300MW燃煤鍋爐污泥摻燒現場試驗關鍵技術研究與工程應用
摘 要：針對某電廠300 MW摻燒生活污泥的1號鍋爐開展了鍋爐燃燒特性理論研究、現場摻燒試驗，評估了不同摻燒比例對鍋爐燃燒特性、污染物排放的影響。結果表明：摻燒40%含水率的生活污泥，摻燒比例在10%以下時，理論燃燒溫度降低了7 K,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，不會造成省煤器等受熱面的磨損加劇，煙囪出口處NOx、SO2和粉塵排放濃度都能滿足超低排放要求，脫硫石膏、脫硫廢水、脫硫漿液、飛灰和爐渣中重金屬排放濃度滿足相關環保標準的排放要求。
關鍵詞：污泥摻燒; 重金屬; 鍋爐效率;
燃煤電廠耦合生物質發電是實現煤電低碳轉型、更大幅度降低二氧化碳排放的重要發展方向，而化石燃料燃燒產生碳排放導致氣候變化所造成的極端天氣和災害日益嚴重，《巴黎協定》對全球氣溫升高必須控制在2 K以內的要求，使得燃煤火電產生的二氧化碳成為其發展最主要的制約因素。國家能源局和生態環境部于2018年6月28日批準全國84個燃煤火電廠生物質耦合發電的試點項目，包括300 MW亞臨界至1000 MW超超臨界燃煤電廠，預示著我國煤電開始在較大范圍和規模進行生物質耦合發電改造工作。
國內一些研究學者開展了燃煤電廠污泥摻燒試驗、數值模擬等研究工作。張成等開展了污泥摻燒數值模擬技術研究，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。朱天宇等開展了摻燒不同種類污泥的試驗，研究其對鍋爐燃燒特性的影響。張一帆等以420 t/h四角切圓燃煤鍋爐進行了單煤燃燒和在2種污泥不同摻燒比例下燃燒的數值模擬研究。蔣志堅等進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，結果表明：Cd、As為易揮發性重金屬，在爐膛內揮發的Cd、As及其化合物蒸氣在503 ℃和475 ℃時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，為難揮發性重金屬。聞哲等進行了城鎮污泥干化焚燒處置技術與工藝研究，介紹了污泥的基本特性，對直接熱干化、間接熱干化、直接—間接聯合熱干化技術的工作原理和優缺點進行了比較分析。袁言言等利用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。盛洪產等進行了循環流化床燃煤鍋爐摻燒造紙污泥的運行特性分析，對1臺130 t/h循環流化床鍋爐進行熱力平衡計算和煙風阻力計算，研究了不同污泥摻燒比例對鍋爐運行特性的影響。葛江等研究了煙煤與污泥混燒過程中As、Zn和Cr的遷移規律和灰渣的浸出特性。殷立寶等開展了四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥與NOx排放特性的數值模擬研究。這些研究主要集中在實驗室機理研究、數值模擬等多因素作用方面，但是針對現場實際燃煤電廠開展污泥摻燒比例確定，污泥摻燒對鍋爐效率、環保系統影響規律研究不足，缺乏基礎數據，無法科學地判斷燃煤電廠摻燒污泥對鍋爐效率及環保系統安全性、環保性的影響，因此迫切需要開展現場燃煤電廠污泥摻燒性能試驗研究工作。
針對某電廠300 MW機組1號鍋爐摻燒生活污泥開展了鍋爐燃燒特性理論研究、現場摻燒試驗，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，為現場開展燃煤耦合污泥摻燒技術改造和優化運行提供了重要的依據。
01 機組概況
該電廠2臺300 MW燃煤熱電機組分別于2009年10月和12月建成投產。鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環、單爐膛、平衡通風、擺動燃燒器四角切圓燃燒、固態排渣、全鋼構架，爐頂設大罩殼。制粉系統采用正壓直吹式制粉系統，配置5臺中速磨煤機，固態排渣。鍋爐型號為SG-1100/17.5-M739,1100T亞臨界壓力自然循環鍋爐。汽輪機為亞臨界300 MW優化機型，為一次中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機，型號為C330-16.7/1.5/537/537。發電機型號為QFSN-350-2。表1為鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況與額定功率(TRL)工況的主要設計參數。
設計煤種為山西晉北煤，校核煤種I為內蒙古準格爾煤，燃煤煤質及灰分分析數據見表2。
脫硝系統采用選擇性催化還原(SCR)法，除塵采用電除塵，每臺鍋爐配置2臺BE型三室五電場靜電除塵器。脫硫系統采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，尾部安裝濕式電除塵器。
02 污泥摻燒現場試驗方法
根據GB 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗規程》,對含水率為40%的污泥在不同摻燒比例(質量分數為3%、6%、8%、10%)情況下進行鍋爐熱效率測量；同時進行飛灰、爐渣、脫硫廢水、脫硫石膏現場取樣。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譜儀(ICP-MS)。測量As等微量元素時需要利用濃硝酸、濃鹽酸、氫氟酸對催化劑進行消解，消解采用MultiWave PRO微波消解儀。
03 燃燒特性分析
3.1 污泥摻燒后煤質成分變化
表3為試驗期間污泥(含水率為40%)元素分析和工業分析結果。
表4為現場試驗期間，原煤煤質元素分析數據。
表5為不同污泥摻燒比例下煤質成分變化，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，煤的低位發熱量逐漸降低，碳含量逐漸減少，灰分含量逐漸增加。總體上看只要摻燒比例控制在10%以內，污泥摻燒對于煤的元素成分影響不大。
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。
理論燃燒溫度表示在輸入煤量和風量的情況下，假定受熱面不吸熱，沒有散熱損失，鍋爐能夠達到的最高溫度，理論燃燒溫度的高低表示了燃燒強度的大小。由表6可以看出：在10%摻燒比例以內，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;但是當污泥摻燒比例在20%時，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，建議現場實際摻燒污泥比例控制在10%以內，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負荷下進行4個工況的鍋爐效率測試，測試結果依據GB 10184—2015進行鍋爐效率計算，計算公式為：
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為添加脫硫劑后產生的灰渣物理顯熱損失，%;qex為外來熱量與低位發熱量的比，%;qoth為其他熱損失，%。
試驗時，由于測試時間問題，飛灰A、B側進行連續取樣。排煙溫度和氧量分別進行2個工況測試。鍋爐散熱直接取設計值，不考慮其他損失。外來輸入熱量只考慮進入系統空氣帶入的熱量。
表7為鍋爐效率測試主要結果。
從表7可以看出：污泥摻燒比例為10%時，相比3%的摻燒比例，鍋爐效率降低0.39百分點。建議現場實際摻燒污泥的比例控制在10%以內，避免摻燒比例提高后，鍋爐效率降低太多，影響電廠經濟性。
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。
04 環保特性分析
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量分數的計算結果。
從表8可以看出：在10%摻燒比例下，前屏至省煤器的飛灰質量分數為0.009,不摻燒污泥時，飛灰質量分數為0.004。因此，摻燒高灰分污泥時，飛灰濃度有一定程度的增加，需要在實際運行過程中密切監視電除塵器的運行狀態，防止出現粉塵排放濃度超標。
總體上看，污泥摻燒比例為10%時，飛灰濃度變化比較小，因此建議電廠在實際運行中控制污泥摻燒比例在10%以內。
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律。
從表9可以看出：污泥摻燒比例在10%以內時，煙氣量變化不大，對鍋爐燃燒影響比較小；不同摻燒比例下，爐膛出口SO2濃度變化不大，鍋爐現有濕法脫硫 (FGD) 系統SO2脫除能力強(現有FGD系統有5臺漿液循環泵，現場實際運行2臺漿液循環泵，FGD系統有很大的余量)。
4.3 電除塵器灰中重金屬元素分布規律
表10為在不同污泥摻燒比例試驗期間，電除塵器灰中重金屬元素化驗結果。根據GB 18918—2002 《城鎮污水處理廠污染物排放標準》,目前電除塵器灰中重金屬元素含量都滿足環保要求，而且灰中重金屬元素濃度都小于標準排放限值。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揮發性較強，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。
4.4 脫硫石膏中重金屬元素分布規律
表11為在不同污泥摻燒比例試驗期間，脫硫石膏中重金屬元素化驗結果。從表11可以看出：脫硫石膏中重金屬元素含量都滿足相關國家標準要求，而且脫硫石膏中重金屬元素含量都小于標準排放限值。
4.5 爐渣中重金屬元素分布規律
表12為在不同污泥摻燒比例試驗期間，采樣爐渣中重金屬含量化驗結果。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。
4.6 吸收塔漿液中重金屬元素分布規律
表13為在不同污泥摻燒比例試驗期間，脫硫漿液中重金屬元素化驗結果。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。
4.7 脫硫廢水中重金屬元素分布規律
表14為在不同污泥摻燒比例試驗期間，脫硫廢水中重金屬元素化驗結果。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。
05 結語
(1) 摻燒40%含水率污泥，在10%摻燒比例以內，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，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，不會造成省煤器等受熱面磨損加劇。
(3) 現場實際摻燒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，污泥摻燒不會造成環保指標超標。
(4) 實驗室進行脫硫石膏、脫硫廢水、脫硫漿液、飛灰和爐渣化驗，結果表明重金屬元素含量都滿足相關標準要求。
(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。
建議電廠定期進行污泥成分化驗，確保污泥成分滿足鍋爐燃燒和環保要求，同時對脫硫廢水、脫硫石膏、飛灰、爐渣定期開展重金屬取樣分析，防止出現重金屬含量超標。防止工業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險。
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