǎo)價(jià)值的應(yīng)用成果。

本文針對(duì)1 臺(tái)1 000 MW 超超臨界燃煤鍋爐，開展污泥摻燒過程中原煤灰、污泥灰成分分布規(guī)律，高卡印尼煤（低位收到基熱值為14 800 kJ/kg，收到基水分為37%，收到基揮發(fā)分為29.88%）灰成分與電除塵灰成分分布規(guī)律，高卡印尼煤灰成分與爐渣中灰成分分布規(guī)律，以及電除塵灰與爐渣中重金屬分布規(guī)律的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)污泥為生活污泥，含水率40%，摻燒比例為5%，7%，10%，12%，負(fù)荷為500 MW，750 MW，1 000 MW。通過采集現(xiàn)場飛灰、爐渣樣品，試驗(yàn)室進(jìn)行飛灰和爐渣重金屬濃度分析，為燃煤電廠開展污泥摻燒飛灰、爐渣中重金屬濃度是否滿足當(dāng)前環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，提供定量的數(shù)據(jù)。

1 鍋爐設(shè)備介紹

該發(fā)電廠1 號(hào)、2 號(hào)鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的HG-3100/28.25-YM4 型超超臨界參數(shù)（1 000 MW）、變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π 型鍋爐，采用反向雙切圓燃燒方式。每臺(tái)鍋爐配6 層煤粉燃燒器，每層各8 只，共48 只煤粉燃燒器。A 層燃燒器配有微油點(diǎn)火裝置，共8 支，單支出力為120 kg/h，并隔層配置AB，CD，EF 3 層大油槍，共24 支，單支出力為1 275 kg/h。鍋爐設(shè)計(jì)煤種和校核煤種參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)

制粉系統(tǒng)為ZGM123G-Ⅱ型中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配6 臺(tái)磨煤機(jī)，BMCR（鍋爐最大出力）工況下五運(yùn)一備，并配備6臺(tái)與之相適的電子稱重式給煤機(jī)。脫硝系統(tǒng)采用SCR（選擇性催化還原）法，除塵采用電除塵，每臺(tái)爐配2 臺(tái)BE 型三室五電場靜電除塵器。脫硫系統(tǒng)采用石灰石－石膏法，尾部安裝為濕式電除塵。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

飛灰、爐渣中重金屬元素含量檢測采用美國Perkinelmer 公司的NEXION 300X 型電感耦合等離子質(zhì)譜儀（簡稱“ICP-MS”）。測量As 等微量元素時(shí)需要利用濃硝酸、濃鹽酸、氫氟酸對(duì)催化劑進(jìn)行消解，消解采用的儀器為奧地利Anton Paar公司的MultiWave PRO 微波消解儀。

發(fā)電廠摻燒污泥期間，首先進(jìn)行原煤和污泥工業(yè)分析和元素分析，為現(xiàn)場開展污泥摻燒提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，表2 為試驗(yàn)期間污泥元素分析和工業(yè)分析結(jié)果。從污泥化驗(yàn)結(jié)果可以看出，40%含水率污泥低位熱值為1 040 kJ/kg。污泥的灰分較高，收到基灰分達(dá)到了36.01%，硫分比較低，收到基硫分為0.28%。表3 為現(xiàn)場試驗(yàn)期間，原煤煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)。

表2 污泥元素分析數(shù)據(jù)

表3 煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果（高卡印尼煤）

鍋爐燃用高卡印尼煤收到基水分較高，達(dá)到了37%，空氣干燥基揮發(fā)份Vad達(dá)到了34.63%，由于煤的水分較高，導(dǎo)致現(xiàn)場實(shí)際摻燒運(yùn)行中，鍋爐制粉系統(tǒng)干燥出力不夠，磨煤機(jī)出口溫度小于60 ℃，但是由于煤的揮發(fā)分較高，著火沒有問題，從現(xiàn)場化驗(yàn)的飛灰和爐渣情況來看，飛灰和爐渣含碳量比較低，說明燃燒效果比較好。

2.1 污泥摻燒后鍋爐效率變化規(guī)律

鍋爐效率測試鍋爐在滿負(fù)荷下進(jìn)行2 個(gè)工況，結(jié)果依據(jù)GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行鍋爐效率計(jì)算。

試驗(yàn)時(shí)，由于測試時(shí)間問題，飛灰A 側(cè)、B 側(cè)進(jìn)行連續(xù)取樣；排煙溫度和氧量分別進(jìn)行2 個(gè)工況測試；鍋爐散熱直接取設(shè)計(jì)值，不考慮其它損失qoth；外來輸入熱量只考慮進(jìn)入系統(tǒng)空氣帶入熱量。不同負(fù)荷下，鍋爐效率的計(jì)算結(jié)果見表4—6。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，500 MW 負(fù)荷時(shí)，40%含水率污泥分別為5%，7%，10%，12%摻燒比率下，鍋爐效率分別為93.94%，93.78%，93.95%，93.94%；平均排煙熱損失為5.835%，6.014%，5.827%，5.827%；化學(xué)不完全燃燒損失為0.002%，0.012%，0.032%，0.032%；固體不完全燃燒損失為0.124%，0.094%，0.096%，0.103%；灰渣物理熱損失為0.120%，0.125%，0.122%，0.122%。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，750 MW 負(fù)荷時(shí)，40%含水率污泥分別為7%，10%摻燒比率下，鍋爐效率分別為93.76%，93.41%；平均排煙熱損失為5.882%，5.897%；化學(xué)不完全燃燒損失為0.15%，0.15%；固體不完全燃燒損失為0.106%，0.433%；灰渣物理熱損失為0.127%，0.128%。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，1 000 MW 負(fù)荷時(shí)，40%含水率污泥分別為5%，7%，10%摻燒比率下，鍋爐效率分別為93.66%，93.64%，93.64%；平均排煙熱損失為5.67%，5.715%，5.712%；化學(xué)不完全燃燒損失為0.348%，0.353%，0.353%；固體不完全燃燒損失為0.206%，0.184%，0.18%；灰渣物理熱損失為0.128%，0.127%，0.127%。

總體上看，污泥摻燒后對(duì)鍋爐效率影響比較小，固體不完全燃燒損失和灰渣物理熱損失都比較小。

2.2 原煤與污泥中灰成分分布

從圖1 高卡印尼煤灰成分分布規(guī)律可以看出，高卡印尼煤灰中SiO2含量為28.49%，CaO含量為20.2%，Al2O3含量為15.36%，F(xiàn)e2O3含量為15.6%。其它含量較多的為MgO 和SO3等成分。

表4 鍋爐效率測試主要結(jié)果（500 MW，40%含水率污泥）

表5 鍋爐效率測試主要結(jié)果（750 MW，40%含水率污泥）

發(fā)電廠燃用煤種為高卡印尼煤，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)鍋爐容易結(jié)焦，為了定量分析污泥摻燒后加劇鍋爐結(jié)焦的可能性，計(jì)算了純燒高卡印尼煤和污泥摻燒后鍋爐結(jié)渣指數(shù)變化的情況，為現(xiàn)場優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。結(jié)渣指標(biāo)采用灰成分中的堿酸比B/A 來計(jì)算，A 代表灰中酸性成分的質(zhì)量百分比含量，B 代表灰中堿性成分的質(zhì)量百分比含量。堿酸比的定義如下：

圖1 高卡印尼煤中灰成分分布

當(dāng)B/A 大于0.7 時(shí)為強(qiáng)結(jié)渣燃料，B/A 在0.4～0.7 時(shí)為結(jié)渣燃料，B/A 在0.1～0.4 時(shí)為輕微結(jié)渣燃料，小于0.1 時(shí)為不結(jié)渣燃料。通過化驗(yàn)得到的高卡印尼煤灰成分計(jì)算結(jié)果，B/A 為1.05，說明高卡印尼煤為強(qiáng)結(jié)渣燃料，燃用高卡印尼煤時(shí)容易造成鍋爐結(jié)焦，建議現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行中加強(qiáng)鍋爐吹灰，同時(shí)進(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整，防止鍋爐出現(xiàn)大面積結(jié)焦。

煤燃燒后的煤灰可能會(huì)對(duì)高溫受熱面（包括爐膛水冷壁、高溫過熱器、高溫再熱器）有沾污的傾向，因此有必要分析燃用高卡印尼煤是否會(huì)增加鍋爐的沾污傾向。這種沾污傾向可以用沾污指數(shù)RF 來衡量，RF 為堿酸比與Na2O 質(zhì)量百分比的乘積，判斷指標(biāo)為RF 小于0.2 為輕微沾污，0.2～0.5 為中等沾污，0.5～1.0 為強(qiáng)沾污，大于1.0 為嚴(yán)重沾污。通過計(jì)算得到高卡印尼煤的沾污指數(shù)為2.0，說明高卡印尼煤為嚴(yán)重沾污性煤，因此現(xiàn)場燃用高卡印尼煤時(shí)，要加強(qiáng)鍋爐吹灰。

表6 鍋爐效率測試主要結(jié)果（1 000 MW，40%含水率污泥）

圖2 為污泥灰成分化驗(yàn)結(jié)果。污泥灰中SiO2含量最高，占到了灰成分43.4%。其它含量較多的 有Al2O3，F(xiàn)e2O3，P2O5等成分，Al2O3含量為25.26%，F(xiàn)e2O3含量為21.28%。

圖3 對(duì)比分析了原煤與污泥灰成分的差異，其中污泥含水率為40%。從圖3 可以看出如下規(guī)律：污泥灰中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3含量都比高卡印尼煤高。污泥灰中CaO 和MgO 含量低于高卡印尼煤的含量，說明污泥與原煤灰成分有一定差異，這個(gè)直接決定了污泥和煤的結(jié)渣和沾污特性的差異。發(fā)電廠實(shí)際摻燒污泥時(shí)，要定期進(jìn)行污泥灰成分化驗(yàn)分析，準(zhǔn)確了解污泥灰成分變化的規(guī)律，為現(xiàn)場鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)。

2.3 高卡印尼煤灰與電除塵灰成分分布規(guī)律

圖2 污泥灰成分分布

圖3 高卡印尼煤與污泥灰成分對(duì)比

圖4 為不同負(fù)荷、不同摻燒比例時(shí)，高卡印尼煤灰成分與電除塵灰成分對(duì)比分析。不同負(fù)荷以及不同污泥摻燒比例負(fù)荷時(shí)，電除塵灰成分中SiO2和Al2O3含量明顯高于原煤灰成分中的含量，電除塵灰中Fe2O3，CaO，MgO，SO3含量低于原煤灰成分中的含量，說明摻燒污泥后，電除塵灰成分有一定程度的變化。

圖4 高卡印尼煤與電除塵灰成分對(duì)比分析

2.4 高卡印尼煤灰與爐渣中灰成分分布規(guī)律

圖5 為不同負(fù)荷、不同污泥摻燒比例時(shí)，高卡印尼煤灰成分與爐渣中灰成分對(duì)比分析。不同負(fù)荷以及不同污泥摻燒比例時(shí)，當(dāng)摻燒污泥后，爐渣灰成分中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3含量明顯高于原煤灰成分中的含量，爐渣灰中CaO，MgO，SO3含量低于原煤灰成分中的含量，說明摻燒污泥后，爐渣灰成分有一定程度的變化。

圖5 爐渣中灰成分分布規(guī)律

2.5 電除塵灰與爐渣中重金屬濃度對(duì)比分析

圖6 為電除塵灰與爐渣中重金屬元素化驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，采集了電除塵A 側(cè)、B 側(cè)灰樣，在不同摻燒工況下研究其重金屬元素的規(guī)律。不同負(fù)荷以及不同摻燒比例時(shí)，Cu，Cr，Ni，Pb 等重金屬元素含量較多，說明這些重金屬元素?fù)]發(fā)性較強(qiáng)，容易在飛灰中沉積；As，Co，Ga，Li，Cd，Sb，Hg 等重金屬元素含量較少。

圖6 電除塵灰中重金屬濃度分布

2.6 給煤機(jī)頻繁斷煤影響

含水率50%的污泥與平煤摻配1D 原煤倉上煤：給煤機(jī)出力10%以上時(shí)，極易出現(xiàn)1D 給煤機(jī)斷煤現(xiàn)象，通過空氣炮振打后下煤正常，最頻繁斷煤時(shí)間間隔為3 min，現(xiàn)場觀察無入爐煤濕度大、混煤不均的現(xiàn)象，偶爾可見直徑20 mm 較大塊的污泥。該發(fā)電廠1D 原煤倉曾發(fā)生2 次斷煤故障，其中一次煤倉燒空倉檢查發(fā)現(xiàn)無掛壁現(xiàn)象，判斷頻繁斷煤是由污泥自身流動(dòng)性較差的物理特性所致；另一次31 日煤倉掛壁嚴(yán)重，掛壁煤量近400 t/h，分析其原因主要是由于摻配的平煤濕度加大，后期的進(jìn)廠污泥干燥程度遠(yuǎn)低于前期來泥，到廠污泥隨機(jī)取樣2 次化驗(yàn)，含水率分別為56.5%和58.5%，致使摻配的混煤水分較大，造成板結(jié)。

2C 原煤倉摻配污泥上煤時(shí)，事故煤斗活化給煤機(jī)出力30%時(shí)偶爾出現(xiàn)斷煤現(xiàn)象，加大出力至40%斷煤次數(shù)增加，結(jié)合設(shè)備本身特性，建議摻燒比例控制在1∶10 以內(nèi)，原煤倉內(nèi)壁光滑度較好且原煤外水較低（伊泰煤）時(shí)可增加摻燒比例至1∶7。

2.7 磨煤機(jī)干燥出力影響

由于污泥的硬度特性與燃煤差別較大，所以特性較軟的污泥進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)部需多次循環(huán)才能滿足煤粉細(xì)度需要，實(shí)際運(yùn)行中磨煤機(jī)電耗未明顯增加。污泥水分含量大，致使磨煤機(jī)入口風(fēng)溫高負(fù)荷時(shí)由220 ℃左右大幅提升至290 ℃，磨煤機(jī)分離器出口煤粉溫度稍有下降2～3 ℃，由于摻配比例較小，對(duì)磨煤機(jī)個(gè)別參數(shù)造成的影響在可控范圍內(nèi)，不至于對(duì)磨煤機(jī)的干燥出力構(gòu)成影響，具體參數(shù)對(duì)比見表7。

表7 1 號(hào)機(jī)1D 磨煤機(jī)摻燒污泥前后的參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

針對(duì)1 臺(tái)1 000 MW 超超臨界燃煤鍋爐污泥摻燒過程中重金屬分布規(guī)律開展試驗(yàn)研究，通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了大量飛灰、爐渣在不同負(fù)荷以及不同污泥摻燒比例下的重金屬分布規(guī)律，以及摻燒污泥后對(duì)制粉系統(tǒng)影響的研究。研究結(jié)果為燃煤電廠開展污泥摻燒，飛灰和爐渣中重金屬是否滿足當(dāng)前環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，得出的主要結(jié)論如下：

（1）污泥摻燒后對(duì)鍋爐效率影響比較小，固體不完全燃燒損失和灰渣物理熱損失都比較小。

（2）高卡印尼煤灰中SiO2含量為28.49%，CaO含量為20.2%，Al2O3含量為15.36%，F(xiàn)e2O3含量為15.6%。其它含量較多的為MgO 和SO3等成分。高卡印尼煤為強(qiáng)結(jié)渣燃料，嚴(yán)重沾污性煤，因此現(xiàn)場燃用高卡印尼煤時(shí)，要加強(qiáng)鍋爐吹灰。

（3）當(dāng)摻燒污泥后，電除塵灰成分中SiO2和Al2O3含量明顯高于原煤灰成分中的含量，電除塵灰中Fe2O3，CaO，MgO，SO3含量低于原煤灰成分中的含量，說明摻燒污泥后，電除塵灰成分有一定程度的變化。

（4）當(dāng)摻燒污泥后，爐渣灰成分中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3含量明顯高于原煤灰成分中的含量，爐渣灰中CaO，MgO，SO3含量低于原煤灰成分中的含量，說明摻燒污泥后，爐渣灰成分有一定程度的變化。

（5）不同負(fù)荷以及不同摻燒比例時(shí)，爐渣和電除塵灰中Cu，Cr，Ni，Pb 等重金屬元素含量較多，說明這些重金屬元素?fù)]發(fā)性較強(qiáng)，容易在飛灰中沉積；As，Co，Ga，Li，Cd，Sb，Hg 等重金屬元素含量較少。

（6）摻燒污泥后，給煤機(jī)頻繁斷煤，增加了現(xiàn)場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),要加強(qiáng)給煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)提前做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施，防止斷煤給鍋爐運(yùn)行帶來不利影響。