300MW 燃煤鍋爐摻燒生活污泥試驗(yàn)研究

劉炎南，李德波，闞偉民，陳兆立，余馮堅(jiān)，陳智豪

(1.深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；4.廣東省節(jié)能中心，廣東 廣州 510030)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)生活污泥產(chǎn)量大幅增加[1]。根據(jù)《中國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年國(guó)內(nèi)生活污泥產(chǎn)生量已達(dá)4592.1 萬(wàn)噸，平均每日產(chǎn)量為12.6 萬(wàn)噸。燃煤電廠摻燒生活污泥能確保污泥被無(wú)害化處置，同時(shí)可以回收污泥中的能源，符合節(jié)能環(huán)保理念，因此成為目前研究熱點(diǎn)之一[2-3]。

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已針對(duì)燃煤電廠摻燒生活污泥的燃燒過程開展了相關(guān)的研究工作。針對(duì)燃煤與污泥混合后的燃料，采用熱重分析等技術(shù)研究燃料特性[4-7]。孟濤等人[4]對(duì)淮南煤與三種含水量較高的濕污泥分別以10%、30%、50%的比例摻混，然后對(duì)得到的9 種混合燃料開展熱重分析研究，得到了混合燃料的燃料特性與動(dòng)力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。張自麗等人[5]采用熱重傅里葉紅外聯(lián)用技術(shù)，研究了市政污泥與徐州煙煤摻燒的燃燒性能、交互作用及動(dòng)力學(xué)特性，明確了燃料中元素N 與S 的賦存形態(tài)以及熱轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到了NOX和SO2污染物生成過程機(jī)理。而采用Fluent 等軟件建立模型，則可以對(duì)污泥摻燒過程開展數(shù)值模擬研究[8-10]。Lou 等人[8]對(duì)廣東某電廠循環(huán)床鍋爐建立Fluent 三維模型，重點(diǎn)對(duì)爐內(nèi)的磨損情況開展數(shù)值模擬研究，并進(jìn)一步優(yōu)化多種防磨損措施。王海川等人[10]針對(duì)某300MW 四角切圓鍋爐煤粉摻燒污泥運(yùn)行情況，采用Fluent 軟件建立模型，對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣流動(dòng)、燃燒過程和污染物NOX排放進(jìn)行數(shù)值模擬研究。蔣孟宴等人[11]在0.3MWth 循環(huán)流化床中試裝置開展研究，研究了不同摻燒比例、一次風(fēng)與二次風(fēng)比例、過量空氣系數(shù)等參數(shù)對(duì)燃燒效率和氣態(tài)污染物排放的影響規(guī)律，重點(diǎn)討論煤與污泥中氮、硫的賦存形態(tài)及其轉(zhuǎn)化特性，分析煤與污泥摻燒過程中飛灰組分及熔融特性。相比于中試試驗(yàn)，在燃煤電廠開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)更具有參考價(jià)值[12-16]。李博等人[12]基于某電廠240t/h 高壓循環(huán)流化床燃煤鍋爐，對(duì)比分析了濕污泥直接入爐摻燒和濕污泥干化后摻燒兩種技術(shù)方案，并開展?jié)裎勰嘀苯尤霠t摻燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻燒污泥對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行床溫、氧量、爐膛出口負(fù)壓值均有明顯影響，但對(duì)NOX排放影響較小。部分學(xué)者還針對(duì)具體的摻燒工藝過程展開細(xì)致的研究，重點(diǎn)是針對(duì)污泥的儲(chǔ)存、輸送、干化過程等[17-20]。

在現(xiàn)有鍋爐設(shè)備摻燒污泥是經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、合理的處置方式之一，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。本文依托廣東某燃煤電廠現(xiàn)有燃煤、超低排放設(shè)施等，開展摻燒污泥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析污泥摻燒對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響，為以后工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 鍋爐設(shè)備概況

廣東省某燃煤電廠，共有6 臺(tái)燃煤機(jī)組，總裝機(jī)容量為1960MW。選取其中一臺(tái)300MW 燃煤機(jī)組，開展污泥摻燒試驗(yàn)研究。所選燃煤機(jī)組的鍋爐型號(hào)為HG-1025/17.55-YM15 亞臨界、一次中間再熱汽包爐，燃燒方式為正壓直吹、四角切圓擺動(dòng)式。在BMCR 工況下，鍋爐的主要熱力設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)鍋爐主要熱力設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)工況設(shè)置

基于廣東某燃煤電廠的現(xiàn)有鍋爐設(shè)備和煙氣凈化工藝，開展污泥摻燒試驗(yàn)研究。針對(duì)該300MW 燃煤鍋爐，分別研究其在50%負(fù)荷和滿負(fù)荷工況下，不摻燒污泥、摻燒10%污泥、摻燒15%污泥六種工況的運(yùn)行情況。分別對(duì)燃料特性、鍋爐系統(tǒng)燃燒、附屬系統(tǒng)運(yùn)行、煙氣污染物排放等方面進(jìn)行研究，試驗(yàn)工況設(shè)置如表2 所示。

表2 污泥摻燒試驗(yàn)工況設(shè)置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 燃料特性

燃煤和污泥的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表3 所示，與燃煤相比，污泥含水量高，可燃燒的成分含量較低，灰分含量較高，因此熱值遠(yuǎn)低于燃煤。燃煤樣品的真密度低于污泥樣品的真密度，隨著污泥摻燒比率的增加，混合燃料熱值降低。

表3 燃煤與污泥的燃料特性

污泥中灰分含量比燃煤高，而重金屬是灰分的重要組成部分之一，樣品重金屬化驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 燃煤與污泥樣品的重金屬化驗(yàn)結(jié)果

分析表4 可知，污泥中各種重金屬的含量均高于燃煤，則在摻燒污泥后，入爐燃料的重金屬含量會(huì)隨著摻燒比例增大而提高。而重金屬對(duì)人體和環(huán)境都有較大的危害，因此有必要研究摻燒污泥后的重金屬遷移規(guī)律及其在燃燒產(chǎn)物中的分布特性，避免造成二次污染。

摻燒污泥后入爐燃料的重金屬含量提高會(huì)增加積灰結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。分析表5 可知，污泥的灰熔點(diǎn)高于試驗(yàn)原煤的灰熔點(diǎn)，神華煤的軟化溫度為1410℃，污泥的軟化溫度大于1500℃。原煤摻入10%污泥的混合樣品軟化溫度為1330℃，原煤摻入15%污泥的混合樣品軟化溫度為1310℃，結(jié)果顯示混合樣品的灰熔點(diǎn)高于原煤的灰熔點(diǎn)，說(shuō)明摻燒污泥沒有增加結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 灰熔融特性分析

3.2 鍋爐系統(tǒng)

由于污泥的水分含量高和熱值較低的特點(diǎn)，摻燒后會(huì)對(duì)鍋爐燃燒造成不利的影響。

首先研究摻燒污泥后對(duì)燃燒溫度的影響，測(cè)量得到各試驗(yàn)工況的爐膛溫度如表6 所示。分析表6 可知摻燒污泥對(duì)爐膛溫度的影響不大，未對(duì)燃燒穩(wěn)定性造成影響。而且各摻燒工況最低爐膛溫度均大于900℃，平均爐膛溫度約為1200℃，鍋爐在此溫度條件下燃燒不易產(chǎn)生二噁英。

表6 各摻燒工況的爐膛溫度測(cè)量結(jié)果(℃)

摻燒污泥還會(huì)對(duì)鍋爐熱效率造成影響，在50%負(fù)荷和滿負(fù)荷條件下，不同摻燒比例的鍋爐熱效率，如表7 和表8 所示?？紤]到試驗(yàn)期間氣溫變化較大，本文主要關(guān)注送風(fēng)修正后的熱效率數(shù)據(jù)。

表7 150MW 負(fù)荷工況效率測(cè)試主要結(jié)果

表8 300MW 負(fù)荷工況效率測(cè)試主要結(jié)果

在鍋爐50%負(fù)荷工況下，不摻燒污泥時(shí)鍋爐效率為94.33%；摻燒10%污泥后鍋爐效率為93.98%，比不摻燒工況下降0.35%；摻燒15%污泥后鍋爐效率為93.89%，比不摻燒工況下降0.44%，摻燒工況的平均熱效率為93.93%，與不摻燒工況相比下降0.4%。

在鍋爐300MW 負(fù)荷工況下，不摻燒污泥時(shí)鍋爐效率為94.27%；摻燒10%污泥后鍋爐效率為94.07%，比不摻燒工況下降0.19%；摻燒15%污泥后鍋爐效率為94.03%，比不摻燒工況下降0.24%，摻燒工況的平均熱效率為94.05%，與不摻燒工況相比下降0.22%。

整體上，摻燒污泥對(duì)鍋爐效率的影響，在可接受范圍內(nèi)。

3.3 風(fēng)煙系統(tǒng)

風(fēng)煙系統(tǒng)是鍋爐的主要附屬系統(tǒng)，會(huì)受到污泥摻燒的影響。為了評(píng)估污泥摻燒對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)的影響，選擇一組對(duì)比工況（工況2 和工況6）的煙氣量進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，具體位置為煙囪入口煙道，結(jié)果見表9。由表9 可知，300MW 不摻燒工況煙氣量為1337300m3/h，摻燒15%污泥工況煙氣量為1377600m3/h，煙氣量略有增加。

表9 工況2 和工況6 的煙氣量對(duì)比

煙氣量的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)耗電量的變化。試驗(yàn)期間檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，工況2 期間引風(fēng)機(jī)的最大電流為215.9/220.7A，一次風(fēng)機(jī)的最大電流為74.7/74.0A，二次風(fēng)機(jī)的最大電流為36.6/36.2A；工況6 期間引風(fēng)機(jī)的最大電流為223.2/238.4A，一次風(fēng)機(jī)的最大電流為73.8/73.3A，二次風(fēng)機(jī)的最大電流為36.8/36.7A。對(duì)比可見摻燒污泥對(duì)一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)電流無(wú)明顯影響，引風(fēng)機(jī)電流略有增加，鍋爐各風(fēng)機(jī)均可穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 煙氣污染物

3.4.1 NOX

圖1 為不同工況下，煙囪處測(cè)量得到的NOX排放平均濃度數(shù)據(jù)，分析可知，各個(gè)試驗(yàn)工況的NOX排放濃度相近，且均小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求的50mg/m3?？梢?，摻燒污泥后，燃煤鍋爐的NOX排放能滿足排放要求。

圖1 NOX 排放情況(6%O2)

3.4.2 SO2

圖2 為不同工況下，煙囪處測(cè)量得到的SO2排放平均濃度數(shù)據(jù)。分析可知，各個(gè)摻燒工況的SO2排放濃度與污泥的摻燒比例沒有明顯相關(guān)性，但都小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求的35mg/m3?？梢姡瑩綗勰嗪?，燃煤鍋爐的SO2排放能滿足排放要求。

圖2 SO2 排放情況(6%O2)

3.4.3 粉塵

圖3 為不同工況下，煙囪處測(cè)量得到的粉塵排放平均濃度數(shù)據(jù)。分析可知，各個(gè)摻燒工況的粉塵排放濃度與污泥的摻燒比例沒有明顯相關(guān)性，但都小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求的5mg/m3?？梢?，摻燒污泥后，燃煤鍋爐的粉塵排放能滿足排放要求。

圖3 粉塵排放情況(6%O2)

3.4.4 二噁英

在工況5 和工況6 試驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)二噁英排放情況，具體結(jié)果如表10 所示，分析可知，工況5 的二噁英排放量平均值為0.0023ng TEQ/m3，工況6 的二噁英排放量平均值為0.0035ng TEQ/m3，兩個(gè)工況的二噁英排放濃度均低于(GB 18485-2014)生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)，即廢氣二噁英排放限值為0.1ng TEQ/m3,滿足環(huán)保要求。

表10 工況5 和工況6 的二噁英排放情況(ng TEQ/m3)

3.4.5 汞

煙氣中的汞是關(guān)注較多的重金屬類污染物，在煙囪入口對(duì)煙氣采樣檢測(cè)其中的汞含量。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況5 實(shí)測(cè)汞排放濃度分別為5.48μg/m3，工況6 實(shí)測(cè)汞排放濃度分別為0.86μg/m3，可見汞的排放情況既能滿足垃圾焚燒電廠的大氣污染物排放要求（75μg/m3），也能滿足火電廠的大氣污染物排放要求（30μg/m3）。

4 結(jié)論與建議

本文在廣東某燃煤電廠300MW 燃煤機(jī)組開展污泥摻燒試驗(yàn)，研究50%負(fù)荷和滿負(fù)荷下?lián)綗煌壤勰嗟挠绊懀玫降囊韵陆Y(jié)論：

(1)綜合各試驗(yàn)工況下?lián)綗勰嗟脑囼?yàn)結(jié)果可知，300MW 和150MW 負(fù)荷摻燒比例在15%以下，鍋爐各系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，300MW 和150MW 負(fù)荷時(shí)摻燒污泥鍋爐熱效率平均下降0.22%和0.4%，不影響鍋爐正常運(yùn)行。

(2)摻燒≤15%污泥對(duì)爐膛溫度的影響不大，未對(duì)燃燒穩(wěn)定性造成影響，各摻燒工況測(cè)到的最低爐膛溫度均大于900℃，平均爐膛溫度約為1200℃。污泥在此溫度條件下燃燒不易產(chǎn)生二噁英。

(3)摻燒≤15%污泥對(duì)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響很小，鍋爐環(huán)保系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)等有足夠裕量，完全可滿足污泥摻燒要求。