污泥摻燒對(duì)墻式切圓鍋爐的影響分析

楊 琨， 丁士發(fā)， 張 濤

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

近年來(lái)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程帶來(lái)生活污泥污水產(chǎn)量逐步增加，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)污泥產(chǎn)量將突破9 000萬(wàn)t，如何正確處理污泥成為未來(lái)工作的重中之重[1]。燃煤機(jī)組耦合污泥摻燒因?yàn)槠錈o(wú)害化處理且回收焚燒熱量的優(yōu)勢(shì)，逐漸得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)污泥與煤摻燒方面的研究越來(lái)越多，已有的研究結(jié)果表明[2-3]，當(dāng)污泥摻燒比為10%左右時(shí)，摻混樣品的失重行為與煤相似，綜合燃燒性能最好。與電廠的實(shí)際摻燒試驗(yàn)也表明[4-6]，鍋爐摻燒低比例污泥時(shí)，對(duì)鍋爐效率和煙氣排放影響不大，當(dāng)鍋爐負(fù)荷一定時(shí)，污泥對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響隨其含水率的增大而增強(qiáng)。

研究表明，渦耗散模型可以有效適應(yīng)高含水率污泥摻燒對(duì)鍋爐的實(shí)際影響[7-8]。數(shù)值仿真計(jì)算可以較好地反映不同摻燒情況對(duì)鍋爐產(chǎn)生的實(shí)際影響[9-11]，通過(guò)研究摻混不同含水率的污泥對(duì)鍋爐燃燒特性和污染物排放特性的影響，使得摻燒一定比例含水污泥對(duì)鍋爐的影響在可接受范圍內(nèi)。

筆者以國(guó)內(nèi)某660 MW墻式切圓鍋爐摻燒污泥試驗(yàn)為原型，對(duì)比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立渦耗散模型，分析了污泥不同摻燒比和摻燒方式對(duì)爐膛溫度場(chǎng)和煙氣成分的影響，結(jié)合數(shù)值模擬和熱力計(jì)算結(jié)果，為實(shí)際鍋爐摻燒污泥提供理論指導(dǎo)和借鑒。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用含水率12%的煙煤與污泥摻燒。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)混合機(jī)和輸送皮帶，并依靠鍋爐一次熱風(fēng)加熱干燥燃料中的水分，混合燃料直接送入鍋爐。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，在660 MW負(fù)荷下進(jìn)行污泥摻燒試驗(yàn)，維持D磨的摻燒比為11.1%，其總體的摻燒比為1.76%。燃料消耗情況如表1所示。試驗(yàn)中煙煤與污泥的樣品元素和工業(yè)分析見(jiàn)表2，認(rèn)定污泥在煤場(chǎng)已均勻混合。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

表2 煙煤和污泥樣品的元素和工業(yè)分析Tab.2 Proximate and ultimate analysis of bituminous coal blending samples

2 數(shù)值仿真

本次試驗(yàn)與模擬采用某660 MW墻式切圓鍋爐，24組燃燒器布置于四面墻上，鍋爐本體與燃燒器布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 鍋爐本體結(jié)構(gòu)與燃燒器噴口布置Fig.1 Boiler body structure and burner nozzle layout

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格疏密性是影響計(jì)算精度的重要參數(shù)，筆者以不同網(wǎng)格密度繪制了4種網(wǎng)格算例(見(jiàn)圖2)，通過(guò)對(duì)比沿爐膛高度橫截面平均溫度，可以得出網(wǎng)格數(shù)較多的3例結(jié)果相近，綜合考慮，選取網(wǎng)格總數(shù)為163萬(wàn)。

圖2 沿爐膛高度方向溫度分布Fig.2 Temperature distribution along furnace height direction

2.2 邊界條件與模擬工況

鍋爐運(yùn)行工況為鍋爐額定工況(BRL工況)，所有磨煤機(jī)工作，總?cè)剂狭勘３衷?61.42 t/h。過(guò)量空氣系數(shù)為1.15，一次風(fēng)占總風(fēng)量的30%，燃盡風(fēng)占總風(fēng)量的30%，每層濃淡一次風(fēng)口的燃料配比為0.7/0.3，一次風(fēng)溫為343 K，二次風(fēng)及燃盡風(fēng)風(fēng)溫為600 K。

考慮到電廠后續(xù)污泥摻燒試驗(yàn)希望進(jìn)一步增加摻混比，數(shù)值仿真模型擬由試驗(yàn)時(shí)的D層摻燒比1∶8逐步增加到摻燒比1∶1，即污泥總摻燒比由1.75%逐漸增加到11%，探究在單層磨煤機(jī)增加污泥摻燒比對(duì)鍋爐燃燒特性的影響，以及在該摻燒比下，以不同摻燒方式混入污泥對(duì)鍋爐的影響，對(duì)比模擬工況見(jiàn)表3。

表3 模擬工況Tab.3 Simulated working condition

3 污泥摻燒比對(duì)燃燒特性的影響

以試驗(yàn)工況一、工況二的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)照，驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的合理性，并預(yù)測(cè)分析更高的摻燒比對(duì)鍋爐的實(shí)際影響。

3.1 對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

為了探究摻燒污泥對(duì)鍋爐爐膛溫度場(chǎng)的實(shí)際影響，試驗(yàn)選取爐膛標(biāo)高43 m處，對(duì)SOFA燃盡風(fēng)下側(cè)進(jìn)行測(cè)溫，具體溫度分布見(jiàn)圖3。

(a) 工況一

(b) 工況二圖3 實(shí)測(cè)溫度分布Fig.3 Distribution of measured temperature

根據(jù)本次摻燒性能試驗(yàn)可以看出，燃煤機(jī)組污泥摻燒比為1.76%時(shí)會(huì)造成燃盡風(fēng)下側(cè)區(qū)域約16 K的溫度降幅。

根據(jù)所研究鍋爐的實(shí)際條件，1號(hào)角溫度偏高，后續(xù)摻燒更高比例污泥時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整摻燒位置，利用污泥熱值較低的特性均衡爐內(nèi)四角的溫度差。

基于模型合理性，在D層磨煤機(jī)逐步提高污泥摻混比，得到D層噴口所在高度橫截面溫度場(chǎng)分布，如圖4所示。由圖4可知，燃料由墻上4個(gè)噴口噴入，在爐膛內(nèi)部形成了清晰的環(huán)狀區(qū)域，爐內(nèi)溫度最高的位置位于環(huán)狀區(qū)域，并且燃料射流著火后在旋流的作用下盤(pán)旋上升，爐膛中心與四角溫度相對(duì)較低，這基本符合墻式切圓鍋爐的燃燒特征。

圖4 摻燒比對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.4 Influence of blending ratio on temperature field

圖5給出了鍋爐沿爐膛高度各橫截面平均溫度分布。從圖5可以看出，隨著污泥摻燒比的增大，爐膛內(nèi)各部分溫度均有不同幅度的降低。當(dāng)摻燒比為1.75%，爐膛標(biāo)高43 m處溫度下降約為11 K，與圖3實(shí)際測(cè)溫下降幅度基本相符。當(dāng)摻燒比為11%時(shí)，爐膛整體平均溫度下降約50 K，最大溫差在標(biāo)高37 m處，下降幅度約為96 K。

圖5 不同污泥摻燒比下溫度沿爐膛高度的分布Fig.5 Temperature distribution along the furnace under different mixing ratios

此外，由于污泥本身的固定碳含量低，燃燒過(guò)程主要依賴(lài)于揮發(fā)分的析出[12]，因此鍋爐實(shí)際摻燒中，污泥會(huì)較早地釋放揮發(fā)分至完全燃燒，正向促進(jìn)混合燃料的氣化反應(yīng)[13]。從而對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，摻燒層上部的平均溫度下降幅度偏低，而燃盡區(qū)上部由于燃料過(guò)早燃燒完，爐膛溫度持續(xù)降低。

3.2 對(duì)煙氣成分的影響

在試驗(yàn)分析摻燒污泥后，測(cè)量機(jī)組脫硝進(jìn)口處NOx、SO2以及空氣預(yù)熱器進(jìn)出口的O2及CO2含量變化情況，結(jié)合分散控制系統(tǒng)(DCS)讀數(shù)，具體煙氣成分測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 煙氣測(cè)量結(jié)果Tab.4 Measurement results of flue gas

與工況一相比，工況二的空氣預(yù)熱器進(jìn)出口O2體積分?jǐn)?shù)上升約0.3%，出口CO2體積分?jǐn)?shù)降低，出口CO體積分?jǐn)?shù)增大27.06%?？紤]到對(duì)照工況下，總風(fēng)量的變化不大，摻燒污泥后，燃料對(duì)空氣需求增加。

結(jié)合表5數(shù)據(jù)，取數(shù)值仿真出口截面的NOx質(zhì)量濃度與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，2種試驗(yàn)工況下NOx質(zhì)量濃度的模擬結(jié)果較實(shí)測(cè)值略低，但在誤差范圍內(nèi)，并能較好地反映NOx質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)。

表5 不同污泥摻燒比下的爐膛出口參數(shù)Tab.5 Furnace outlet parameters under different mixing ratios

摻燒污泥后，SO2質(zhì)量濃度下降不到10 mg/m3，分析原因大致有以下幾點(diǎn)：(1) 污泥的含硫量較煙煤低；(2) 污泥呈堿性，堿金屬含量較高，起到了固硫的作用；(3) 污泥在干燥基下?lián)]發(fā)分較高，大量揮發(fā)分在燃燒初期釋放，消耗了O2，抑制了硫元素的轉(zhuǎn)化。

NOx質(zhì)量濃度的下降則主要是由于污泥摻燒引起的爐膛平均溫度下降，且污泥揮發(fā)分較早析出后消耗O2也會(huì)抑制氮元素的氧化反應(yīng)。

鑒于數(shù)值模擬效果較好，擬用該模型研究摻燒比增大后，爐內(nèi)NOx質(zhì)量濃度和O2體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的分布情況，如圖6所示。可以看出，隨著污泥摻燒比的增加，爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)增大，NOx質(zhì)量濃度降低。

(a) O2體積分?jǐn)?shù)

(b) NOx質(zhì)量濃度圖6 不同污泥摻燒比下煙氣成分沿爐膛高度的分布Fig.6 Distribution of flue gas composition along the furnace under different mixing ratios

在鍋爐摻燒不同比例污泥的背景下，爐膛出口參數(shù)見(jiàn)表5，隨著污泥摻燒比的增加，混合燃料燃盡率下降，當(dāng)污泥摻燒比達(dá)到11%時(shí)，與不摻燒污泥相比，出口溫度下降25 K，NOx質(zhì)量濃度下降22%。

3.3 對(duì)鍋爐效率的影響

由入爐燃料元素及低位發(fā)熱量、煙氣成分分析測(cè)試結(jié)果、若干DCS數(shù)據(jù)和表盤(pán)所讀以及實(shí)測(cè)的出口煙氣溫度分別計(jì)算，得到各工況下鍋爐效率及各項(xiàng)損失如表6所示。

表6 排煙溫度及各項(xiàng)損失Tab.6 Exhaust gas temperature and boiler loss

從表6可以看出，燃煤機(jī)組在相同負(fù)荷下?lián)綗捅壤勰?，?shí)測(cè)排煙溫度升高2 K左右。主要原因是摻燒污泥后爐膛內(nèi)煙氣溫度降低，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)受熱面吸熱比例下降，煙氣流量增加后，尾部受熱面無(wú)法將煙氣溫度降低至摻燒污泥前的溫度水平，最終導(dǎo)致排煙溫度升高。

由于污泥灰分和含水率較高，會(huì)引起鍋爐效率小幅下降。高負(fù)荷下，效率損失主要集中在干煙氣熱損失和煙氣中CO的熱損失，2項(xiàng)合計(jì)降低鍋爐總體效率約0.28%。總體而言，低比例摻燒高含水率的污泥對(duì)鍋爐效率的影響較小。

由上述分析可知，若機(jī)組煤耗取值300 g/(kW·h)，此時(shí)機(jī)組煤耗約升高0.28/93×300=0.903 g。

污泥摻燒比增加后，可以預(yù)見(jiàn)，排煙溫度將繼續(xù)升高，干煙氣損失增大，鍋爐效率進(jìn)一步下降。

4 摻燒方式對(duì)燃燒特性的影響

考慮到電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)，污泥進(jìn)料口位置的不同，在總摻燒比11%不變的情況下，研究污泥不同摻燒方式對(duì)爐膛燃燒的影響， 得到爐膛中心截面與D層噴口所在高度橫截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，如圖7和圖8所示?？梢钥闯觯诰S持11%總摻燒比的前提下，隨著摻燒入口的增加，單層摻燒比例的降低，D層的含水率下降，燃料黏滯性下降，爐膛中心速度小幅上升。爐膛整體平均溫度和D層溫度均不斷上升，這是由于低熱值污泥會(huì)降低摻燒層的溫度，如果降低每層的摻燒比，每層因此下降的溫度量降低，整體受污泥摻入的影響程度減小。

圖7 不同摻燒方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.7 Effects of different burning methods on temperature field

圖8 不同摻燒方式對(duì)速度場(chǎng)的影響Fig.8 Effects of different burning methods on velocity field

不同摻燒方式下各橫截面溫度和煙氣組分?jǐn)?shù)據(jù)如圖9所示。由圖9可知，隨著污泥摻燒方式的分散，爐膛煙氣溫度總體升高，并均在相應(yīng)摻燒的入口高度處下降，由于混合總?cè)剂狭肯嘟琌2的消耗情況基本相似。對(duì)比BC層與DE層摻燒，當(dāng)污泥摻燒層較低時(shí)候，燃盡風(fēng)上側(cè)溫度偏高。

(a) 煙氣溫度

(b) O2體積分?jǐn)?shù)

(c) NOx質(zhì)量濃度

污泥從不同磨煤機(jī)摻入爐膛引起的出口參數(shù)變化如表7所示。在11%總摻燒比下，增加磨煤機(jī)摻燒層數(shù)，減少每層燃燒器噴口的摻燒比，可以有效提高出口溫度，對(duì)比僅在D層和BCDE層摻混2個(gè)工況，出口溫度了提高13 K，NOx質(zhì)量濃度提高5.9%。

表7 不同摻燒方式對(duì)爐膛出口參數(shù)的影響Tab.7 Influence of different burning methods on furnace outlet parameters

比較BC層和DE層摻混2個(gè)工況，相同總摻混比下，降低污泥摻燒層，能讓污泥在爐內(nèi)混燒的時(shí)間更久，可以提高爐膛出口溫度4 K，而NOx質(zhì)量濃度基本維持不變。

5 結(jié) 論

(1) 由于污泥熱值較低且含水率高，摻燒污泥后，鍋爐燃盡飛灰中可燃物成分升高，干煙氣熱損失和煙氣中CO的熱損失增加，排煙溫度升高，鍋爐整體熱效率下降，煤耗增加。

(2) 隨著污泥摻燒比的增大，爐膛平均溫度下降，摻燒比達(dá)到11%時(shí)，平均溫度下降約50 K，出口NOx質(zhì)量濃度下降22%。

(3) 在相同總摻燒比下，適當(dāng)增加摻燒磨煤機(jī)數(shù)量，降低單層燃燒器污泥摻混比，可以有效優(yōu)化爐內(nèi)摻燒條件，提高主燃區(qū)平均溫度，提高爐膛出口溫度，降低爐膛出口NOx質(zhì)量濃度。