超超臨界機組煤泥摻燒的干法應用

王林偉， 崇培安， 張 磊

(1. 淮北申皖發電有限公司， 安徽淮北 235000； 2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

近年來，隨著環境問題不斷凸顯和社會對可持續發展問題認識的日益深入，煤炭洗選廢棄物的處理和利用方式受到業內人士的廣泛關注。2016 年，我國進入了第十三個五年規劃和全面建設小康社會的階段，社會的發展和不斷完善推動著我國能源結構的轉變。中國作為能源消費大國，近十年以來，煤炭、石油、天然氣等化石能源消費總量一直保持穩步增長，煤炭的消耗最為顯著，我國以煤炭為主導的能源現狀在較長的時間內不會改變。

洗選是進行煤炭清潔利用的主要手段，原煤入洗量及煤泥產量呈逐年上升趨勢。我國能源部印發的《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020)》中指出，預計2020年我國煤炭產量將達到45 億t，原煤入洗率接近 80%，屆時按入洗原煤質量的10%計算，煤泥產量約為3.6 億t[1]。目前煤泥大規模處理技術水平依然較低，處理方式不合理，煤泥利用率為70%，其中回摻中煤、直接燃燒等為主要方式，遠不能達到煤泥的處理能力及清潔利用的要求。因此，煤炭洗選廢棄物對提質增效、轉型升級的要求更加緊迫，國家加強了對煤泥處置的力度。

為了提高煤泥利用率、實現煤泥規模化利用，筆者進行超超臨界煤泥摻燒試驗，重點研究了煤泥的干法應用。

1 煤泥燃燒利用技術

煤泥燃燒發電是實現煤泥規模化利用的首要選擇途徑[2]，煤泥的循環流化床燃燒處理是一種常見的方式，興起于20世紀90年代，雖然只有不到30 a的時間，但是在國內得到了較快的發展。目前國內煤泥燃燒利用方法主要有以下幾個方面：

(1) 濕法利用是將濕煤泥直接入爐燃燒發電。該方法在流化床中應用較多，濕煤泥在床內形成凝聚結團，為了防止煤泥塊團在流化床內沉積破壞流化質量，通常采用異比重流化床技術[3]。

(2) 煤泥與中煤摻燒可利用現有設備資源，具有較好的經濟性，但同時存在很多問題，如輸煤穩定性下降、鍋爐效率下降、機組安全性降低等。

(3) 煤泥制漿燃燒是基于高濃度水煤漿技術發展起來的一項煤泥綜合利用手段[4]。但是煤泥制成的漿液含水質量分數高，約為40%，造成大量燃燒熱損失，產生大量煙氣，對煙風系統、燃燒設備和燃燒條件有較高的要求，適用性不強。

(4) 干法利用是提高煤泥燃燒特性的一種手段。通過對煤泥進行干燥，降低煤泥中水分，從而提高發熱量，改變燃燒特性。以含水質量分數為30%的煤泥為例，降低1%含水質量分數，其發熱量可提高1.43%，而且干燥后，不僅能夠單獨燃燒，還能夠與其他煤種進行摻燒[5]。

燃燒煤泥進行發電是煤泥規模化利用的方式，而煤泥的高水分特性是其規模化利用的最主要制約因素。對煤泥施行干燥處理，降低煤泥水分，其發熱量得到提高，最終能夠實現煤泥規模化利用。

2 煤泥干燥方案

實現煤泥干燥的方法主要有機械干燥和熱力干燥。機械方法有篩分、離心和壓濾三種方式，但其脫水率不高，處理過后，煤泥含水質量分數仍在20%左右，須要經過熱力方式進一步干燥。在國內，工業應用的熱力干燥方法主要是煙氣干燥、蒸汽干燥等[6]。

2.1 煙氣干燥

煙氣干燥以高溫煙氣作為熱力源對煤泥進行干燥，具有以下優點：煤泥與高溫煙氣熱源直接接觸，干燥強度高、傳熱效率高；系統簡單、投資少、處理量大；檢修方便、維護成本低。煙氣干燥的缺點主要有：300～700 ℃的高溫熱風在烘干高揮發分含量的煤泥時，存在揮發分析出、煤塵爆炸的風險，有安全隱患；電廠規模化干燥煤泥時，從鍋爐抽取的煙氣量受到鍋爐運行的限制；電廠采用煙氣干燥工藝通常需要在鍋爐較近的地方有工程場地。

2.2 蒸汽干燥

蒸汽干燥是利用低壓蒸汽(溫度通常小于250 ℃)作為熱力源干燥煤泥的技術，對比煙氣干燥，蒸汽干燥有以下優點：以電廠低品質的余熱蒸汽作為熱源，提高熱能利用率；干燥溫度低，系統安全性能好；蒸汽消耗量少，蒸發煤泥中1 kg水只需要1.3 kg蒸汽；熱交換后的蒸汽經處理后可作為鍋爐回水重復利用，節約水資源。雖然蒸汽干燥的安全性高、能耗低，但干燥處理量不大，且后期干燥效率低，一般只能將煤泥干燥到含水質量分數為10%～15%。

2.3 真空射流干燥

真空射流干燥是一種低溫(60 ℃以內)非傳遞的脫水方式，將原料在高速氣流中混合，然后通過真空噴射發生器產生較高速氣流沖擊波，粉碎氣流中的固體物料，在粉碎過程中使固體物料和所含水分分離，再經過氣液固三相分離裝置完成脫水和固體顆粒的回收[7]。該干燥技術由于設備穩定性差、維護工作量大，所以應用較少。

2.4 微波干燥

微波干燥具有干燥均勻、清潔無污染、易于控制等優點，目前已廣泛應用于化工、食品、木材、礦業、藥材等領域，但對其在煤泥干燥的應用研究很少。煤泥在微波輻射的作用下，吸收微波能轉化為自身熱能，用來蒸發所含水分。微波干燥在煤泥工程化應用中運行能耗高、運行過程操作復雜，尚未有工程案例。

3 煤泥摻燒的影響

3.1 機組概況

為了分析煤泥摻燒對鍋爐各方面的影響，某電廠進行了煤泥摻燒試驗。原料煤泥為宿州北部地區淮礦所屬煤礦煤泥，均為經過機械脫水的壓濾煤泥。機組為660 MW超超臨界機組，鍋爐為SG-1908/27.9-M6006塔式鍋爐，鍋爐設計煤種為煙煤，汽輪機為N660-27/600/600、中間再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機。鍋爐燃煤及煤泥的分析結果見表1(濕泥煤是指干燥前的煤泥)。

表1 鍋爐燃煤及煤泥分析

3.2 煤泥摻燒的影響

3.2.1 對爐渣含碳質量分數的影響

爐渣含碳質量分數反映了鍋爐的燃燒狀況，爐渣含碳質量分數越高，鍋爐熱效率越低。不同機組負荷下，爐渣含碳質量分數隨濕煤泥質量流量的變化見圖1。

圖1 濕煤泥質量流量與爐渣含碳質量分數的關系

由圖1可知：當摻燒的濕煤泥質量流量在20 t/h以下時，各負荷下的爐渣含碳質量分數沒有明顯變化；當濕煤泥質量流量繼續增大時，爐渣含碳分數增速明顯提高，負荷越低增速越快。

3.2.2 對飛灰含碳質量分數的影響

飛灰含碳質量分數也體現了鍋爐燃燒狀態，飛灰含碳質量分數升高會使鍋爐經濟性降低，同時大量飛灰給環保處理帶來負擔。不同機組負荷下，飛灰含碳質量分數隨濕煤泥質量流量的變化見圖2。

圖2 濕煤泥質量流量與飛灰含碳質量分數的關系

由圖2可知：摻燒的濕煤泥質量流量對飛灰含碳質量分數的影響不大，各個負荷下摻燒后飛灰含碳質量分數能夠保持在一個比較穩定的區間(0.6%～0.9%)。

3.2.3 對引風機電流的影響

煤泥含較多水分，燃燒產生的煙氣量增加，引起引風機電流增加，具體見圖3。

圖3 濕煤泥質量流量與引風機電流的關系

由圖3可知：隨著摻燒的濕煤泥質量流量的增大，引風機電流成線性增長，通過控制摻燒比例不會對引風機電流的穩定性產生較大影響。

摻燒煤泥對鍋爐性能的影響還有以下幾個方面：

(1) 爐內煤的灰分質量分數增加，并且發熱量降低，在相同負荷時，所需煤量增加，導致磨煤機、風機輸出功率增加，電耗增加。

(2) 入爐煤的灰分質量分數增大接導致鍋爐著火和穩燃能力下降。

(3) 爐內煤的灰分質量分數增大導致鍋爐受熱面磨損加劇，其中省煤器磨損最為嚴重，會縮短省煤器的壽命。

(4) 入爐煤的水分質量分數增加，制粉系統需要更多干燥風，易造成一次風量上升、一次風率提高、二次風率減小，造成鍋爐結焦、高溫腐蝕。

通過控制煤泥的干燥程度和摻燒比例、優化燃燒、提高電廠運行人員的技術水平，不利影響可以得到有效控制。

4 干法應用實例

4.1 摻燒方案

在主流煤泥干燥技術的選取方面，對比煙氣干燥技術和蒸汽干燥技術特點，從安全性、持續性和可行性綜合考慮，選擇蒸汽干燥技術。將濕煤泥經過給料輸送到干化機中，利用電廠蒸汽在干化機中對濕煤泥進行干燥，干燥后的干煤泥通過皮帶進入干煤泥倉中，再通過皮帶輸送到煤場皮帶與原煤摻混，干燥后的尾氣進入電除塵器進行處理，干燥后的冷凝水再回電廠的凝結水系統。該方案的特點和優勢為：

(1) 干燥熱源采用低壓蒸汽，蒸汽耗量小、能耗低，同時便于后期增加干燥出力。

(2) 干燥后的尾氣進入電廠煙氣處理系統，對環境影響較小。

(3) 整個干燥系統對鍋爐不產生影響。

(4) 干燥工藝采用200 ℃以下蒸汽，干燥過程中煤泥爆炸燃燒的風險小。

(5) 干燥機采用環式回轉干燥機，干燥過程穩定，干燥后煤泥揚塵少。

4.2 效果分析

根據電廠的實際情況進行分析，燃用設計煤種時，額定負荷下鍋爐燃煤質量流量為251.9 t/h。根據工藝設計結果，摻燒煤泥干燥后的質量流量為20 t/h，直接按摻燒量來計算，摻燒質量比約為7.6%，摻燒比例較小，混合后燃料的組分變化非常小，無論是水分、灰分或硫分的質量分數和熱值都在實際燃燒的燃料變化范圍以內，不會對鍋爐的穩定燃燒產生太大的影響。

根據電廠設計煤種數據，w(Mar)=5.4%，w(Aar)=29.77%，而干燥后煤泥的水分質量分數為12%～14%，因摻燒質量比較小，所以摻燒煤泥送入爐膛燃燒，不會增加原煤的水分質量分數。干燥后煤泥的灰分質量分數不會高于原煤太多，且摻燒質量比較小，可以認為摻燒后對燃煤的灰分質量分數影響不大。

綜上所述，該電廠摻燒煤泥從鍋爐性能來說，影響不大，可以根據機組實際情況調整適當比例摻燒。摻燒煤泥改造后的經濟性分析見表2。

表2 評價數據表

根據項目的具體情況，計算項目在計算期內每年的資金使用狀況，以充分反映項目的經濟性及實用性。根據已確定的價格，得到財務效益主要指標：稅后財務內部收益率為15.92%；稅后投資回收期為3.02 a。

5 結語

筆者以某電廠660 MW超超臨界機組為例，對其進行煤泥摻燒應用分析，得出主要結論如下：

(1) 對比了煙氣干燥、蒸汽干燥、真空射流干燥和微波干燥，從安全性、持續性和可行性角度考慮，選擇了蒸汽干燥技術進行實際改造應用。

(2) 就煤泥摻燒后對機組爐渣含碳質量分數、飛灰含碳質量分數和引風機電流等的影響進行分析，在控制煤泥摻燒質量比、優化調整運行方式的情況下，摻燒干燥后煤泥對機組的性能影響不大。

與傳統流化床燃燒煤泥相比，超超臨界機組利用蒸汽干燥濕煤泥能有效充分利用現有社會資源，達到環保經濟高效處理煤泥的目的。在今后還應對超超臨界機組長時間摻燒煤泥的影響進一步研究分析，保證機組壽命。