馮炳全， 李德波， 孫超凡， 馮永新， 梁漢賢， 蘇湛清， 張渭添

(1. 潤清環(huán)保水務(wù)(深圳)有限公司， 廣東深圳 510060； 2. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司， 廣州 510080)

燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是實(shí)現(xiàn)煤電低碳轉(zhuǎn)型、更大幅度降低二氧化碳排放的重要發(fā)展方向，而化石燃料燃燒產(chǎn)生碳排放導(dǎo)致氣候變化所造成的極端天氣和災(zāi)害日益嚴(yán)重，《巴黎協(xié)定》對全球氣溫升高必須控制在2 K以內(nèi)的要求，使得燃煤火電產(chǎn)生的二氧化碳成為其發(fā)展最主要的制約因素。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)燃煤火電廠生物質(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)一些研究學(xué)者開展了燃煤電廠污泥摻燒試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究工作。張成等[1]開展了污泥摻燒數(shù)值模擬技術(shù)研究，研究了摻燒不同摻燒比例、不同含水率污泥下的鍋爐燃燒特性。朱天宇等[2]開展了摻燒不同種類污泥的試驗(yàn)，研究其對鍋爐燃燒特性的影響。張一帆等[3]以420 t/h四角切圓燃煤鍋爐進(jìn)行了單煤燃燒和在2種污泥不同摻燒比例下燃燒的數(shù)值模擬研究。蔣志堅(jiān)等[4]進(jìn)行了城市污泥流化床焚燒爐飛灰中重金屬遷移特性的研究，結(jié)果表明：Cd、As為易揮發(fā)性重金屬，在爐膛內(nèi)揮發(fā)的Cd、As及其化合物蒸氣在503 ℃和475 ℃時(shí)幾乎全部富集于飛灰顆粒中；Cr、Mn、Cu、Zn主要通過夾帶富集于飛灰顆粒中，為難揮發(fā)性重金屬。聞?wù)艿萚5]進(jìn)行了城鎮(zhèn)污泥干化焚燒處置技術(shù)與工藝研究，介紹了污泥的基本特性，對直接熱干化、間接熱干化、直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。袁言言等[6]利用Aspen Plus軟件開展了污泥焚燒能量利用與污染物排放特性的研究。盛洪產(chǎn)等[7]進(jìn)行了循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒造紙污泥的運(yùn)行特性分析，對1臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行熱力平衡計(jì)算和煙風(fēng)阻力計(jì)算，研究了不同污泥摻燒比例對鍋爐運(yùn)行特性的影響。葛江等[8]研究了煙煤與污泥混燒過程中As、Zn和Cr的遷移規(guī)律和灰渣的浸出特性。殷立寶等[9]開展了四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥與NOx排放特性的數(shù)值模擬研究。這些研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室機(jī)理研究、數(shù)值模擬等多因素作用方面，但是針對現(xiàn)場實(shí)際燃煤電廠開展污泥摻燒比例確定，污泥摻燒對鍋爐效率、環(huán)保系統(tǒng)影響規(guī)律研究不足，缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，無法科學(xué)地判斷燃煤電廠摻燒污泥對鍋爐效率及環(huán)保系統(tǒng)安全性、環(huán)保性的影響，因此迫切需要開展現(xiàn)場燃煤電廠污泥摻燒性能試驗(yàn)研究工作。

針對某電廠300 MW機(jī)組1號鍋爐摻燒生活污泥開展了鍋爐燃燒特性理論研究、現(xiàn)場摻燒試驗(yàn)，評估了不同摻燒比例對鍋爐燃燒特性、污染物排放、重金屬排放的影響，分析污泥摻燒對燃煤電廠的影響，為現(xiàn)場開展燃煤耦合污泥摻燒技術(shù)改造和優(yōu)化運(yùn)行提供了重要的依據(jù)。

1 機(jī)組概況

該電廠2臺(tái)300 MW燃煤熱電機(jī)組分別于2009年10月和12月建成投產(chǎn)。鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、擺動(dòng)燃燒器四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架，爐頂設(shè)大罩殼。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置5臺(tái)中速磨煤機(jī)，固態(tài)排渣。鍋爐型號為SG-1100/17.5-M739，1100T亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐。汽輪機(jī)為亞臨界300 MW優(yōu)化機(jī)型，為一次中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)，型號為C330-16.7/1.5/537/537。發(fā)電機(jī)型號為QFSN-350-2。表1為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況與額定功率(TRL)工況的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)煤種為山西晉北煤，校核煤種I為內(nèi)蒙古準(zhǔn)格兒煤，燃煤煤質(zhì)及灰分分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤質(zhì)與灰分分析數(shù)據(jù)

脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原(SCR)法，除塵采用電除塵，每臺(tái)鍋爐配置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-石膏濕法脫硫工藝，尾部安裝濕式電除塵器。

2 污泥摻燒現(xiàn)場試驗(yàn)方法

根據(jù)GB 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，對含水率為40%的污泥在不同摻燒比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%、8%、10%)情況下進(jìn)行鍋爐熱效率測量；同時(shí)進(jìn)行飛灰、爐渣、脫硫廢水、脫硫石膏現(xiàn)場取樣。飛灰、爐渣、脫硫廢水和脫硫石膏中重金屬元素含量檢測采用NEXION 300X型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)。測量As等微量元素時(shí)需要利用濃硝酸、濃鹽酸、氫氟酸對催化劑進(jìn)行消解，消解采用MultiWave PRO微波消解儀。

3 燃燒特性分析

3.1 污泥摻燒后煤質(zhì)成分變化

表3為試驗(yàn)期間污泥(含水率為40%)元素分析和工業(yè)分析結(jié)果。

表3 污泥元素分析數(shù)據(jù)

表4為現(xiàn)場試驗(yàn)期間，原煤煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)。

表4 原煤元素分析數(shù)據(jù)

表5為不同污泥摻燒比例下煤質(zhì)成分變化，其中原煤為平煤和低卡印尼煤。從表5可以看出：隨著污泥摻燒比例的增加，煤的低位發(fā)熱量逐漸降低，碳含量逐漸減少，灰分含量逐漸增加?？傮w上看只要摻燒比例控制在10%以內(nèi)，污泥摻燒對于煤的元素成分影響不大。

表5 不同污泥摻燒比例下煤質(zhì)成分變化規(guī)律

3.2 污泥摻燒后理論燃燒溫度變化

表6為不同污泥摻燒比例下鍋爐理論燃燒溫度的變化。

表6 不同摻燒比例下理論燃燒溫度計(jì)算結(jié)果

理論燃燒溫度表示在輸入煤量和風(fēng)量的情況下，假定受熱面不吸熱，沒有散熱損失，鍋爐能夠達(dá)到的最高溫度，理論燃燒溫度的高低表示了燃燒強(qiáng)度的大小。由表6可以看出：在10%摻燒比例以內(nèi)，理論燃燒溫度變化較小，相比不摻燒污泥的情況，理論燃燒溫度最高降低了31 K；但是當(dāng)污泥摻燒比例在20%時(shí)，理論燃燒溫度降低比較明顯，相比不摻燒污泥的情況，理論燃燒溫度降低了約65 K。因此，建議現(xiàn)場實(shí)際摻燒污泥比例控制在10%以內(nèi)，避免摻燒比例增加后對燃燒造成不利影響。

3.3 不同摻燒比例下鍋爐效率對比分析

在鍋爐250 MW負(fù)荷下進(jìn)行4個(gè)工況的鍋爐效率測試，測試結(jié)果依據(jù)GB 10184—2015進(jìn)行鍋爐效率計(jì)算，計(jì)算公式為：

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6+qoth-qex)

(1)

式中：η為鍋爐效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為化學(xué)不完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為添加脫硫劑后產(chǎn)生的灰渣物理顯熱損失，%；qex為外來熱量與低位發(fā)熱量的比，%；qoth為其他熱損失，%。

試驗(yàn)時(shí)，由于測試時(shí)間問題，飛灰A、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，不考慮其他損失。外來輸入熱量只考慮進(jìn)入系統(tǒng)空氣帶入的熱量。

表7為鍋爐效率測試主要結(jié)果。

表7 鍋爐效率測試主要結(jié)果

從表7可以看出：污泥摻燒比例為10%時(shí)，相比3%的摻燒比例，鍋爐效率降低0.39百分點(diǎn)。建議現(xiàn)場實(shí)際摻燒污泥的比例控制在10%以內(nèi)，避免摻燒比例提高后，鍋爐效率降低太多，影響電廠經(jīng)濟(jì)性。

總體上看，污泥摻燒后對鍋爐效率的影響比較小，固體不完全燃燒損失和灰渣物理顯熱損失都比較小。

4 環(huán)保特性分析

4.1 飛灰濃度變化

表8為在不同污泥摻燒比例下，不同受熱面位置飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果。

從表8可以看出：在10%摻燒比例下，前屏至省煤器的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.009，不摻燒污泥時(shí)，飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004。因此，摻燒高灰分污泥時(shí)，飛灰濃度有一定程度的增加，需要在實(shí)際運(yùn)行過程中密切監(jiān)視電除塵器的運(yùn)行狀態(tài)，防止出現(xiàn)粉塵排放濃度超標(biāo)。

總體上看，污泥摻燒比例為10%時(shí)，飛灰濃度變化比較小，因此建議電廠在實(shí)際運(yùn)行中控制污泥摻燒比例在10%以內(nèi)。

表8 不同摻燒比例下飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果

4.2 煙氣量及SO2濃度變化

表9為在不同污泥摻燒比例下，鍋爐煙氣量變化的規(guī)律。

從表9可以看出：污泥摻燒比例在10%以內(nèi)時(shí)，煙氣量變化不大，對鍋爐燃燒影響比較??；不同摻燒比例下，爐膛出口SO2濃度變化不大，鍋爐現(xiàn)有濕法脫硫 (FGD) 系統(tǒng)SO2脫除能力強(qiáng)(現(xiàn)有FGD系統(tǒng)有5臺(tái)漿液循環(huán)泵，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行2臺(tái)漿液循環(huán)泵，F(xiàn)GD系統(tǒng)有很大的余量)。

表9 鍋爐煙氣量和空氣量計(jì)算結(jié)果

4.3 電除塵器灰中重金屬元素分布規(guī)律

表10為在不同污泥摻燒比例試驗(yàn)期間，電除塵器灰中重金屬元素化驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)GB 18918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，目前電除塵器灰中重金屬元素含量都滿足環(huán)保要求，而且灰中重金屬元素濃度都小于標(biāo)準(zhǔn)排放限值。從表10可以看出：Cu、Ga、Mn、Ti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；Hg、As、Cd、Be、Cr、Zn、Sn等重金屬元素含量較少。

表10 電除塵器灰中重金屬成分化驗(yàn)結(jié)果 mg/kg

4.4 脫硫石膏中重金屬元素分布規(guī)律

表11為在不同污泥摻燒比例試驗(yàn)期間，脫硫石膏中重金屬元素化驗(yàn)結(jié)果。從表11可以看出：脫硫石膏中重金屬元素含量都滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且脫硫石膏中重金屬元素含量都小于標(biāo)準(zhǔn)排放限值。

表11 脫硫石膏中重金屬元素分析結(jié)果 mg/kg

表11(續(xù))

4.5 爐渣中重金屬元素分布規(guī)律

表12為在不同污泥摻燒比例試驗(yàn)期間，采樣爐渣中重金屬含量化驗(yàn)結(jié)果。從表12可以看出：爐膛中重金屬元素中Cr、Pb、P、Cu含量相對較高，其他重金屬元素As、Cd、Be含量都很小，爐渣中重金屬元素含量都滿足GB 18918—2002的要求。

表12 爐渣中重金屬元素分析結(jié)果 mg/kg

4.6 吸收塔漿液中重金屬元素分布規(guī)律

表13為在不同污泥摻燒比例試驗(yàn)期間，脫硫漿液中重金屬元素化驗(yàn)結(jié)果。從表13可以看出，脫硫漿液中重金屬元素含量滿足GB 18918—2002的排放要求。

表13 吸收塔漿液中重金屬元素分析結(jié)果 mg/L

表13(續(xù))

4.7 脫硫廢水中重金屬元素分布規(guī)律

表14為在不同污泥摻燒比例試驗(yàn)期間，脫硫廢水中重金屬元素化驗(yàn)結(jié)果。從表14可以看出，脫硫廢水中重金屬元素含量滿足GB 18918—2002的排放要求。

表14 脫硫廢水中重金屬元素分析結(jié)果 mg/L

5 結(jié)語

(1) 摻燒40%含水率污泥，在10%摻燒比例以內(nèi)，理論燃燒溫度變化比較小，相比不摻燒污泥的情況，理論燃燒溫度最高降低了31 K。

(2) 摻燒污泥后，只要摻燒比例控制在10%以內(nèi)，污泥摻燒對于煤的元素成分影響不大；對飛灰濃度影響不大，不會(huì)造成省煤器等受熱面磨損加劇。

(3) 現(xiàn)場實(shí)際摻燒40%含水率污泥，在不同摻燒比例(3%、6%、8%、10%)下，煙囪出口處NOx、SO2和粉塵濃度都能滿足超低排放要求，污泥摻燒不會(huì)造成環(huán)保指標(biāo)超標(biāo)。

(4) 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行脫硫石膏、脫硫廢水、脫硫漿液、飛灰和爐渣化驗(yàn)，結(jié)果表明重金屬元素含量都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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

建議電廠定期進(jìn)行污泥成分化驗(yàn)，確保污泥成分滿足鍋爐燃燒和環(huán)保要求，同時(shí)對脫硫廢水、脫硫石膏、飛灰、爐渣定期開展重金屬取樣分析，防止出現(xiàn)重金屬含量超標(biāo)。防止工業(yè)污泥混入到生活污泥中，從而對鍋爐受熱面腐蝕造成重大安全風(fēng)險(xiǎn)。