大型洗選煤中心廢棄物綜合利用分析

寇建玉，劉 豐，王振華

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

神華萬利川布爾臺洗選中心位于地域遼闊、資源豐富的鄂爾多斯，年生產能力3100萬t，洗選中心于2007年7月投產，2009年達到設計產量；是神華能源股份有限公司萬利分公司為其所屬寸草塔一、二煤礦、小柳塔煤礦和布爾臺煤礦配套建設的群礦選煤廠。

洗煤廠一旦投產，在生產高品質精煤的同時，也會源源不斷地產生廢棄物—煤泥和煤矸石；布爾臺洗選中心排出的廢棄物占入選煤量的35%，其中煤矸石22%、煤泥13%(含水約22%)。初步統計，該洗選中心年排出煤泥約400萬t、煤矸石約680萬t。到目前為止，該洗煤廠排出的煤泥、煤矸石采用運送至空閑場地堆放的方式處置。

煤矸石棄置不用不僅占用大片土地，其中的硫化物逸出或浸出還會污染大氣、農田和水體。矸石山自燃輕則產生一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體，造成大氣污染；重則發生火災，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災害。

煤泥由煤炭、矸石與粘土混合組成，一般濃度(含固量)為72%～77%，顆粒直徑小于0.5mm，產量約為入洗原煤的10%～20%，是一種高濃度、高粘度的粘稠物料。其堆積形態極不穩定，自流而不成形，露天堆放會對周區環境造成“遇水流失、遇風飛揚”的二次污染；同時煤泥還具有水分大、顆粒細、粘度大的特點，運輸困難、不易儲存。

布爾臺洗選中心投產已兩年多，煤泥和煤矸石越堆越多，對周邊環境的影響也日益凸現；煤矸石雖然有多種綜合利用去向，但綜合考慮煤泥的特點并兼顧業主方的意見，認為將煤矸石和煤泥就地作為鍋爐燃料用于發電和供熱具有明顯的經濟效益和社會、環境效益，是最好的綜合利用去向。

2 燃料特性

神華能源股份有限公司萬利分公司布爾臺群礦洗煤廠入選的原煤和產生的廢棄物—煤泥、煤矸石的成分分析和灰分析見表1。

3 機組選型

煤泥水分高、粘性大、顆粒細、易結團，大量進入爐膛后，難以合理的組織燃燒。煤矸石灰分高、發熱量低、磨損性強，鍋爐以煤矸石為單一燃料著火難、不容易達到穩定、高效燃燒。各大鍋爐廠經過多年的研發，已取得了在大型CFB機組上摻燒煤矸石的成功案例，如蒙西電廠、神華準能煤矸石電廠；同時摻燒煤矸石和煤泥的300MW CFB機組也有了生產和投運業績，如寧東電廠和徐礦電廠正在建設中，淮北臨渙電廠1#機組于2009年3月通過168h聯合試運轉。洗選中心煤泥經過適度干燥可以降低水分、提高發熱量；東方鍋爐廠認為只要煤粉細度適合、發熱量高于3400 Kcal/kg，鍋爐可以100%燒煤泥。因此，布爾臺洗選中心的廢棄物可以選擇CFB和煤泥干燥 + 煤粉爐兩種方案實現綜合利用。

鑒于350MW、600MW 超臨界CFB技術尚處于起步和試驗階段，本文采用330MW亞臨界機組進行方案比較。

3.1 方案擬定原則

⑴ 國家發展和改革委員會辦公廳文件(發改辦能源[2004]864號)《國家發展改革委辦公廳關于加強煤矸石發電項目規劃和建設管理工作的通知》。

⑵ 機組的年燃煤量中消耗的煤泥和煤矸石量等于選煤廠全年的煤泥(400萬t)和煤矸石(680萬t)產量。

表1 煤質分析及灰分析

⑶ 機組的二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物的排放濃度控制在同一水平。

3.2 方案擬定

3.2.1 燃料配比

全廠采用CFB機組，鍋爐燃料中煤泥和煤矸石的比例完全按照洗煤廠排出比例確定，即：原煤∶煤泥∶煤矸石=22∶29∶49。

煤粉爐無法混燒矸石，為了保證入爐煤的發熱量在14.6MJ/kg以上，擬定混煤比例如下：原煤∶煤泥=10∶90。為消耗掉煤矸石，廠內仍需配置CFB機組；混燒原煤和煤矸石的CFB機組混煤比例為原煤：煤矸石=35∶65。

3.2.2 裝機方案

1176t/h亞臨界CFB/煤粉鍋爐 + 330MW亞臨界、一次中間再熱直接空冷凝汽式汽輪發電機組。

鍋爐主要技術規范：

過熱蒸汽流量 1176 t/h

過熱蒸汽出口壓力 17.6 MPa.g

過熱蒸汽出口溫度 540 ℃

鍋爐保證熱效率(按低位發熱量)：

90 %/91.5 %(CFB/煤粉鍋爐)

3.2.3 燃料輸送系統

3.2.3.1 CFB 方案

原煤和煤矸石采用常規帶式輸送機系統進行輸送，帶式輸送機系統內分別設置一級粗碎，一級細碎對原煤及矸石進行破碎處理，以滿足CFB鍋爐燃料入爐粒度要求；粒度合格的原煤和矸石輸送至爐前煤斗，再通過給煤機輸送至爐膛中燃燒。

煤泥在洗煤廠洗選車間經過處理后，通過獨立于電廠輸煤系統的煤泥管道輸送系統，直接將煤泥輸送到循環流化床鍋爐頂部或中部密相區中進行燃燒。

3.2.3.2 煤泥干燥 + 煤粉爐方案

方案的核心在于煤泥烘干系統。烘干系統將煤泥的含水率從22%降低至15%～17%后，與原煤混合；然后通過帶式輸送機系統輸送至電廠。根據煤質分析，適于采用中速磨直吹式制粉系統；燃燒系統與常規煤粉爐相同。

3.2.4 污染物排放

3.2.4.1 CFB 方案

CFB的燃燒溫度在850-950℃之間，屬于低溫燃燒，可以有效抑制熱力型NOx的生成；同時鍋爐采用分級燃燒，能夠在燃燒過程中有效控制NOx和SO2的產生。通常情況下CFB的NOx生成量僅為煤粉鍋爐的1/3-1/4，NOx的排放濃度低于200-300mg/Nm3。此外，CFB在燃燒過程中可以實現爐內脫硫，脫硫效率達90%以上。

CFB在抑制NOx和SO2生成方面的優勢，使CFB機組不需要配置爐外脫硫和脫硝系統就可以滿足國家NOx和SO2的排放標準；當然，由于沒有設置濕法脫硫系統，CFB機組需配置更高除塵效率的除塵設備以彌補煤粉爐方案由于安裝濕法脫硫裝置帶來的50%的洗塵效果。

3.2.4.2 煤泥干燥 + 煤粉爐方案

采用常規的石灰石—石膏濕法脫硫系統和SCR脫硝工藝以滿足SO2和NOx的排放要求，除塵器的除塵效率低于CFB 方案。

4.技術經濟比較

4.1 技術比較

盡可能的消耗掉布爾臺洗選中心生產排出的煤泥及矸石是本工程進行鍋爐選型和配置的基本原則，由于煤泥和矸石的產量非常可觀，使燃料預處理和輸送系統較普通燃煤鍋爐電廠更為龐大和復雜。

同時摻燒煤矸石和煤泥的300MW CFB機組如寧東電廠和徐礦電廠正在建設中，淮北臨渙電廠1#機組已經投運；但以煤泥作為單一燃料的大型CFB和煤粉爐機組的建設尚未啟動,還處于理論研究階段。

如采用煤泥干燥 + 煤粉爐方案，鍋爐和燃料預處理及輸送系統是技術重點和難點，須進行充分的調研和技術論證，以盡可能的降低技術風險。

另外，煤泥顆粒細、水分高、揮發分高、粘度大，即使進行了必要的干燥，煤倉堵煤的可能性依然存在。采用雙曲線小煤斗、加大煤斗傾角、內襯高分子材料、設置疏松裝置等防堵煤措施，可以在一定程度上降低原煤倉堵煤的可能性；但由于煤泥結團的特性不明確，充分的調研和現場試驗對保證機組安全、穩定運行仍然是必要的。雖然從煤質分析看，選用中速磨煤機是適宜的；但鑒于煤泥的特殊性，磨煤機的選型建議通過試磨最終確定。

4.2 經濟比較

4.2.1 2×330MW亞臨界CFB機組與煤粉爐機組比較

不考慮洗煤廠煤泥及煤矸石產量的情況，在機組容量相同、鍋爐污染物排放要求(脫硫系統設備按90%脫硫效率計列，脫硝系統設備按50%脫硝效率計列)相同的情況下，對CFB和煤粉鍋爐兩種的裝機方案的初投資和燃料費用等進行綜合經濟比較，比較結果見表2。

表2 設備初投資和燃料費用綜合經濟比較

從表2可以看出，雖然CFB的造價高于煤粉鍋爐，但CFB方案節約了磨煤機、送粉管道、脫硫系統、脫硝系統、燃料預處理系統等方面的投資，其總投資較煤泥干燥+煤粉爐方案低16815萬元。CFB方案采用原煤、煤泥、煤矸石摻燒，三者配比為22∶29∶49；而煤粉爐方案采用原煤和煤泥摻燒，摻燒比例為10∶90；由于煤矸石和煤泥價格相當，原煤的價格遠遠高于煤矸石和煤泥，CFB方案的年燃料費用也高出煤粉爐方案很多。CFB方案對洗選中心廢棄物的消耗比較均衡，煤矸石和煤泥均有消耗，但總量少于煤粉爐方案；煤粉爐方案只消耗了煤泥，但煤泥的消耗量大于CFB方案對廢棄物的消耗總量。

可見，CFB方案在初投資和廢棄物的均衡消耗方面有優勢，而煤粉爐方案在年燃料費用和廢棄物消耗總量方面有優勢。

4.2.2 多臺330MW亞臨界CFB機組與煤粉爐機組比較

消耗掉洗選中心產生的全部煤泥和煤矸石，采用單一爐型—CFB，需要建設10臺CFB機組；采用CFB+煤粉爐機組的方案，需要建設4臺煤粉鍋爐和8臺CFB鍋爐。表3就不同的裝機方案，在鍋爐污染物排放要求(脫硫系統設備按90%脫硫效率計列，脫硝系統設備按50%脫硝效率計列)相同的條件下，對全廠設備初投資和燃料費用等進行綜合經濟比較，比較結果見表3。

表3 設備初投資和燃料費用綜合經濟比較

5 未考慮設備運行及折舊費用

從表3可以看出，除CFB機組在系統設置和煤粉鍋爐的差異外，由于機組數量較多，煤粉爐+CFB方案的初投資和年燃料費用均高于CFB方案；煤粉爐+CFB方案的年發電量高于CFB方案，單位千瓦時燃料費用也高于CFB方案。

6 結論

目前已有摻燒煤矸石的大型CFB機組投運，如蒙西電廠等；同時摻燒煤矸石和煤泥的大型CFB電廠—淮北臨渙電廠已經投運，寧東電廠和徐礦電廠正在建設中，因此CFB無論是摻燒煤矸石還是同時摻燒煤矸石和煤泥在技術上都比較成熟。煤粉爐采用干燥后的煤泥作為單一燃料，在理論上也是可行的；但由于沒有運行經驗，技術上仍存在原煤倉易堵煤，鍋爐組織燃燒、燃料預處理及輸送、磨煤機出粉情況難以預測等風險。

無論是采用CFB還是煤粉爐消耗煤泥和煤矸石，都會給洗選中心帶來可觀的經濟效益；兩臺330MW亞臨界CFB機組(摻燒煤泥和煤矸石)和兩臺同參數、容量的煤粉爐(單純燒煤泥)機組相比，CFB機組在初投資和廢棄物的均衡消耗方面優于煤粉爐，而煤粉爐機組在年燃料費用和廢棄物消耗總量方面有優勢。

規模較大的洗煤廠如布爾臺洗選中心，如果要消耗掉每年產生的全部煤泥及煤矸石，需要建設多臺機組。單一爐型火力發電廠較爐型多樣化電廠，無論運行管理還是檢修維護都簡單容易得多；而且從表3可以看出，無論初投資還是燃料費用，只建設CFB機組的方案較CFB+煤粉爐方案更有優勢。因此，建設大型洗煤廠的同時同步建設容量相當的多臺大容量CFB機組是洗煤廠廢棄物—煤泥和煤矸石實現綜合利用的不錯途徑；如果廢棄物產量過高，考慮到機組臺數過多、建設周期過長的問題，建議同時考慮煤泥及煤矸石外運或分廠址建設CFB機組等方案。