污泥摻燒對墻式切圓鍋爐性能的影響

楊 琨， 丁士發， 張 濤

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著城鎮化水平的進一步發展，城市生活污水和污泥的產量逐步增加。污泥是污水處理的副產物，含有大量有毒、有害的成分，如果沒有經過合適的二次處理[1-2]，容易對城鎮建設、環境健康造成極大的困擾。

近年來，污水、污泥的處置問題逐步提上日程，國家和地方出臺各類政策法規，污泥處置的費用標準也逐步上升，這些均顯示著污泥處理行業利好的發展前景。截至2020年底，全國城市污水處理廠處理能力達1.92億m3/d，污水處理廠數量達到2 679座，產生的干污泥質量約為1 318萬t，干污泥處置量約為1 265萬t。

目前，針對市政污泥的處理，主要包括堆肥、衛生填埋、直接焚燒、厭氧消化、摻燒等[3]，其中摻燒被認為是最有效、最徹底的方法，不僅能大大減小污泥的體積、有效殺滅致病菌等微生物[4]，還能回收污泥焚燒的發熱量。國內多位學者對污泥與煤的共燃進行了研究，已有的試驗研究結果均表明，當污泥的摻燒比例(質量分數，下同)為10%左右時，綜合燃燒性能最好[5-7]。

國內多家電廠也進行過相關摻燒試驗。某300 MW四角切圓鍋爐試驗結果表明：摻燒含水率(質量分數，下同)為40%的生活污泥，摻燒比例在10%以下時，理論燃燒溫度下降7 K，對煤的元素成分、飛灰濃度、煙氣排放量等影響不大[8]。某330 MW燃煤機組試驗結果表明：當摻燒污泥的含水率一定時，污泥摻燒對鍋爐運行產生的影響隨負荷的降低而增大;而當鍋爐負荷一定時，污泥摻燒對鍋爐運行產生的影響隨污泥含水率的增大而增大[9]。某1 000 MW燃煤機組進行含水率為60%的污泥摻燒試驗發現：當摻燒比例為6%時，鍋爐效率下降0.35%[10]。

燃煤機組摻燒污泥作為相對成熟的技術，電廠所需改造工程難度較小，余熱可用于發電供熱[11]，符合污泥“減量化、穩定化、無害化、資源化”的要求，因此研究燃煤機組污泥摻燒具有十分重要的意義。

筆者對某電廠660 MW墻式切圓鍋爐進行污泥摻燒試驗，在高、中、低負荷下，分析含水率為72%的污泥在2%的摻燒比例下，對機組效率、煙氣排放、重金屬排放與混合燃料灰渣成分等方面的影響。

1 試驗方法

試驗采用了電廠平時燃用的煤種(煙煤，全水分質量分數約為12%)與污泥摻燒。試驗過程中，采用混合機和輸送皮帶對煙煤與污泥進行混合和輸送，并且通過鍋爐一次熱風加熱干燥燃料中的水分，混合燃料直接送入燃煤鍋爐中燃燒。

1.1 試驗工況

根據GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗規程》，在高、中、低負荷(660 MW、495 MW、330 MW)下進行鍋爐污泥摻燒試驗，試驗工況見表1。維持D磨煤機的摻燒比例為11.1%，其對應的總摻燒比例分別為1.76%、2.15%、2.78%。

表1 試驗工況

1.2 燃料參數

試驗前對試驗的煙煤與污泥取樣，分別進行工業分析和元素分析，結果見表2。

表2 煙煤與污泥成分分析

試驗期間，機組所燃用煤種均為同批次的煙煤和污泥，因此假設在工況一、工況二、工況三的實際運行過程中，燃料特性基本相同。

摻燒試驗期間，假設污泥在煤場中已混合均勻，不同工況下入爐燃料的燃料特性見表3。其中，摻燒污泥后的混合燃料特性采用D磨煤機摻混污泥與煙煤混合質量加權平均的方法進行計算[12]。

表3 各工況下入爐燃料的燃料特性

由于污泥的C、O、H、S的含量均低于煙煤，隨著污泥與煙煤的混合，與混合前煙煤成分相比，混合燃料的含C質量分數下降約0.7百分點，含H質量分數下降約0.05百分點，含O質量分數下降約0.1百分點，S、N含量基本不變，在摻燒比例最大的工況六，混合燃料的收到基低位發熱量最多下降達500 MJ/kg，含水率上升1百分點。總體而言，由于試驗污泥摻燒比例比較低，因此對混合燃料成分總體影響不大。

1.3 煙氣成分測量

采用等截面網格法采集煙氣樣品，分別在空氣預熱器進出口左右兩側煙道截面上布置1套TESTO-350型煙氣分析儀，煙氣引出至煙道外，再經過水洗除塵、除濕等處理后接入煙氣分析儀分析，試驗期間每15 min測量1次。煙氣成分測量系統見圖1。

圖1 煙氣成分測量系統

2 摻燒污泥對鍋爐性能的影響

2.1 對爐膛溫度的影響

為探究摻燒污泥對鍋爐爐膛溫度的影響，測溫點選取于爐膛標高約43 m處，位于燃盡風下側，各個觀火口位于該標高下鍋爐的四角處(見圖2箭頭處)。試驗期間通過測溫點對爐膛內部燃燒進行觀察，使用紅外測溫儀對觀火口溫度進行測定。

圖2 各工況下爐膛測溫結果對比

由圖2可見：各工況下爐膛溫度總體分布基本相似，其中1號角溫度比其余3個角的溫度整體偏高50 K，其余3個角的溫度相近，這與該機組實際爐內燃燒狀況有關。在摻燒污泥的條件下：相比工況一，工況四的爐膛平均溫度下降16.7 K；相比工況二，工況五的爐膛平均溫度下降12.5 K；相比工況三，工況六的爐膛平均溫度下降10.2 K。

摻燒污泥后爐膛溫度降低與污泥的成分有關，低熱值、高含水率的污泥進入爐膛后不僅釋放熱量少，而且還需要吸收大量的熱量，造成爐膛整體溫度水平降低。根據摻燒性能試驗，燃煤機組摻燒污泥比例為2%左右時會造成爐膛約15 K的溫度下降。

2.2 對煙氣成分的影響

試驗測量分析了機組在實際運行中，不同工況下總風量，脫硝系統進口NOx、SO2的濃度，空氣預熱器進出口煙溫、O2含量及CO含量，結果見圖3。

由圖3可見：在相同負荷下，摻燒污泥工況的總風量均比不摻燒工況略大，由于污泥中水分和干燥基中的揮發分含量較高，所以摻燒時的煙氣量也比不摻燒時略大。

相比工況一，工況四的空氣預熱器進出口O2體積分數上升約0.3百分點，但空氣預熱器出口的CO體積分數上升26.59百分點；對比工況二和工況五，以及工況三和工況六，空氣預熱器進出口的O2含量在機組摻燒污泥后均有輕微上升，可能是由于混合燃料總量的增加，使得燃料對過量空氣的需求增大。

摻燒污泥后，高負荷下SO2質量濃度下降不到10 mg/m3，中、低負荷下下降約1.8%，分析原因為：(1)混合燃料的S含量略微下降且總風量增大，SO2濃度被稀釋；(2)污泥呈堿性，堿金屬含量較高，起到了固硫的作用；(3)揮發分含量較高，大量揮發分在燃燒初期釋放，消耗了O2，抑制了S元素的轉化。通常來說，NOx排放濃度與爐膛溫度成正相關。該摻燒試驗中，由于污泥摻燒比例較低，爐膛溫度下降幅度小，對NOx排放濃度的影響不大，并且污泥揮發分較早析出消耗O2也會抑制N元素的氧化反應。

2.3 對鍋爐效率的影響

由燃料元素分析結果、低位發熱量、煙氣成分測試結果、排煙溫度計算可得各工況下鍋爐效率及各項損失，結果見表4。

表4 鍋爐效率及各項損失

由表4可見：在相同負荷下，摻燒污泥后，實測排煙溫度均升高2 K左右。主要原因為摻燒污泥后爐膛內煙溫降低，導致爐內受熱面吸熱比例下降，煙氣流量增加后，尾部受熱面無法將煙溫降低至摻燒污泥前的溫度水平，最終導致排煙溫度升高。

由于污泥灰分含量和含水率較高，高負荷下，熱量損失主要集中在干煙氣引起的熱量損失和煙氣中CO引起的熱量損失；中負荷下，熱量損失主要集中在未燃盡碳引起的熱量損失和煙氣中CO引起的熱量損失；低負荷下，熱量損失則主要集中在干煙氣引起的熱量損失。總體而言，低比例摻燒高含水率的污泥對鍋爐效率的影響較小。

2.4 對鍋爐結焦的影響

摻燒后的灰渣(分別簡稱為摻燒樣灰、摻燒樣渣)主要成分為Si、Al、Fe、Ca的氧化物，其余如Mg、K、Na、P等的氧化物含量則較低。城市污泥中的成分比較復雜，各類元素的含量差異較大，摻燒試驗中選用不同污泥也會導致底灰的成分差異較大。從摻燒樣灰、摻燒樣渣的成分分析中看出，污泥中Fe、Ca的含量較高(見表5)。

表5 高負荷下摻燒后灰渣成分分析

為定量分析摻燒樣灰、摻燒樣渣成分對鍋爐結焦的影響，采用灰成分中的堿酸比B/A來衡量結渣程度，其中：A為灰中酸性成分質量分數，B為灰中堿性成分質量分數[10]。A、B的計算公式為：

A=ω(SiO2)+ω(Al2O3)+ω(TiO2)

(1)

B=ω(Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+

ω(Na2O)+ω(K2O)

(2)

煙煤灰的酸堿比為0.1，煙煤與污泥摻燒后，摻燒樣渣和摻燒樣灰的酸堿比分別為0.18、0.21，均小于0.4，屬于輕微結渣燃料，對鍋爐結焦的影響不大。摻燒污泥后，樣品的結渣性較不摻燒時提高，建議實際運行中適當加強鍋爐吹灰，預計進一步提高摻燒比例可能加劇結焦。

摻燒樣灰對高溫受熱面的沾污傾向可以用沾污指數(RF)來衡量[13]，RF為堿酸比與Na2O質量分數的乘積，RF小于0.2為輕微沾污。觀火口處結焦說明此次試驗中，煙煤與污泥的混合摻燒對鍋爐實際運行中結焦與沾污的影響不大。

2.5 對灰渣重金屬含量的影響

在高負荷下對摻燒樣灰、摻燒樣渣進行重金屬檢測，結果見表6。由表6可見：各項重金屬含量較低，均符合排放標準。因此，此次摻燒污泥對原燃煤機組飛灰成分的影響可以忽略。

表6 灰渣重金屬含量測量

2.6 二口惡英排放情況

污泥摻燒過程中，由于爐膛溫度實際降低的幅度并不大，仍可保持在1 000 ℃以上，基本杜絕了二口惡英的生成，如若后續進行大比例摻燒試驗，則需要持續觀察爐膛溫度下降情況。

相比于一般垃圾焚燒爐，鍋爐爐膛溫度較高，可以有效抑制二口惡英的生成。

試驗期間摻燒污泥后廢氣和飛灰中的二口惡英測量結果分別見表7和表8，廢氣取自脫硫系統出口煙氣，飛灰取自電除塵器位置。

表7 廢氣中的二口惡英排放測量結果

表8 飛灰中的二口惡英排放測量結果

由表7、表8可見：二口惡英排放量遠低于GB 18485—2014 《生活垃圾焚燒污染控制標準》和GB 16889—2008 《生活垃圾填埋場污染控制標準》中的規定值，能夠實現達標排放。

3 結語

通過對某660 MW墻式切圓鍋爐進行對照試驗，分析驗證機組在高、中、低負荷下，含水率為72%的污泥在摻燒比例為2%時對鍋爐性能的影響，得出以下結論：

(1) 各負荷下，由于污泥低位發熱量較低且含水率高，鍋爐燃盡飛灰中可燃物成分含量升高，干煙氣和煙氣中CO引起的熱量損失增加，排煙溫度升高，鍋爐熱效率下降。

(2) 相同負荷下，鍋爐摻燒污泥會降低爐膛平均溫度(15 K左右)，但總體溫度分布與未摻燒時基本一致，即摻燒污泥不影響鍋爐爐膛溫度分布。結合該爐膛溫度集中于1號角的趨勢，建議后期合理安排污泥摻燒的位置，防止溫度偏差過大。

(3) 各負荷下，由于摻燒的污泥N、S含量比煙煤低，并且摻燒會造成爐膛溫度降低，摻燒后機組NOx、SO2的排放量有較小幅度的下降。

(4) 摻燒樣灰和摻燒樣渣的重金屬含量依舊達標，煙氣與飛灰中的二口惡英含量遠低于排放標準，這表明摻燒污泥仍可保證鍋爐運行符合環保要求。

(5) 各負荷下，摻燒污泥會增加混合燃料的結焦性，考慮到污泥的高含水率，如果后續增加污泥摻燒比例，建議實時觀察爐內結焦情況，加強鍋爐吹灰。

在燃煤機組中摻燒污泥，充分利用燃煤機組爐膛的高溫將污泥中的有害成分分解，并且利用污泥燃燒能量進行發電，可以實現城市污泥的減量化、無害化和資源化處理。污泥摻燒后的煙氣經過燃煤機組的尾部煙道煙氣處理系統處理后直接外排，各項排放指標均能滿足有關的環保要求。如果后續繼續增大污泥摻燒比例，需要注重觀察爐膛溫度下降與爐膛內結焦的情況。