某300MW機組亞臨界鍋爐摻燒污泥的可行性研究

孫 偉叢日成吳景興李彥龍王 巖焦 健

（1華電電力科學(xué)研究院東北分院 遼寧沈陽 110792國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 遼寧沈陽 110179 3中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司 遼寧沈陽 110179）

某300MW機組亞臨界鍋爐摻燒污泥的可行性研究

孫 偉1叢日成2吳景興1李彥龍1王 巖3焦 健1

（1華電電力科學(xué)研究院東北分院 遼寧沈陽 110792國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 遼寧沈陽 110179 3中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司 遼寧沈陽 110179）

本文闡述了某300MW亞臨界機組摻燒污泥技術(shù)的特點，介紹了污泥燃料特點和鍋爐摻燒污泥過程中可能出現(xiàn)的問題及解決方案，以及鍋爐摻燒污泥系統(tǒng)改造方案。

亞臨界；污泥；摻燒

引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，污泥的處置已經(jīng)成為各級政府日益關(guān)注的重大環(huán)保課題，各地也開始嘗試不同的污泥處置方法，但是與迫切需要處理的巨量污泥相比，還缺乏裝備大規(guī)模、可持續(xù)、無二次污染地處置污泥的技術(shù)設(shè)備的具體規(guī)劃。

1 某電廠污泥改造項目的背景

為徹底解決市里污水處理產(chǎn)生污泥的處置問題，某電廠和環(huán)保公司共同合作，采取側(cè)重于污泥熱干化加電廠焚燒的處置方式。污泥處置按照干化和焚燒分開的技術(shù)路線，污泥脫水、干化由環(huán)保公司在廠外完成，干污泥焚燒在電廠完成，即在廠內(nèi)建設(shè)干污泥儲存?zhèn)}、輸送裝置，并將干污泥與煤按適當(dāng)比例進(jìn)行摻配，然后投入鍋爐進(jìn)行燃燒發(fā)電。

2 摻燒燃料熱力特性研究

污泥通常含水率為80%左右，低位發(fā)熱量在2000kcal/kg左右，熱值很低，無法直接燃燒。污泥干化后，含水率20～30%左右，其低位發(fā)熱量在2000kcal/kg左右，可以作為低品質(zhì)輕質(zhì)燃料，與煤摻混后作為摻混燃料直接進(jìn)入鍋爐進(jìn)行燃燒，從而既可以解決污泥的合理化處置問題，又可以節(jié)省鍋爐燃料消耗、降低機組發(fā)電成本。

2.1 摻混燃料的主要特性

干污泥、當(dāng)前煤種和不同摻混比例的燃料特性見表1。

表1 干污泥、當(dāng)前煤種與污泥摻混燃料特性

由表1可以看出：

（1）干污泥中揮發(fā)分和水分含量也很高，干污泥干燥無灰基揮發(fā)分含量在86～87%，收到基全水分含量在19～23%。

（2）干污泥中固定碳和熱值較低收到基固定碳含量在23%左右，收到基低位發(fā)熱量在9.5～10.1MJ/kg。

（3）干污泥中Fe和Hg等重金屬含量略高，說明原始污水中可能含有部分工業(yè)污水比例。

（4）干污泥15%比例摻混燃料的收到基水分比當(dāng)前煤種分別高出2.31個百分點。

（5）干污泥15%比例摻混燃料的低位發(fā)熱量比當(dāng)前煤種低了1.41MJ/kg。

2.2 污泥與煤摻混燃料特性

2.2.1 污泥與煤摻混燃料的燃燒特性

當(dāng)污泥摻燒比例較大時，混合燃燒特性相似與污泥；污泥摻燒比例不大于1∶4時，混合燃燒特性與煤相等似[1]。可見，污泥在燃燒過程中，其高揮發(fā)分的析出對燃燒起主要作用，揮發(fā)分級越高的混煤燃燒性能越好。

2.2.2 污泥與煤摻混燃料的著火特性

不同比例的污泥和煤混合的著火性能處于單煤和單泥之間，隨著摻混比例的增加，混煤著火溫度略有降低。分析其原因，由于污泥中含有的大量揮發(fā)分，在較低溫度析出和燃燒，同時放出大量熱量，從而使著火溫度降低。因此，煤摻混污泥后著火性能比單煤更好。

2.2.3 污泥與煤摻混燃料的燃盡特性

對于燃煤鍋爐來說，煤粉的燃盡特性將直接影響鍋爐的燃燒效率和運行經(jīng)濟(jì)性。煤的燃盡時間和燃盡溫度是反映煤燃盡特性的主要指標(biāo)。燃盡時間越長，表明燃盡性能越差。

2.2.4 污泥與煤摻混燃料的結(jié)渣特性

從干污泥和煤摻燒后的鍋爐結(jié)渣情況考慮，污泥的摻混比例不宜過高。當(dāng)摻混比例不大于1:4時，屬于輕微結(jié)渣，當(dāng)摻混比例大于1:4時，屬于中等結(jié)渣。因此，對于摻燒污泥的鍋爐，應(yīng)保持適當(dāng)?shù)膿綗壤杂行Х乐瑰仩t結(jié)渣。

2.2.5 污泥與煤摻混燃料的爆炸特性

根據(jù)《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，煤粉的爆炸特性與煤的易燃性、灰分、水分、煤粉細(xì)度、氣粉混合物的溫度和濃度、氣粉混合物的含氧量等因素有關(guān)。煤的爆炸性指數(shù)Kd綜合了煤的易燃性和灰分的影響，可代表煤在水分、煤粉細(xì)度、溫度、濃度、氣粉混合物的含氧量相同情況下的爆炸特性。煤粉爆炸特性和爆炸性指數(shù)的關(guān)系見表2。

通過公式計算得出，當(dāng)前煤質(zhì)和干污泥的爆炸性指數(shù)Kd分別為8.81和102.82，當(dāng)前燃用煤種的爆炸性為中等，干污泥的爆炸性為極易爆；摻混15%干污泥的混煤煤粉爆炸特性指數(shù)Kd為17.46，混煤煤粉的爆炸性分別為極易爆炸。因此在干污泥輸送、儲存、摻燒過程中，應(yīng)對系統(tǒng)采取防爆措施。

表2 煤粉爆炸性和爆炸性指數(shù)的關(guān)系

3 摻燒污泥主要技術(shù)問題

結(jié)合污泥和煤摻混燃料的特性加以分析，鍋爐摻燒污泥后可能遇到的問題有制粉系統(tǒng)爆炸、原煤倉和煤粉倉板結(jié)、鍋爐結(jié)焦、受熱面腐蝕等。

3.1 制粉系統(tǒng)爆炸

根據(jù)《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)定》計算，干污泥可列為極易爆煤質(zhì)；當(dāng)干污泥摻燒比例為15%時，屬于極易爆煤質(zhì)。

電廠制粉系統(tǒng)原設(shè)計為中儲式，由于中儲式制粉系統(tǒng)設(shè)備較多和管線較長，較其他制粉系統(tǒng)相對復(fù)雜，更容易發(fā)生制粉系統(tǒng)著火、爆炸等事故，存在極大的安全隱患。

對于煤粉和空氣混合物，當(dāng)燃料揮發(fā)分Vdaf＜10%時，一般沒有自燃和爆炸的危險；當(dāng)燃料揮發(fā)分Vdaf＞20%時，燃料揮發(fā)分析出和著火溫度均較低，容易發(fā)生自燃和爆炸事故。

3.2 原煤倉和粉倉煤粉板結(jié)

干污泥和煤混合后燃煤水分增加，按15%比例摻混時制粉系統(tǒng)露點溫度最高46.4℃，煤粉容易粘結(jié)在原煤倉及粉倉上，嚴(yán)重時會引發(fā)生原煤倉和粉倉板結(jié)，給煤機斷煤和給粉機給粉不暢。

3.3 鍋爐受熱面的腐蝕和結(jié)焦

由于污泥中Cl和F等元素偏高，摻混燃料燃燒后產(chǎn)生HCl和HF比原來稍高，而且燃料中Cl、S及堿金屬的堿金屬含量增加，其化合物容易熔點較低，從而使鍋爐結(jié)焦傾向增加，容易導(dǎo)致水冷壁和過熱器的腐蝕、積灰和結(jié)焦。由于燃料中水分的增加，低溫受熱面易發(fā)生積灰、腐蝕。

若摻燒比例不合適，則有可能帶來鍋爐受熱面腐蝕和結(jié)渣趨勢增強等問題。因此應(yīng)控制好摻燒比例，同時加強燃燒調(diào)整，若發(fā)生積灰和結(jié)焦嚴(yán)重，在主燃區(qū)增加吹灰器數(shù)量，增加防止結(jié)焦的輔助手段；同時對鍋爐受熱面腐蝕和結(jié)焦情況加強監(jiān)控，應(yīng)采取對鍋爐受熱面噴涂和吹灰系統(tǒng)優(yōu)化等措施，進(jìn)行防護(hù)。

4 鍋爐摻燒污泥系統(tǒng)改造方案

干污泥與原煤在輸煤皮帶混合，再經(jīng)制粉系統(tǒng)碾磨后進(jìn)入鍋爐燃燒的方案。

4.1 系統(tǒng)簡介

針對目前電廠實際情況，本項目需要新增污泥輸送系統(tǒng)，同時為保證制粉系統(tǒng)安全，也需要對制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造，即制粉系統(tǒng)保留原有的干燥介質(zhì)，并引入一路惰化氣體至磨煤機入口作為干燥和惰化介質(zhì)。

系統(tǒng)流程：干污泥經(jīng)輸送系統(tǒng)至輸煤皮帶與原煤混合后進(jìn)入爐前原煤倉，再經(jīng)制粉系統(tǒng)研磨后，由制粉系統(tǒng)原有干燥劑和惰化氣體共同送入爐內(nèi)燃燒。系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工藝流程簡圖

4.2 制粉系統(tǒng)防爆改造方案

由于干污泥揮發(fā)分較高，爆炸等級列為Ⅳ級，即屬極易爆炸煤種，在制粉系統(tǒng)碾磨、存儲和輸送過程中易發(fā)生爆炸。煤粉爆炸的基本條件是存在煤粉、一定的煤粉濃度和氧氣濃度、足夠的點火能量。制粉系統(tǒng)煤粉濃度均處于易爆范圍，而且中儲式制粉系統(tǒng)管線長、設(shè)備復(fù)雜，非常容易造成原煤在磨煤機入口堆積，以及煤粉在磨煤機出口至粉倉之間的設(shè)備上粘結(jié)，使得鍋爐摻燒干污泥后極易發(fā)生制粉系統(tǒng)爆炸，嚴(yán)重影響機組鍋爐的安全運行。因此，若有效消除制粉系統(tǒng)爆炸條件，只有在制粉系統(tǒng)中摻入惰化介質(zhì)，進(jìn)而大幅度降低氧氣濃度，使氧濃度降低至煤粉空氣混合物不能點燃的條件。

根據(jù)抽取爐煙點的位置不同，中儲式制粉系統(tǒng)惰化常用介質(zhì)主要為熱爐煙和冷爐煙。由于摻混燃料的水分增加不多，結(jié)合根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用抽取冷爐煙作為制粉系統(tǒng)惰化介質(zhì)，即從除塵器后（引風(fēng)機出口）抽取煙氣進(jìn)入制粉系統(tǒng)。這種方式都可有效控制粉系統(tǒng)終端含氧量控制在16%以下，滿足DL/T 5203《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)要求。

5 結(jié)論

5.1 項目建設(shè)的可行性

污水廠污泥可以用于發(fā)電廠鍋爐焚燒發(fā)電輔助燃料。按照“節(jié)能減排”和“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的思想，充分利用污泥所具有的熱源和余熱優(yōu)勢和污泥自身所特有的熱值，對城市污水廠污泥進(jìn)行資源化利用。同時，電廠摻燒干化污泥進(jìn)行鍋爐焚燒發(fā)電，整個工藝過程既可以達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，又可以實現(xiàn)對城市污泥的無害化處理和資源化利用的目的。

因此，本項目建設(shè)是可行的。

5.2 項目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和示范效益

5.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

污泥摻燒項目建成投產(chǎn)后，總投資2490.8萬元，每年可帶來經(jīng)濟(jì)效益2800萬元左右，1.23年即可為電廠收回投資成本。

5.2.2 社會效益

徹底杜絕了因污泥填埋對城市環(huán)境造成的二次污染，基本實現(xiàn)了城市污水處理廠污泥的零排放。

每年干化焚燒濕污泥26.4萬噸污泥填埋每3萬噸按8畝耕地計算，可為國家節(jié)省70.4畝耕地/年。

每噸干污泥綜合填埋費用按200元計算，可為國家節(jié)省約5280萬元/年。

利用干化污泥替代能源發(fā)電，每年節(jié)約煤炭資源2.03萬噸標(biāo)煤。

5.2.3 示范效益

目前，全國大部分城市的市政污泥都沒有得到妥善解決。北京、上海、重慶等城市都面臨著急需解決的問題。本項目每天處理市政濕污泥800t/d，本項目的順利實施，會解決污水廠污泥對環(huán)境造成的二次污染，對全國大中型城市具有示范作用。

總之，本項目實施后將會產(chǎn)生巨大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和示范效益。

[1]華中科技大學(xué)-煤與污泥的混燃特性研究，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011．

孫偉(1975-)，男，碩士，高級工程師，主要從事火力發(fā)電廠鍋爐調(diào)試工作。