摻燒生化藥渣對循環流化床鍋爐熱效率的影響分析

劉 剛，羅 凱，楊 杰，羅俊俊

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

醫藥產業是關系國計民生的重要產業，是人民健康和社會穩定的重要保障，對構建和諧社會意義重大，醫藥制造行業是其重要的組成部分［1］。近年來，我國生化醫藥制造行業呈現出持續快速增長的態勢，但其產生的生化制藥污泥和菌渣（簡稱“生化藥渣”）不僅氣味難聞、而且富集了重金屬、難以降解的物質和潛在的致病性微生物［2-3］，其處置已受到社會及科學界的廣泛重視。生化藥渣屬于《國家危險廢物名錄》中HW02醫藥廢物類［4］，堆肥、填埋和焚燒是目前處置的常用方法［5-9］，由于生化藥渣污染物含量較高，同時土地資源日益緊張，堆肥和填埋方式受到一定的限制，焚燒法具有減量化、資源化等優勢，逐漸成為污泥和菌渣處置的主流方式［10-14］。根據采用的焚燒裝置不同，焚燒處理主要又可分為爐排爐焚燒、流化床焚燒、回轉式燃燒爐燃燒、電站鍋爐摻燒［15-16］。循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣、氮氧化物排放低、易于實現灰渣利用等特點［17-18］，可以實現大型工程化焚燒處理生化藥渣固廢［19-20］。

生化藥渣水分高、熱值低、成分復雜，某循環流化床鍋爐摻燒生化藥渣后出現灰渣含碳量升高、排煙溫度升高等問題，并最終導致鍋爐效率下降，因此開展摻燒生化藥渣對循環流化床鍋爐熱效率的影響分析具有現實意義。

1 鍋爐設備特性

某300 MW發電機組配置鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司生產制造的亞臨界循環流化床鍋爐，采用一次中間再熱、單汽包自然循環、單爐膛、平衡通風、汽冷式旋風分離器、露天布置，型號為DG1100/17.4-Ⅱ。原鍋爐設計最大連續蒸發量為1 100 t/h，擴容改造后最大連續蒸發量為1 136 t/h，額定工況下過熱器蒸汽出口溫度為540 ℃，再熱器蒸汽出口溫度為540 ℃，給水溫度276.5 ℃。鍋爐采用爐內噴鈣脫硫，石灰石從回料器給入，爐外無脫硫；脫硝采用SNCR 氨水脫硝，除塵采用布袋式除塵器。經濃縮脫水后的生化藥渣通過2臺柱塞泵從鍋爐爐頂中部靠后墻處送入爐膛進行燃燒。

鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上，主要由一個膜式水冷壁爐膛，3臺汽冷式旋風分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井（HRA）三部分組成。爐膛內前墻布置有12片屏式過熱器管屏、6片屏式再熱器管屏，后墻布置2片水冷蒸發屏。鍋爐共布置有8個給煤口，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風室，水冷風室兩側布置有一次熱風道，進風型式為平行于布風板從風室兩側進風。一次風道內分別布置兩臺點火燃燒器，爐膛密相區水冷壁前后墻上分別各設置了4支床上點火油槍。4個排渣口布置在爐膛后水冷壁下部，分別對應4 臺滾筒式冷渣機。爐膛與尾部豎井之間，布置有3臺汽冷式旋風分離器，其下部各布置1臺“J”閥回料器，回料器為一分為二結構。尾部采用雙煙道結構，前煙道布置3組低溫再熱器，后煙道從上到下依次布置有2組高溫過熱器、2組低溫過熱器，向下前后煙道合二為一，其中布置有兩組螺旋鰭片管式省煤器和臥式空氣預熱器，空氣預熱器采用光管式，一二次風道分開布置，沿爐寬方向四回程雙進雙出。過熱器系統中設有兩級噴水減溫器，再熱器系統中布置有事故噴水減溫器和微量噴水減溫器。鍋爐主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main design parameters of boiler

2 生化藥渣和燃煤特性

2.1 生化藥渣特性分析

生化藥渣由經過板框壓濾的生化污泥、物化處理污泥和生產車間提取產品后發酵培養基產生的發酵菌渣（簡稱菌渣）3 種固體廢棄物組成，按質量比例約3：1：6 混合均勻。生化藥渣所含3 種固體廢棄物的特性分析數據如表2所示。

表2 生化藥渣特性分析數據Table 2 Characteristic analysis data of biochemical residue

從以上特性分析數據可以看出，生化藥渣水分非常高，灰分低，干燥無灰基揮發分極高，熱值極低。

2.2 燃料特性分析

鍋爐原設計煤種為貧煤，實際常用燃用煤種為煙煤。機組300 MW額定負荷工況下，生化藥渣正常摻燒量約為20 t/h，鍋爐實際燃煤量約為120 t/h。設計煤種、實際常用煤種、生化藥渣與煤按質量比1︰6摻配混合樣的燃料特性分析數據如表3所示。與純燃煤工況相比，摻燒生化藥渣后的混和燃料全水明顯上升，熱值明顯下降，灰分明顯上升，這都會對鍋爐熱效率帶來不利影響。

表3 燃料特性分析數據Table 3 Characteristic analysis data of fuel

3 熱效率試驗

鍋爐熱效率試驗依據《DL/T 964-2005 循環流化床鍋爐性能試驗規程》進行，混合燃料的元素分析值、工業分析值和低位發熱量按原煤和生化藥渣占總燃料質量消耗量份額的加權進行取樣混合后通過試驗室分析得出［21］（煤質分析數據見表3），灰渣比例按7︰3進行計算。

熱效率試驗選擇純燃煤工況和摻燒藥渣工況條件進行對比試驗。試驗期間燃煤為常用煤種并維持煤質穩定，生化藥渣摻燒量維持20 t/h，機組維持額定負荷300 MW正常穩定運行。

3.1 熱效率試驗結果

不同試驗工況下，熱效率試驗結果如表4所示。

表4 熱效率試驗結果Table 4 Results of thermal efficiency test

3.2 試驗期間鍋爐主要運行參數

不同試驗工況下，通過DCS進行數據采集，試驗期間鍋爐主要運行參數的統計平均值如表5所示。

4 影響分析

4.1 對鍋爐負荷的影響

摻燒生化藥渣后對物料循環及鍋爐帶負荷能力無明顯影響，鍋爐能帶額定負荷正常運行；對鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽的汽溫及汽壓不會產生明顯影響，氣溫均能達到額定值。

4.2 對排煙熱損失的影響

摻燒生化藥渣工況相比純燃煤工況，鍋爐空預器出口通過網格線法實測的排煙溫度提高7.5 ℃。從試驗期間DCS 顯示的鍋爐主要運行參數可見，當占總燃料量約14%的生化藥渣在爐內與床料混合摻燒時，床溫下降8～10 ℃，爐膛出口煙溫下降13 ℃，分離器出口煙溫下降14 ℃，而省煤器入口煙溫上升5.5 ℃，空預器入口煙溫上升4～6 ℃，排煙溫度上升6～7 ℃。生化藥渣水分高、熱值低，摻燒藥渣會導致床溫和高溫受熱面煙溫降低，為滿足鍋爐出力則需要更多的熱量輸入并產生更大的煙氣量，從而最終導致低溫段受熱面和排煙溫度上升。排煙溫度上升和煙氣量增加都導致排煙熱損失增加。

4.3 對固體未完全燃燒損失的影響

摻燒生化藥渣工況相比純燃煤工況，床溫和高溫受熱面煙溫均降低，燃料燃燼率下降，取樣化驗的飛灰可燃物由5.62%升至7.54%，底渣可燃物由5.57%升至6.13%。藥渣和煤混合樣的工業分析與純煤相比，收到基灰分由13.56% 升至19.01%，低位發熱量由24 680 kJ/kg 降至20 257 kJ/kg。計算得出的固體未完全燃燒損失明顯增大，由1.93%增加至3.57%。

表5 鍋爐主要運行參數Table 5 Main operation parameters of boiler

4.4 對灰渣物理熱損失的影響

摻燒生化藥渣導致燃料灰分明顯增加，單位燃料產生的灰渣量也明顯增加，由于排煙溫度上升，灰渣物理熱損失也相應增大。

4.4 對鍋爐熱效率的影響

純燃煤工況鍋爐計算熱效率為91.44%，修正后熱效率為90.63%。摻燒生化藥渣工況鍋爐計算熱效率為89.64%，修正后熱效率為89.24%，分別下降1.8%和1.39%。相同鍋爐出力情況下入爐煤量從117 t/h上升至122.3 t/h，增加5.3 t/h。摻燒生化藥渣工況，造成鍋爐效率降低的主要原因在于藥渣水分高、灰分高、熱值低，從而導致煙氣量增大、排煙溫度升高、灰渣排量增大、灰渣燃燼率下降，相應的計算熱效率各項損失中排煙熱損失增大0.09%、固體未完全燃燒熱損失增大1.64%、灰渣物理熱損失增大0.14%，其中固體未完全燃燒熱損失增大尤為明顯。

5 結語

生化藥渣水分高、灰分高、熱值低，循環流化床鍋爐摻燒生化藥渣會導致煙氣量增大、排煙溫度升高、灰渣排量增大、灰渣燃燼率下降，相應排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失均增大，其中固體未完全燃燒熱損失增大尤為明顯。摻燒生化藥渣后對物料循環及鍋爐帶負荷能力無明顯影響，鍋爐能帶額定負荷正常運行；對鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽的汽溫及汽壓不會產生明顯影響，氣溫均能達到額定值。循環流化床鍋爐摻燒生化藥渣對于醫藥固廢的無害化處理具有現實的生產意義，但是對鍋爐熱效率會產生不利影響，生化藥渣入爐前的干化處理是后續可開展的研究方向。

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