污泥摻燒對墻式切圓鍋爐的影響分析

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)

近年來，城鎮化進程帶來生活污泥污水產量逐步增加，預計到2025年我國污泥產量將突破9 000萬t，如何正確處理污泥成為未來工作的重中之重[1]。燃煤機組耦合污泥摻燒因為其無害化處理且回收焚燒熱量的優勢，逐漸得到廣泛應用。

針對污泥與煤摻燒方面的研究越來越多，已有的研究結果表明[2-3]，當污泥摻燒比為10%左右時，摻混樣品的失重行為與煤相似，綜合燃燒性能最好。與電廠的實際摻燒試驗也表明[4-6]，鍋爐摻燒低比例污泥時，對鍋爐效率和煙氣排放影響不大，當鍋爐負荷一定時，污泥對鍋爐運行產生的影響隨其含水率的增大而增強。

研究表明，渦耗散模型可以有效適應高含水率污泥摻燒對鍋爐的實際影響[7-8]。數值仿真計算可以較好地反映不同摻燒情況對鍋爐產生的實際影響[9-11]，通過研究摻混不同含水率的污泥對鍋爐燃燒特性和污染物排放特性的影響，使得摻燒一定比例含水污泥對鍋爐的影響在可接受范圍內。

筆者以國內某660 MW墻式切圓鍋爐摻燒污泥試驗為原型，對比實際運行數據，建立渦耗散模型，分析了污泥不同摻燒比和摻燒方式對爐膛溫度場和煙氣成分的影響，結合數值模擬和熱力計算結果，為實際鍋爐摻燒污泥提供理論指導和借鑒。

1 試驗條件

試驗采用含水率12%的煙煤與污泥摻燒。試驗過程中，通過混合機和輸送皮帶，并依靠鍋爐一次熱風加熱干燥燃料中的水分，混合燃料直接送入鍋爐。

根據標準GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗規程》，在660 MW負荷下進行污泥摻燒試驗，維持D磨的摻燒比為11.1%，其總體的摻燒比為1.76%。燃料消耗情況如表1所示。試驗中煙煤與污泥的樣品元素和工業分析見表2，認定污泥在煤場已均勻混合。

表1 試驗工況Tab.1 Test conditions

表2 煙煤和污泥樣品的元素和工業分析Tab.2 Proximate and ultimate analysis of bituminous coal blending samples

2 數值仿真

本次試驗與模擬采用某660 MW墻式切圓鍋爐，24組燃燒器布置于四面墻上，鍋爐本體與燃燒器布置詳見圖1。

圖1 鍋爐本體結構與燃燒器噴口布置Fig.1 Boiler body structure and burner nozzle layout

2.1 網格無關性驗證

網格疏密性是影響計算精度的重要參數，筆者以不同網格密度繪制了4種網格算例(見圖2)，通過對比沿爐膛高度橫截面平均溫度，可以得出網格數較多的3例結果相近，綜合考慮，選取網格總數為163萬。

圖2 沿爐膛高度方向溫度分布Fig.2 Temperature distribution along furnace height direction

2.2 邊界條件與模擬工況

鍋爐運行工況為鍋爐額定工況(BRL工況)，所有磨煤機工作，總燃料量保持在261.42 t/h。過量空氣系數為1.15，一次風占總風量的30%，燃盡風占總風量的30%，每層濃淡一次風口的燃料配比為0.7/0.3，一次風溫為343 K，二次風及燃盡風風溫為600 K。

考慮到電廠后續污泥摻燒試驗希望進一步增加摻混比，數值仿真模型擬由試驗時的D層摻燒比1∶8逐步增加到摻燒比1∶1，即污泥總摻燒比由1.75%逐漸增加到11%，探究在單層磨煤機增加污泥摻燒比對鍋爐燃燒特性的影響，以及在該摻燒比下，以不同摻燒方式混入污泥對鍋爐的影響，對比模擬工況見表3。

表3 模擬工況Tab.3 Simulated working condition

3 污泥摻燒比對燃燒特性的影響

以試驗工況一、工況二的實測數據作為對照，驗證數值仿真結果的合理性，并預測分析更高的摻燒比對鍋爐的實際影響。

3.1 對爐內溫度場的影響

為了探究摻燒污泥對鍋爐爐膛溫度場的實際影響，試驗選取爐膛標高43 m處，對SOFA燃盡風下側進行測溫，具體溫度分布見圖3。

(a) 工況一

(b) 工況二圖3 實測溫度分布Fig.3 Distribution of measured temperature

根據本次摻燒性能試驗可以看出，燃煤機組污泥摻燒比為1.76%時會造成燃盡風下側區域約16 K的溫度降幅。

根據所研究鍋爐的實際條件，1號角溫度偏高，后續摻燒更高比例污泥時，可適當調整摻燒位置，利用污泥熱值較低的特性均衡爐內四角的溫度差。

基于模型合理性，在D層磨煤機逐步提高污泥摻混比，得到D層噴口所在高度橫截面溫度場分布，如圖4所示。由圖4可知，燃料由墻上4個噴口噴入，在爐膛內部形成了清晰的環狀區域，爐內溫度最高的位置位于環狀區域，并且燃料射流著火后在旋流的作用下盤旋上升，爐膛中心與四角溫度相對較低，這基本符合墻式切圓鍋爐的燃燒特征。

圖4 摻燒比對溫度場的影響Fig.4 Influence of blending ratio on temperature field

圖5給出了鍋爐沿爐膛高度各橫截面平均溫度分布。從圖5可以看出，隨著污泥摻燒比的增大，爐膛內各部分溫度均有不同幅度的降低。當摻燒比為1.75%，爐膛標高43 m處溫度下降約為11 K，與圖3實際測溫下降幅度基本相符。當摻燒比為11%時，爐膛整體平均溫度下降約50 K，最大溫差在標高37 m處，下降幅度約為96 K。

圖5 不同污泥摻燒比下溫度沿爐膛高度的分布Fig.5 Temperature distribution along the furnace under different mixing ratios

此外，由于污泥本身的固定碳含量低，燃燒過程主要依賴于揮發分的析出[12]，因此鍋爐實際摻燒中，污泥會較早地釋放揮發分至完全燃燒，正向促進混合燃料的氣化反應[13]。從而對溫度場產生影響，摻燒層上部的平均溫度下降幅度偏低，而燃盡區上部由于燃料過早燃燒完，爐膛溫度持續降低。

3.2 對煙氣成分的影響

在試驗分析摻燒污泥后，測量機組脫硝進口處NOx、SO2以及空氣預熱器進出口的O2及CO2含量變化情況，結合分散控制系統(DCS)讀數，具體煙氣成分測量結果如表4所示。

表4 煙氣測量結果Tab.4 Measurement results of flue gas

與工況一相比，工況二的空氣預熱器進出口O2體積分數上升約0.3%，出口CO2體積分數降低，出口CO體積分數增大27.06%。考慮到對照工況下，總風量的變化不大，摻燒污泥后，燃料對空氣需求增加。

結合表5數據，取數值仿真出口截面的NOx質量濃度與實測值進行對比，2種試驗工況下NOx質量濃度的模擬結果較實測值略低，但在誤差范圍內，并能較好地反映NOx質量濃度變化趨勢。

表5 不同污泥摻燒比下的爐膛出口參數Tab.5 Furnace outlet parameters under different mixing ratios

摻燒污泥后，SO2質量濃度下降不到10 mg/m3，分析原因大致有以下幾點：(1) 污泥的含硫量較煙煤低；(2) 污泥呈堿性，堿金屬含量較高，起到了固硫的作用；(3) 污泥在干燥基下揮發分較高，大量揮發分在燃燒初期釋放，消耗了O2，抑制了硫元素的轉化。

NOx質量濃度的下降則主要是由于污泥摻燒引起的爐膛平均溫度下降，且污泥揮發分較早析出后消耗O2也會抑制氮元素的氧化反應。

鑒于數值模擬效果較好，擬用該模型研究摻燒比增大后，爐內NOx質量濃度和O2體積分數沿爐膛高度的分布情況，如圖6所示。可以看出，隨著污泥摻燒比的增加，爐內O2體積分數增大，NOx質量濃度降低。

(a) O2體積分數

(b) NOx質量濃度圖6 不同污泥摻燒比下煙氣成分沿爐膛高度的分布Fig.6 Distribution of flue gas composition along the furnace under different mixing ratios

在鍋爐摻燒不同比例污泥的背景下，爐膛出口參數見表5，隨著污泥摻燒比的增加，混合燃料燃盡率下降，當污泥摻燒比達到11%時，與不摻燒污泥相比，出口溫度下降25 K，NOx質量濃度下降22%。

3.3 對鍋爐效率的影響

由入爐燃料元素及低位發熱量、煙氣成分分析測試結果、若干DCS數據和表盤所讀以及實測的出口煙氣溫度分別計算，得到各工況下鍋爐效率及各項損失如表6所示。

表6 排煙溫度及各項損失Tab.6 Exhaust gas temperature and boiler loss

從表6可以看出，燃煤機組在相同負荷下摻燒低比例污泥，實測排煙溫度升高2 K左右。主要原因是摻燒污泥后爐膛內煙氣溫度降低，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氣溫度降低至摻燒污泥前的溫度水平，最終導致排煙溫度升高。

由于污泥灰分和含水率較高，會引起鍋爐效率小幅下降。高負荷下，效率損失主要集中在干煙氣熱損失和煙氣中CO的熱損失，2項合計降低鍋爐總體效率約0.28%。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。

由上述分析可知，若機組煤耗取值300 g/(kW·h)，此時機組煤耗約升高0.28/93×300=0.903 g。

污泥摻燒比增加后，可以預見，排煙溫度將繼續升高，干煙氣損失增大，鍋爐效率進一步下降。

4 摻燒方式對燃燒特性的影響

考慮到電廠實際運行時，污泥進料口位置的不同，在總摻燒比11%不變的情況下，研究污泥不同摻燒方式對爐膛燃燒的影響， 得到爐膛中心截面與D層噴口所在高度橫截面速度場和溫度場的分布，如圖7和圖8所示。可以看出，在維持11%總摻燒比的前提下，隨著摻燒入口的增加，單層摻燒比例的降低，D層的含水率下降，燃料黏滯性下降，爐膛中心速度小幅上升。爐膛整體平均溫度和D層溫度均不斷上升，這是由于低熱值污泥會降低摻燒層的溫度，如果降低每層的摻燒比，每層因此下降的溫度量降低，整體受污泥摻入的影響程度減小。

圖7 不同摻燒方式對溫度場的影響Fig.7 Effects of different burning methods on temperature field

圖8 不同摻燒方式對速度場的影響Fig.8 Effects of different burning methods on velocity field

不同摻燒方式下各橫截面溫度和煙氣組分數據如圖9所示。由圖9可知，隨著污泥摻燒方式的分散，爐膛煙氣溫度總體升高，并均在相應摻燒的入口高度處下降，由于混合總燃料量相近，O2的消耗情況基本相似。對比BC層與DE層摻燒，當污泥摻燒層較低時候，燃盡風上側溫度偏高。

(a) 煙氣溫度

(b) O2體積分數

(c) NOx質量濃度

污泥從不同磨煤機摻入爐膛引起的出口參數變化如表7所示。在11%總摻燒比下，增加磨煤機摻燒層數，減少每層燃燒器噴口的摻燒比，可以有效提高出口溫度，對比僅在D層和BCDE層摻混2個工況，出口溫度了提高13 K，NOx質量濃度提高5.9%。

表7 不同摻燒方式對爐膛出口參數的影響Tab.7 Influence of different burning methods on furnace outlet parameters

比較BC層和DE層摻混2個工況，相同總摻混比下，降低污泥摻燒層，能讓污泥在爐內混燒的時間更久，可以提高爐膛出口溫度4 K，而NOx質量濃度基本維持不變。

5 結 論

(1) 由于污泥熱值較低且含水率高，摻燒污泥后，鍋爐燃盡飛灰中可燃物成分升高，干煙氣熱損失和煙氣中CO的熱損失增加，排煙溫度升高，鍋爐整體熱效率下降，煤耗增加。

(2) 隨著污泥摻燒比的增大，爐膛平均溫度下降，摻燒比達到11%時，平均溫度下降約50 K，出口NOx質量濃度下降22%。

(3) 在相同總摻燒比下，適當增加摻燒磨煤機數量，降低單層燃燒器污泥摻混比，可以有效優化爐內摻燒條件，提高主燃區平均溫度，提高爐膛出口溫度，降低爐膛出口NOx質量濃度。