污泥摻燒在1000 MW機組上的應(yīng)用與探討

楊軼文 曹 軍 徐少峰 馮擁軍

上電漕涇發(fā)電有限公司

0 引言

上海上電漕涇發(fā)電有限公司2×1000 MW超超臨界壓力直流鍋爐為2 956 t/h超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、采用機械刮板撈渣機固態(tài)排渣。鍋爐設(shè)計燃煤為神木煤。鍋爐尾部煙道上部設(shè)有SCR脫硝反應(yīng)裝置，下部布置兩臺轉(zhuǎn)子直徑為φ16 370 mm的三分倉容克式空氣預(yù)熱器。制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，配備六臺北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)ZGM133G磨煤機，BMCR工況，燃用設(shè)計煤種時，五臺投運，一臺備用。

1 燃煤電站鍋爐耦合生物質(zhì)污泥燃燒發(fā)電現(xiàn)狀

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人口集中度越來越高，隨之產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題。處理生活污水產(chǎn)生的大量污泥無法得到大規(guī)模科學(xué)處理是其中問題之一。據(jù)國家住建部預(yù)計，到2020年，全國市政污泥產(chǎn)量將達(dá)到6 000萬噸[1]。目前，焚燒仍是污泥主要處理方式之一。然而新建污泥焚燒廠，面臨投資大，建設(shè)周期長等問題。若能通過對已建成的大型燃煤機組進(jìn)行合理改造以實現(xiàn)污泥常態(tài)化摻燒，則具有明顯的優(yōu)勢[2]。據(jù)統(tǒng)計，歐洲已有超過100座電廠加裝了用于摻燒污泥的設(shè)備，且能夠進(jìn)行污泥摻燒[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已對燃煤電站鍋爐摻燒生物質(zhì)污泥進(jìn)行了大量實驗范疇的研究。Folgueras等人[4]對三種污泥和煙煤的混合燃燒進(jìn)行了熱重分析，并根據(jù)結(jié)果計算出了阿累尼烏斯動力學(xué)參數(shù)。此外Folgueras等人[5]將污泥和煤混合燃燒，對于在燃燒過程中產(chǎn)生的37種痕量元素的揮發(fā)特性進(jìn)行研究，研究表明在污泥和煤摻燒比例在10%時，Cl和CaO對痕量元素的影響很小，當(dāng)比例達(dá)到50%時，影響雖然有變化但并未大幅增加。Otero等人[6]對污泥和煤的混燃過程進(jìn)行了熱重分析，并通過DSC和DTG曲線表示了兩種燃質(zhì)燃燒特性的不同，并指出當(dāng)污泥混燃比例小于10%時，污泥對煤燃燒過程的放熱和失重?zé)o顯著影響。Tsai等人[7]在一臺103 MW循環(huán)流化床鍋爐上研究了造紙污泥和煤混燒時污泥給料速率對SOx，NOx，CO排放量的影響，研究表明，隨著污泥給料速率的增加，SOx和NOx的排放量減少，但由于污泥中的水分使燃燒溫度降低從而使CO排放量增加。Luts等人[8]研究了燃煤電廠摻燒干化污泥，研究了摻燒污泥后對電廠運行情況、污染物排放的影響，指出利用電廠現(xiàn)有設(shè)施混燒污泥是切實可行的，污泥的摻入對于污染物排放量并未產(chǎn)生很大影響，也沒有產(chǎn)生其他的污染，只是應(yīng)注意摻燒燃料中硫、氯及堿成分對鍋爐造成的腐蝕影響。

2 試驗污泥的來源與摻配煤種

城市污泥是城市廢水處理和污水處理不可避免的副產(chǎn)品，主要來源于城市污泥處理廠、街道溝道排水、生活污水污泥、給水廠污泥、城市水體疏浚污泥及城市建筑工地泥漿等。

上電漕涇電廠摻燒試驗期間，污泥分別來自于上海嘉定、青浦、松江、奉賢、金山五個區(qū)，其生產(chǎn)廠家及干燥方式見表1。

表1 污泥來源與干燥方式

所選摻燒煤種為水分較低的俄羅斯動力煤，煤質(zhì)見表2。摻燒過程中，利用鍋爐一次熱風(fēng)在磨煤機中對燃料進(jìn)行加熱干燥。經(jīng)試驗驗證，在一定摻配比例下，可有效除去其中的水分，達(dá)到燃料入爐要求。

表2 摻配煤種煤質(zhì)分析

3 污泥摻燒試驗方案

本試驗計劃分四個時間段實施，分別試摻燒來自上海5個區(qū)的污泥。經(jīng)過跨度8個多月的四次污泥摻燒試驗，上電漕涇電廠累計摻燒不同種類的污泥2 803.33 t，其中金山污泥848.51 t，奉賢污泥169.6 t，嘉定污泥82.94 t，青浦污泥 147.2 t，松江污泥1 555.08 t，過程中未發(fā)生重大事故，未發(fā)生“非停非減”，為今后污泥摻燒常態(tài)化積累了寶貴經(jīng)驗。

3.1 摻配比例

由于電廠負(fù)荷受電網(wǎng)調(diào)度，波動較大，在實際運行過程中，根據(jù)鍋爐實際負(fù)荷，運行人員需要對磨煤機進(jìn)行及時啟停，鍋爐摻燒比例會相應(yīng)發(fā)生變動。當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于500 MW時，考慮到機組運行的穩(wěn)定性，僅安排一臺磨煤機摻燒污泥。摻配比例對于負(fù)荷實時變動的百萬兆瓦燃煤機組而言具有參考意義，在機組安全運行的情況下，摻配比例可以通過估算得出，各工況下具體摻燒比例見表3。

表3 不同工況下的整爐摻燒比例

3.2 污泥摻配方式

為探索在不新增設(shè)備的前提下，高效安全的摻配污泥混煤，試驗中采用了三種不同摻配方式：單路摻配、雙路摻配、單路人工摻配。

3.2.1 單路摻配

選擇1號煤場“事故煤斗”作為純污泥堆放點。選擇1號煤場“中心料斗”作為“高熱值煤”堆放點。摻配步驟如下：

（1）原煤倉開始加污泥混煤時，啟動“中心料斗”，控制高熱值煤出力800～900 t/h。

（2）啟動“事故煤斗”控制污泥出力400 t/h～500 t/h，從而達(dá)到5A皮帶流量≯1 500 t/h。

3.2.2 雙路摻配

選擇2號煤場事故煤斗為污泥堆放料斗。摻配步驟如下：

（1）將給料機2B出力調(diào)整至500 t/h左右。

（2）在2號煤場事故煤斗底層先堆放10 t～15 t高熱值動力母煤（俄羅斯動力煤，5 100 kcal）。

（3）卸入污泥。

（4）當(dāng)2號煤場事故煤斗堆滿污泥后，現(xiàn)場負(fù)責(zé)人通知輔控值班員先啟動給料機1A，神木煤取料流量控制在800 t/h左右，

（5）待皮帶機5A上出現(xiàn)神木煤煤流后，啟動給料機2B，將“污泥/神木煤”同時加入指定的原煤倉。

3.2.3 單路人工摻配

選擇2號煤場“事故煤斗”作為污泥和高熱值動力母煤摻配堆放料斗（給料機出力不做調(diào)整）。采用一輛裝載量約3 t和另一輛裝載量約5 t的裝載機作為母煤的鏟放車輛。步驟如下：

（1）事故煤斗底層先用裝載機鏟放兩車3 t和兩車5 t高熱值動力母煤。

（2）卸入一車污泥。

（3）裝載機鏟覆兩車3 t和兩車5 t高熱值動力母煤，最后鏟一車5 t高熱值動力母煤視情況機動覆蓋。底層和上層覆煤量約為卸入污泥量的2倍。

重復(fù)上述步驟直至事故煤斗內(nèi)堆滿“污泥混煤”，啟動給料機2B，將其加入指定的原煤倉。

4 污泥摻燒試驗結(jié)果分析

4.1 摻燒污泥對爐膛溫度的影響

在摻燒試驗中，通過對不同來源污泥的成分進(jìn)行化驗后發(fā)現(xiàn)，由于污泥含水量較高，其熱值相對較低，其中嘉定生石灰干化的污泥僅有457 kcal，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，如圖4-1。

圖1 不同污泥水分熱值圖

針對污泥熱量低的特點，在摻燒期間，定期通過觀火孔對爐膛燃燒進(jìn)行觀察測溫，發(fā)現(xiàn)火焰均較明亮，燃燒穩(wěn)定，且標(biāo)高53 m處爐膛溫度在1 280～1 320℃左右，這是由于污泥摻混量相對于鍋爐總?cè)剂狭枯^少。摻燒污泥后爐膛溫度略有下降，但仍處于正常范圍內(nèi)。因此在摻燒高水分低熱值污泥時，需根據(jù)鍋爐燃燒穩(wěn)定性，限制污泥最大摻配比例。

4.2 摻燒污泥對鍋爐效率的影響

2018年10月29日開始的第一次污泥摻燒試驗的燃燒化驗（計算）結(jié)果，見表4。表4中“污泥1”，“污泥2”分別指當(dāng)日到廠的兩批金山排海污泥，“-30%”是指將污泥干燥到30%全水分情況下的計算值。試驗設(shè)計工況為“T1”、“T2”，相應(yīng)對照工況為“t1”、“t2”，具體工況如表5。

污泥1與污泥2的總重量分別為82.25 t與66.86 t，摻燒污泥時鍋爐消耗總?cè)济毫糠謩e為1 126.2 t和1 028.5 t，因此鍋爐摻燒比例分別為7.3%和6.5%，單磨的摻燒比例為27.06%與24.44%。按3萬t/年的污泥供應(yīng)量與單臺機組200萬t/年的耗煤量計算，全年摻燒比例為1.5%。

將上述結(jié)果按摻燒污泥期間磨煤機運行的相應(yīng)燃用煤種加權(quán)平均，可得到摻燒污泥期間實際爐膛燃燒的入爐煤元素及熱值（表6），用以計算鍋爐效率。

計算得到各工況下鍋爐效率及各項損失見表7。比較污泥摻燒前后鍋爐效率可見，由于摻燒污泥后飛灰大、渣含碳量升高與燃料熱值降低導(dǎo)致鍋爐效率降低。燃用第一批污泥（污泥1）后鍋爐效率下降0.34%，燃用第二批污泥（污泥2）后鍋爐效率下降0.58%。將污泥1與污泥2分別干燥到30%水分后摻燒，鍋爐效率比未干燥污泥時分別提高了0.1%與0.14%。

表4 入爐煤化驗(計算)結(jié)果

表5 試驗工況

表6 入爐燃料元素分析

表7 各工況下鍋爐效率及各項損失

4.3 摻配方式優(yōu)劣比較

根據(jù)不同機組狀態(tài)，選擇的污泥摻配方式見表8。

表8 污泥摻配方式

（1）對燃料正常配給的影響

雙路摻配方式需要兩個煤場兩路皮帶配合運行，因此當(dāng)雙機運行時，會影響日常煤種的正常加倉。單路摻配需要從同一煤場內(nèi)的事故料斗及中心料斗同時加倉，不會對相鄰機組正常燃料加倉造成影響，但會影響本機組其他倉位的燃料配給。單路人工摻配只需將摻配煤種和污泥按既定步驟倒入事故煤斗中，對機組正常燃料配給影響最小。

（2）摻配效果

雙路摻配污泥和煤的混合最為均勻，當(dāng)污泥混煤進(jìn)入鍋爐燃燒時，爐膛溫度、主、再汽溫比較穩(wěn)定。單路摻配和單路人工摻配混合效果相對較差，爐膛溫度、主再汽溫波動明顯。

（3）摻配機械化程度

雙路摻配及單路摻配均有較高的機械化程度，效率較高。單路人工摻配需要大量人員車輛相互配合，機械化程度較低，效率偏低。

4.4 摻燒污泥對機組環(huán)保指標(biāo)的影響

通過超凈排放改造后，煙氣處理系統(tǒng)還有相當(dāng)大的裕度，煙氣排放水平遠(yuǎn)低于環(huán)保部門規(guī)定值，見圖2。

圖2 超凈排放改造后機組排放水平

摻燒污泥產(chǎn)生的污染物完全可以通過現(xiàn)有的環(huán)保設(shè)備處理達(dá)標(biāo)后排放。在污泥試摻燒過程中，全程委托具有資質(zhì)的第三方環(huán)境檢測公司對污染物排放進(jìn)行了檢測并出具檢測報告，結(jié)論如下：

（1）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，總排放口的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度均小于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，汞及其他化合物小于0.03 mg/m3，滿足《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/963-2016）的限值要求。

（2）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，總排放口的氯化氫、汞及其化合物、鎘、鉈及其化合物、銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳及其化合物、二噁英類、一氧化碳的排放濃度均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485-2014）的限值要求。

（3）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，爐渣中汞、總鉻、六價鉻、鎘、鉛、砷、鎳、銅、鋅、二噁英的質(zhì)量濃度滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)的要求。

（4）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的三種工況下，各污染因子的排放濃度無明顯變化，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

經(jīng)過歷時8個月的污泥摻燒試驗，積累了大量利用百萬等級燃煤機組直吹式、大容量、高一次風(fēng)壓、高干燥出力的磨煤機作為污泥干燥設(shè)備直接摻燒城市生活污泥的經(jīng)驗，結(jié)論如下：

（1）在污泥摻燒比例較低時，爐膛溫度略有降低，但仍處于安全穩(wěn)定區(qū)間。

（2）摻燒少量污泥會使鍋爐效率略有降低，污泥含水量越高，鍋爐效率越低。

（3）雙路摻配的效果最均勻，對鍋爐運行穩(wěn)定性影響最小，但影響兩臺機組的其他燃料配給。

（4）單路摻配的效果較差，鍋爐混煤入爐燃燒后，爐膛溫度及主、再蒸汽溫度波動明顯，對相鄰機組的正常燃料配給無影響。

（5）單路人工摻配的摻配效果較差，鍋爐混煤入爐燃燒后，爐膛溫度及主、再蒸汽溫度波動明顯，對本機組及相鄰機組的正常燃料配給無影響。

（6）百萬千瓦等級燃煤機組原有環(huán)保設(shè)備完全可處理在超凈排放摻燒少量污泥產(chǎn)生的污染物。