700 MW燃煤鍋爐耦合污泥發(fā)電的工程應(yīng)用

葉 驥,陳創(chuàng)庭,鄒祥波,饒睦敏,魏 帥,毛鐵英,秦士偉,匡 草,陳公達(dá),胡智慧,陳天馳,姜 媛,王 群

(1.廣東能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,廣東 廣州 510630;2.廣東省能源集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510000;3.廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司,廣東 湛江 524300;4.浙江大學(xué) 熱能工程研究所 能源高效清潔利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展,城鎮(zhèn)居民人口數(shù)量不斷增加,市政污水處理規(guī)模也逐年提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1],目前我國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模達(dá)2.2億t/d,相應(yīng)每天產(chǎn)生污泥超過6 000萬t,預(yù)計(jì)到2025年,我國污泥年產(chǎn)量將突破1億t。目前,我國污水處理率已超過90%,污泥無害化處置率低于30%,國內(nèi)市政污水處理過程中“重水輕泥”現(xiàn)象仍較嚴(yán)重[2]。污泥處置不當(dāng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重二次污染,污泥處置已成為政府迫在眉睫和必須解決的難題。

截至2020年底,我國污泥處置的主要方式為衛(wèi)生填埋、土地利用、建材利用、污泥焚燒。衛(wèi)生填埋操作簡(jiǎn)便且成本低,但填埋污泥會(huì)污染周邊土地和水體,可供填埋的場(chǎng)地越來越少。土地利用是對(duì)污泥進(jìn)行處理后用于農(nóng)業(yè)利用、園林綠化利用以及土地改良等,從而利用污泥中大量有機(jī)營養(yǎng)成分和微量元素,但污泥中的病原菌、重金屬等也易造成土壤及地下水的污染。建材利用是指利用污泥中硅、鋁、鐵等無機(jī)物含量豐富的特點(diǎn),在污泥中添加一定量的粉煤灰、高嶺土等無機(jī)輔料,進(jìn)一步制備燒結(jié)磚、輕質(zhì)陶粒、水泥等建材,然而我國尚未形成完備的污泥再生建材產(chǎn)品出路,市場(chǎng)流通困難導(dǎo)致該方式難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。污泥焚燒是指在一定溫度、有氧條件下焚燒污泥,使污泥中的有機(jī)物發(fā)生燃燒反應(yīng),轉(zhuǎn)化為二氧化碳、無機(jī)灰分等物質(zhì)。污泥焚燒方式包括建設(shè)獨(dú)立的焚燒系統(tǒng)和依托現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造2種路線,后者可依托現(xiàn)有燃煤電廠鍋爐、垃圾焚燒爐及水泥窯等裝置將污泥與煤或垃圾混合燃燒。

燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù),是指利用現(xiàn)役燃煤電廠的發(fā)電系統(tǒng)和污染物凈化裝置,對(duì)經(jīng)一定方式預(yù)處理(干化)后的污泥與煤混合后送入電站鍋爐燃燒,將污泥熱能轉(zhuǎn)化為電能。燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn):解決熱值低、水分高的污泥無法獨(dú)自穩(wěn)燃的問題;與單獨(dú)設(shè)置鍋爐焚燒污泥相比,減少了投資成本和建設(shè)周期;通過發(fā)電系統(tǒng),將污泥熱能轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用;燃燒產(chǎn)生的污染物被電廠煙氣凈化裝置脫除,僅剩下性質(zhì)穩(wěn)定的無機(jī)灰渣。

近10 a來,國內(nèi)學(xué)者和工程人員進(jìn)行大量燃煤耦合污泥發(fā)電相關(guān)技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用工作。廖艷芬等[3]用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)燃煤耦合污泥發(fā)電進(jìn)行清單分析,指出燃煤耦合污泥發(fā)電可利用污泥化學(xué)內(nèi)能,但要注意酸性氣體和二噁英排放問題。張成等[4]在某420 t/h切圓煤粉爐上開展了摻燒污泥在著火、穩(wěn)燃、結(jié)渣、能效等方面研究,結(jié)果表明污泥摻混質(zhì)量比小于20%時(shí),混合燃料的燃燒特性與煤相似,污泥摻混質(zhì)量比例大于20%時(shí),有明顯結(jié)渣傾向,且排煙損失顯著增加。曹通等[5]在某自然循環(huán)煤粉爐額定負(fù)荷下開展了不同污泥質(zhì)量比的現(xiàn)場(chǎng)摻燒試驗(yàn),結(jié)果表明在10%摻比下鍋爐效率顯著下降,粉塵、SO2、NOx及二噁英排放在摻燒污泥時(shí)未激增,飛灰和爐渣中重金屬含量增加。殷立寶等[6]采用單、雙混合分?jǐn)?shù)/PDF模型,在70%負(fù)荷和100%負(fù)荷下對(duì)某四角切圓燃燒鍋爐燃燒單煤和摻燒污泥進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明污泥質(zhì)量比增加會(huì)導(dǎo)致煤粉燃盡率下降。李德波等[7]以某300 MW燃煤機(jī)組摻燒污泥為研究對(duì)象,開展了220～330 MW多負(fù)荷試驗(yàn),研究結(jié)果表明污泥質(zhì)量占比控制在10%以內(nèi),不會(huì)對(duì)燃煤電廠鍋爐安全和環(huán)保運(yùn)行造成顯著影響。張宗振等[8]在某1 000 MW機(jī)組開展了燃煤鍋爐摻燒污泥的燃燒特性理論研究和現(xiàn)場(chǎng)摻燒試驗(yàn),結(jié)果表明摻燒含水率在60%以內(nèi)的污泥,在10%質(zhì)量摻比內(nèi)對(duì)理論燃燒溫度影響較小,電廠煙氣污染物排放完全滿足環(huán)保要求。鄭成強(qiáng)等[9]研究表明,燃煤摻燒污泥后大部分重金屬元素轉(zhuǎn)移到粉煤灰和爐渣中,指出要注意重金屬元素對(duì)電廠副產(chǎn)物綜合利用的影響。

目前,國內(nèi)開展的燃煤耦合污泥發(fā)電工程研究,基本都是在額定負(fù)荷70%以上工況開展,對(duì)中低負(fù)荷工況,即50%～60%額定負(fù)荷的研究鮮有報(bào)道。進(jìn)入“十四五”后,我國已明確生態(tài)文明建設(shè)將以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向,推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效。燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)在推動(dòng)污泥無害化處置方面具有重要作用,但關(guān)于其降碳效果研究較少。筆者在某700 MW四角切圓燃煤鍋爐上開展了50%負(fù)荷時(shí)燃煤耦合污泥發(fā)電的工程試驗(yàn),系統(tǒng)研究摻燒污泥對(duì)鍋爐熱效率、常規(guī)污染物排放、二噁英排放、電廠副產(chǎn)物重金屬含量的影響,并從理論上分析摻燒污泥的降碳效果,為國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究提供借鑒。

1 機(jī)組概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 700 MW亞臨界燃煤機(jī)組概況

該電廠裝備2臺(tái)單元制機(jī)組,分別于2000年和2001年投產(chǎn)。鍋爐是日本三菱重工設(shè)計(jì)制造的MB-FRR型、亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、強(qiáng)制循環(huán)、燃煤汽包鍋爐。鍋爐設(shè)計(jì)燃用國產(chǎn)煤或進(jìn)口煤,燃燒器四角布置,制粉系統(tǒng)為直吹式,配6臺(tái)三菱立式MVM25RL型磨煤機(jī)。脫硝系統(tǒng)為爐內(nèi)低氮燃燒器加煙氣選擇性催化還原工藝(SCR),通過分級(jí)省煤器提高進(jìn)入催化劑層煙溫,催化劑層設(shè)置3層。脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫,一爐一塔布置脫硫裝置,2017年利用FGD系統(tǒng)新增托盤、GGH系統(tǒng)密封改造等超低排放改造措施后,煙囪排放口SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3,達(dá)到超低排放要求。除塵系統(tǒng)采用電袋復(fù)合除塵器,外濾式除塵設(shè)計(jì),清灰方式為低壓脈沖行噴吹,2017年新增濕WESP系統(tǒng),粉塵達(dá)到5 mg/m3的排放要求。

1.2 試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用污泥為城鎮(zhèn)污水處理廠的生活污泥,經(jīng)機(jī)械脫水處理后再經(jīng)自然干化后運(yùn)至該電廠。提前將試驗(yàn)所用污泥在煤場(chǎng)與煤直接摻混后經(jīng)輸煤皮帶送入原煤倉。在電廠1號(hào)鍋爐開展50%負(fù)荷下(350 MW)耦合污泥發(fā)電試驗(yàn)。DB 31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,燃煤耦合污泥發(fā)電的污泥質(zhì)量占比建議小于5%。參考陳大元等[10]研究,只要污泥摻燒比例控制在10%以內(nèi),可保障鍋爐的安全、環(huán)保運(yùn)行,電廠副產(chǎn)物品質(zhì)變化不大,重金屬排放達(dá)標(biāo)。因本試驗(yàn)工況機(jī)組負(fù)荷不高,污泥成分偏移設(shè)計(jì)煤種,同時(shí)控制摻燒試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),以確保試驗(yàn)期間機(jī)組安全運(yùn)行,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了污泥質(zhì)量占比為0、3%、6%三個(gè)工況,負(fù)荷350 MW。

1.3 試驗(yàn)方法

采用GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試鍋爐效率,采用GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行煤和污泥樣品的工業(yè)分析,采用GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》進(jìn)行煤和污泥樣品的元素分析。

二噁英的樣品采集和檢測(cè)采用HJ 77.1—2008《水質(zhì) 二噁英類的測(cè)定 同位素 稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》、HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測(cè)定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》、HJ 77.3—2008《固體廢物 二噁英類的測(cè)定 同位素稀釋 高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》。

采用德國耐馳公司生產(chǎn)的STA449 F5型號(hào)的同步熱分析儀進(jìn)行熱重試驗(yàn)。采用芬蘭gasmet公司生產(chǎn)的FTIR DX—4000型號(hào)便攜式傅里葉紅外煙氣分析儀進(jìn)行常規(guī)污染物的檢測(cè)。

根據(jù)HJ 832—2017《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》對(duì)煤樣以及污泥進(jìn)行消解,測(cè)定所用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀型號(hào)為Agilent 7700。

飛灰浸出參照HJ/T 300—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》,使用美國ThermoFisher公司生產(chǎn)的電感耦合等離子發(fā)射光譜儀進(jìn)行檢測(cè),型號(hào)為ICAP—6300。

圖1為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置:在給煤機(jī)處進(jìn)行人工取煤樣,進(jìn)行工業(yè)分析;污泥在污泥存儲(chǔ)倉庫取樣,未在圖中標(biāo)注。

從電廠生產(chǎn)管理平臺(tái)讀取在線監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄的試驗(yàn)期間NOx、SO2、粉塵數(shù)據(jù)。O2、CO、CO2和NOx等煙氣成分則通過對(duì)鍋爐煙氣采樣獲得:空預(yù)器入口A、B兩側(cè)煙道各布置8個(gè)測(cè)孔,每個(gè)測(cè)孔4個(gè)測(cè)點(diǎn),用算術(shù)平均方法計(jì)算入口平均值;空預(yù)器出口A、B兩側(cè)煙道各布置8個(gè)測(cè)孔,每個(gè)孔布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),用算術(shù)平均方法計(jì)算出口平均值。

在空預(yù)器出口兩側(cè)煙道各取幾個(gè)代表點(diǎn),用等速取樣方法進(jìn)行飛灰取樣,在爐底撈渣機(jī)2處取爐渣,取樣間隔為30 min,分別進(jìn)行飛灰和爐渣的可燃物檢測(cè)分析。使用二噁英采樣設(shè)備在SCR入口和煙囪處同時(shí)采集煙氣,等速采樣,每個(gè)工況每個(gè)采點(diǎn)采2～3個(gè)平行樣,單個(gè)樣品采樣2 h。在除塵器8對(duì)應(yīng)倉泵處采集飛灰(包括電區(qū)灰和袋區(qū)灰),脫硫系統(tǒng)9采集脫硫石膏,用于開展摻燒污泥對(duì)電廠副產(chǎn)物的影響研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃料成分分析

在試驗(yàn)期間對(duì)污泥、煤及混合燃料取樣后進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析,結(jié)果見表1。

表1 燃料樣品工業(yè)分析、元素分析及熱值

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用的污泥為生活污泥,為一種低熱值、低水分、較高灰分、低硫分污泥,污泥含氮量高于燃煤,使用的燃煤屬于低發(fā)熱量煙煤。本次試驗(yàn)的負(fù)荷為50%額定功率,最高污泥摻混比6%工況。試驗(yàn)期間,通過加強(qiáng)對(duì)鍋爐運(yùn)行的全方位監(jiān)測(cè),確保不會(huì)對(duì)鍋爐安全運(yùn)行和環(huán)保運(yùn)行造成較大影響。

2.2 摻燒污泥對(duì)鍋爐熱效率的影響

對(duì)各工況下的飛灰、爐渣進(jìn)行取樣,后送實(shí)驗(yàn)室分析可燃物含量。對(duì)各工況下的鍋爐排煙氧量、排煙溫度、CO濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)。獲得上述數(shù)據(jù)后,計(jì)算鍋爐熱效率(圖2)。由圖2可知,與不摻燒污泥的工況1對(duì)照組相比,摻燒3%污泥的工況2使鍋爐效率下降了0.52%,摻燒6%污泥的工況3使鍋爐效率下降了1.03%。表明摻燒污泥影響鍋爐熱效率,且隨摻燒比例的增大鍋爐效率下降越明顯。這與李源等[11]在某1 000 MW機(jī)組開展的污泥摻燒性能試驗(yàn)結(jié)論基本一致,燃煤機(jī)組摻燒污泥導(dǎo)致燃料品質(zhì)下降,鍋爐熱效率降低。

圖2 不同工況下的鍋爐熱效率對(duì)比Fig.2 Comparison of boiler thermal efficiency under different operating conditions

本試驗(yàn)工況為中等負(fù)荷(50%負(fù)荷),摻燒含水污泥后,水分蒸發(fā)造成主燃區(qū)溫度下降,進(jìn)而導(dǎo)致燃料燃盡率下降(圖3)。由圖3可知,不摻燒污泥的工況1飛灰含碳量為1.26%,爐渣含碳量為0.82%;摻燒3%污泥的工況2飛灰含碳量為1.91,爐渣含碳量為0.99%;摻燒6%污泥的工況3飛灰含碳量為1.92,爐渣含碳量為1.5%。隨著摻混污泥比例上升,飛灰和爐渣的未燃盡碳含量上升,直接導(dǎo)致物理不完全燃燒熱損失增加,進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐熱效率下降。

圖3 不同工況下的飛灰含碳量和爐渣含碳量對(duì)比Fig.3 Comparison of carbon content in fly ash and slag under different operating conditions

2.3 摻燒污泥對(duì)煙氣常規(guī)污染物排放的影響

不同工況下的NOx排放濃度對(duì)比如圖4所示。由圖4可知,摻燒污泥對(duì)鍋爐的NOx排放無顯著影響。該電廠機(jī)組安裝3層催化劑,SCR脫硝系統(tǒng)裕量較大,即使污泥含N量略高于燃用煤種,摻燒污泥工況能夠完全滿足50 mg/m3(6% O2)的超低排放要求。

圖4 不同工況下的NOx排放濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of NOx emission concentrations under different operating conditions

不同工況下的SO2排放濃度對(duì)比如圖5所示,摻燒污泥對(duì)鍋爐的SO2排放沒有明顯影響。一方面試驗(yàn)用污泥的含S量明顯低于燃用煤種,另一方面該電廠機(jī)組的FGD系統(tǒng)配置有5臺(tái)漿液循環(huán)泵,本試驗(yàn)期間均只有3臺(tái)漿液循環(huán)泵運(yùn)行,另外該電廠在2017年對(duì)FGD系統(tǒng)新增托盤,增加了漿液在吸收塔內(nèi)的停留時(shí)間,現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)對(duì)SO2的凈化能力完全能應(yīng)對(duì)摻燒污泥帶來的影響。

圖5 不同工況下的SO2排放濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of SO2 emission concentrations under different operating conditions

污泥灰含量明顯高于燃用煤種,然而不同污泥摻燒比工況下的粉塵排放幾乎沒有差異(圖6),這可能是由于本試驗(yàn)對(duì)污泥摻混最高比例控制在6%,以及該廠在電袋除塵的基礎(chǔ)上還配置了濕式電除塵(WESP)。

圖6 不同工況下的粉塵排放濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of dust emission concentrations under different operating conditions

由以上分析可知,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摻燒比例工況下,電廠機(jī)組環(huán)保設(shè)施能完全保證摻燒污泥時(shí)粉塵、SO2、NOx等常規(guī)污染物排放符合超低排放標(biāo)準(zhǔn),這與國內(nèi)現(xiàn)有研究結(jié)論[12-14]相同。

2.4 摻燒污泥對(duì)二噁英排放的影響

在SCR入口和煙囪處進(jìn)行二噁英樣本采集和氧量測(cè)量,后將采集的樣本送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。不同工況下二噁英毒性當(dāng)量對(duì)比如圖7所示,可知隨摻混污泥比例提高,SCR入口處二噁英毒性當(dāng)量明顯上升,但經(jīng)電廠煙氣凈化裝置后,在煙囪口處二噁英毒性當(dāng)量又有不同程度下降,且摻燒污泥比例越高電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除率也相應(yīng)升高。不摻燒污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為67.1%,摻燒3%污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為91.0%,摻燒6%污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為95.6%。摻燒污泥比例越高,二噁英的脫除效率越高,這可能與二噁英的生成源上升有關(guān)。本次現(xiàn)場(chǎng)摻燒試驗(yàn)所有工況的二噁英排放均遠(yuǎn)低于DB 31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.01 ng/m3。這與國內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究結(jié)論[15-17]基本相同,均顯示在燃煤電廠摻燒污泥對(duì)電廠二噁英排放基本無影響。

圖7 不同工況下二噁英毒性當(dāng)量對(duì)比Fig.7 Comparison of dioxin toxic equivalent quangtity under different operating conditions

2.5 摻燒污泥對(duì)副產(chǎn)物重金屬含量的影響

對(duì)本試驗(yàn)期間粉煤灰、爐渣、脫硫石膏等電廠副產(chǎn)物進(jìn)行取樣,后送檢進(jìn)行重金屬含量化驗(yàn),結(jié)果表明:

1)不同工況下粉煤灰重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,各工況下粉煤灰中的Hg、Cd、Pb含量均低于檢出值下限,其他重金屬含量,除Ni外,均隨摻燒污泥比例的提高而升高。

圖8 不同工況下粉煤灰重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of heavy metal components in fly ash under different operating conditions

2)不同工況下爐底渣重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,各工況下爐底渣中Hg、Pb、Cu含量均低于檢出值下限,其他重金屬元素均隨摻燒污泥比例的提高而升高。

圖9 不同工況下爐底渣重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of heavy metal content in slag under different working conditions

參考用于土壤改良的粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)GB 8173-87《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)Cd、Ni、Cr、Cu、Pb規(guī)定的上限值為分別為5、200、250、250、250 mg/kg,本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

3)不同工況下脫硫石膏重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,摻燒污泥對(duì)脫硫石膏中的重金屬含量影響較小,僅Cu含量對(duì)污泥摻燒比例較敏感。參考GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》,本試驗(yàn)采樣的脫硫石膏中的重金屬含量均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

圖10 不同工況下脫硫石膏重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of heavy metal content in desulfurization gypsum under different working conditions

摻燒污泥對(duì)電廠副產(chǎn)物重金屬含量的影響與劉笑等[18]的研究結(jié)論基本保持一致。

2.6 摻燒污泥對(duì)CO2排放的影響

查閱該廠鍋爐性能規(guī)范參數(shù),燃用神府東勝煤,50% ECR時(shí)的耗煤量為131.2 t。作出如下假設(shè):① 污泥為碳中性燃料,燃燒產(chǎn)生的CO2等溫室氣體不計(jì)入統(tǒng)計(jì)范疇;② 在50% ECR工況下用神府東勝煤混燒污泥,分別摻混質(zhì)量占比為0、3%、6%的污泥進(jìn)行燃燒;③ 3個(gè)工況的效率變化情況與本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同;④ CO2排放量可通過耗煤量體現(xiàn)。通過理論計(jì)算分析不同工況下的耗煤量,進(jìn)而對(duì)比CO2排放量。

T0Q0η0=[T1Q0(1-X)+T1Q1X]η1,

(1)

(2)

其中,T0為神府東勝煤耗煤量,131.2 t;Q0為神府東勝煤低位發(fā)熱量熱值,22 760 kJ/kg;η0為不摻混污泥的鍋爐效率;η1為摻混X(%)污泥后的鍋爐效率;T1為摻混X(%)污泥后的混合燃料消耗量;Q1為污泥的低位發(fā)熱量。由以上計(jì)算可得,當(dāng)X=3%時(shí),η0/η1=1.005 5,T1=135.5 t,0.97T1=131.4 t,即比摻比0工況多消耗神府東勝煤0.2 t,約多排放0.15%的CO2;當(dāng)X=6%時(shí),η0/η1=1.01,T1=140 t,0.94T1=131.6 t,比摻比0工況多消耗神府東勝煤0.4 t,約多排放0.3%的CO2。周凌宇等[19]研究表明摻燒污泥對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響隨負(fù)荷的減少而增大。由以上理論分析可知,即便考慮污泥為碳中性燃料,在50%負(fù)荷下?lián)綗勰鄬?dǎo)致鍋爐熱效率下降,為維持鍋爐熱功率不變,反而燒煤量更大,導(dǎo)致釋放更多CO2。此外,污泥是否為碳中性生物質(zhì)資源的爭(zhēng)議較大。以上分析可知,本次試驗(yàn)未能通過應(yīng)用燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效。

3 結(jié) 論

1)機(jī)組50%負(fù)荷時(shí),摻燒污泥一定程度上影響鍋爐熱效率,與不摻燒污泥的工況相比,摻燒3%污泥使鍋爐熱效率下降0.52%,摻燒6%的污泥使鍋爐熱效率下降1.03%。摻燒含水污泥后,水分蒸發(fā)造成主燃區(qū)溫度下降,進(jìn)而導(dǎo)致燃料的燃盡率下降,飛灰和爐渣的未燃盡碳含量上升,物理不完全燃燒熱損失增加,導(dǎo)致鍋爐熱效率下降。

2)與不摻燒污泥的工況相比,燃煤機(jī)組摻燒3%污泥和摻燒6%污泥工況的粉塵、SO2、NOx排放濃度幾乎無明顯差異。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的摻燒比例下,電廠現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施能完全保證粉塵、SO2、NOx等常規(guī)污染物排放符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)不摻燒污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為67.1%,摻燒3%污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為91.0%,摻燒6%污泥時(shí),電廠煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除效率為95.6%。在爐內(nèi)二噁英生成的越多,煙氣凈化裝置對(duì)二噁英的脫除率也越高。所有工況的二噁英毒性當(dāng)量均遠(yuǎn)低于DB 31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.01 ng/m3。

4)摻燒污泥會(huì)導(dǎo)致粉煤灰中的Cr、Ni、Cu、Zn,爐渣中的Cd、Cr、As、Ba、Ni、Zn,脫硫石膏中Cu含量上升?？紤]副產(chǎn)物用于土壤改良的情況,用相關(guān)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)衡量,這些重金屬含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)電廠副產(chǎn)物的綜合利用造成影響。

5)通過理論計(jì)算,摻燒3%污泥后,約多排放0.15%的CO2,摻燒6%污泥后,約多排放0.3%的CO2。本試驗(yàn)工況下,摻燒污泥導(dǎo)致鍋爐熱效率下降,為維持機(jī)組負(fù)荷不變,反而燒煤量更大,導(dǎo)致釋放更多CO2。因此,需在污泥類型、污泥前處理、摻燒負(fù)荷、燃燒調(diào)整等多方面進(jìn)行優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效。