市政污泥與煤配伍(磨制)焚燒特性試驗

賈子秀,王志超,屠競毅,杜智華,李宇航,周廣欽,張喜來,姚 偉,譚厚章

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院 熱能工程系,陜西 西安 710054;2.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;3.陜西省燃煤電站鍋爐環保工程技術研究中心,陜西 西安 710049)

0 引 言

我國市政污泥產量隨城鎮化水平提高而不斷上升,由于污泥內大量病原菌、多環芳烴、重金屬等有害物質,其合理處置也愈發受重視。污泥處置方式大體包括填埋、土地利用、建材、焚燒等[1]。其中,焚燒因對污泥有害物質的無害化處置,減小污泥體積,成為最具發展前景的處置方式之一[2]。

燃煤耦合污泥發電作為焚燒處置的典型技術,具有處理量大、適應性強等特點,一定程度上解決了城市污泥處理難題。國家及地方相關主管部門相繼出臺了一系列相關鼓勵政策,包括且不限于電價補貼[3-5]。

國內外學者針對污泥與煤混燒開展了廣泛研究,蘇勝等[6]利用熱重法探究污泥及其與煤混燒的失重過程和燃燒特性,認為混燒特性在某些方面優于污泥與煤單燒,混燒方式可行。污泥燃煤耦合發電會對電站鍋爐運行產生一定影響:呂清剛等[7-8]在CFB鍋爐上開展混燒試驗,污泥混燒率增加,爐內NO生成量增加,對N2O影響較小,適當提高爐膛溫度,可降低N2O生成量,對NO生成量影響較小;降低污泥水分可提高燃燒效率,減少燃煤損耗;田甲蕊等[9]在CFB鍋爐上摻燒印染污泥,結果表明,污泥質量比增加1%,爐溫下降5.12 ℃,鍋爐熱效率降低0.78%,脫硫效率平均增加1.72%,煙氣NOx減少1.93%,煙氣中HCl增加3.33%,各排放指標均在合格范圍,灰渣中重金屬含量增加,建議摻燒比不超過20%;張成等[10]、朱天宇[11]、劉永付等[12]開展污泥與煤混燒的現場摻燒試驗與數值模擬,結果表明,摻燒一定比例的污泥對煤粉鍋爐正常運行影響較小,一定比例內混合燃料燃燒特性與煤的性質相近,大比例摻燒會導致入爐水分大幅增加,使爐膛溫度降低,飛灰含碳量上升,燃料燃盡變差,NOx一定程度增加;狄萬豐等[13]、魏林清[14]對摻燒污泥時機組運行參數進行優化,結果表明,燃煤電站摻燒污泥需嚴格控制污泥含水量(污泥比例),避免因入爐燃料水分過高導致磨煤機干燥出力不足、輸煤系統堵塞、爐膛溫度降低,影響機組安全穩定運行。

此外,城鎮污泥中的毒害重金屬,如Hg、As、Cd、Cr等,在摻燒過程中不易揮發的成分會聚集在大渣中排出,易揮發的成分會聚集在飛灰中或隨煙氣排出[15-16]。重金屬元素分布在鍋爐不同位置的灰渣中濃度不同。其中,Hg、As、He因其易揮發特性,燃用后以氣態形式出現在煙氣中,Pb、Cu、Cr、Ni沸點較高,更易留在大渣中, Cd沸點較低,大部分聚集在飛灰中,少部分在大渣中。與污泥相比,灰渣中的重金屬元素并沒有更強的浸出性和毒性,因此可進一步資源化利用[17-18]。

從實驗室角度出發,分析不同污泥摻燒比例對原煤磨制特性、燃燒特性的影響,結合現場摻燒試驗,更加系統全面地研究摻燒污泥對煤粉鍋爐各系統的影響,為后續現場開展更高比例的污泥摻燒提供依據與參考。

1 研究方法

在磨煤機試驗臺上對摻燒污泥后混合樣品磨制特性展開研究,在著火溫度測試試驗臺上研究污泥摻入比例對著火特性的影響,基于一維火焰爐試驗臺分析摻入不同比例污泥對混合燃料燃盡特性、結渣特性的影響;隨后在現場開展污泥摻燒驗證試驗,對燃煤電廠輸煤系統、制粉系統、燃燒系統、汽水參數、鍋爐效率、輔機運行、灰、渣與石膏的再利用、污染物生成等方面展開系統研究。

2 混合燃料燃燒特性

2.1 試驗燃料

選取電廠常用劣質煙煤,與污泥摻混后進行相關試驗研究。污泥來自污水處理廠,污泥樣品全水為83.56%。磨制試驗臺為無干燥熱源的試驗鋼球磨,污泥磨制前需進行晾曬處理,將干燥污泥與燃煤摻混后進行試驗。

煙煤、干燥污泥的煤質指標見表1,所選燃煤為中等熱值、中高揮發分、低灰分煙煤。干燥后污泥為中等灰分,高揮發分、低熱值燃料[19]。干燥污泥摻入后,燃料中灰分升高、揮發分升高、硫分升高、熱值降低。

表1 燃料的工業分析與元素分析

將燃煤與干燥污泥進行摻混,目前已摻燒污泥的電廠,摻燒比例通常不高于10%,考慮到試驗代表性,試驗樣品中污泥占比分別設定為0、5%、10%、20%。

2.2 磨制特性試驗

試驗裝置采用小型鋼球磨,混樣晾曬后放入磨中進行磨制。通過磨制相同時間后測試不同樣品的煤粉細度(R200與R90),分析污泥摻入對煤樣可磨性的影響。

混合樣品磨制特性試驗結果如圖1和2所示,在鋼球磨中磨制90 min,摻入污泥比例越高,煤粉細度越粗。

圖1 摻配樣品R200變化Fig.1 Change of mixed sample R200

圖2 摻配樣品R90變化Fig.2 Change of mixed sample R90

將摻入污泥后的樣品繼續研磨,磨至與原煤相近的細度,煤粉細度與均勻性見表2(n為煤粉均勻性指數),在磨制相近細度下,污泥摻入比例對煤粉均勻性影響較小。摻入比例越高,混合燃料可磨性降低,磨制相同細度燃料能耗增加。

表2 各比例下煤粉的細度與均勻性

2.3 燃燒特性試驗

燃料燃燒分為著火、燃燒和燃盡3個過程,著火、燃盡對燃煤機組鍋爐安全和經濟運行尤為重要,是新機組設計和已運行機組摻燒的重要參考依據[20]。

2.3.1 試驗裝置

利用著火溫度測試試驗臺測試混合樣品的著火溫度,通過一維火焰爐試驗臺測試混樣的燃盡率[21]與結渣特性[22]。

著火溫度測試試驗臺如圖3所示,包括爐體、送風機、引風機、給粉機、除塵器及控制系統組成,系統配有空氣流量、壓力、溫度監測。

圖3 著火溫度測試爐及系統示意Fig.3 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system

一維火焰爐燃燒測試平臺包括給料裝置、送引風裝置、爐本體、除塵器、控制系統等,如圖4所示。

圖4 TPRI煤粉燃燒一維火焰爐試驗臺Fig.4 One-dimensional flame furnace combustion test bench of TPRI pulverized coal

2.3.2 試驗條件

試驗樣品試驗前為空干基狀態,煤粉細度R90(%)按如下標準控制:

(1)

2.3.3 試驗混樣燃燒特性

根據測定的樣品著火溫度判斷樣品著火性能標準見表3。

表3 著火性能分級

不同比例混樣的著火溫度如圖5所示,原煤著火溫度為460 ℃,屬極易著火煤種。摻入污泥后,樣品著火溫度隨污泥比例提高而升高,污泥比例5%、10%、20%、100%樣品著火溫度分別為483、494、496、518 ℃。

圖5 摻配樣品著火溫度變化Fig.5 Ignition temperature change of mixed sample

向燃料中摻入污泥,污泥的高灰分對燃料著火具有阻燃作用,使燃料著火溫度升高、著火特性變差。

2.3.4 試驗混樣燃盡特性

在一維火焰爐上測定煤種的燃盡性能,燃盡性能的計算、評價方法見GB/T 39833—2021《煤的燃燒特性測定方法 一維爐法》。

一維火焰爐測試燃盡率結果見表4,原煤燃盡率為99.35%,屬極易燃盡煤種,摻入污泥后,混合燃料燃盡率呈下降趨勢。摻入20%的污泥,混合燃料燃盡等級由極易變為易。

表4 樣品燃盡率

摻入干燥污泥,混合燃料揮發分較原煤略有提升,揮發分的提升有助于燃料燃盡率的提高。但摻入高灰分污泥,灰分在燃燒初期對燃煤劇烈燃燒具有減速降溫作用,大比例摻燒污泥一定程度上會降低燃料燃盡率。

2.3.5 試驗混樣結渣特性測試

試驗采用一維爐結渣工況,結渣性能的計算、評價方法見DL/T 1106—2009《煤粉燃燒結渣特性和燃盡率一維火焰爐測試方法》[23]。

為區分探針表面結渣程度,測試其表面附著灰渣黏結緊密程度,從強到弱分為熔融、黏熔、強黏聚、黏聚、弱黏聚、微黏聚與附著灰7個形態。根據煤粉結渣特性評價指標Sc對試驗煤種進行結渣性能判別,Sc判別評價指標見表5,計算公式如式(3)、(4)。

表5 一維爐判定煤粉結渣特性分級

(3)

(4)

式中,Nmax為結渣最重渣型賦值,Tmax為結渣最嚴重等級渣棒對應的煙溫,如果等級相同,取最低溫度;T2為結渣次高等級渣棒對應煙溫,如果等級相同,取最較高溫度。

當結渣最嚴重與次嚴重的渣型相差1個等級時,采用式(3),當結渣等級相差2個及以上等級時,計算采用式(4)。其中N取值見表6。

表6 N取值

圖6為各煤種渣棒表面結渣形態對比,渣棒從左到右對應爐膛的頂部到底部測點。各樣品在1 200 ℃左右均出現熔融渣型,試驗時的煙溫與渣型、各煤種結渣指數Sc見表7。

表7 樣品結渣溫度與渣型

根據Sc結渣判別標準,以上4種煤結渣指標Sc均大于0.65,屬于嚴重結渣傾向。摻入污泥會加重燃料結渣傾向,摻入比例越高,混合燃料結渣傾向越嚴重。

與純煤相比,隨污泥比例提高,混合燃料的灰分升高,沉積到結渣探針表面的灰渣量增加,飛灰濃度升高,結渣傾向加重,摻燒污泥時需關注高比例摻燒帶來的結渣問題。

3 現場試驗

3.1 試驗燃料

在江陰某電廠鍋爐(SG-420/13.7-M417A超高壓自然循環汽包鍋爐)上開展了污泥摻燒試驗。外供污泥經過簡單脫水處理后入廠,水分在40%,目前電廠缺少干化設備,故以直摻方式進行試驗。

摻配試驗時維持鍋爐蒸發量不變,摻燒比例從6%開始,對系統各部分設備適應性進行評估,如對正常運行有較大影響,立即停止試驗;設備適應性良好則加大污泥摻燒量。試驗過程中摻燒量增至10%,基于生產安全考慮以及10%摻燒量已完全滿足現階段污泥處理量要求,故不再進一步增加比例。

現場摻燒試驗條件下,不同污泥摻燒比例下的入爐煤質見表8?？芍S污泥比例增大,水分、灰分、揮發分、全硫均升高,熱值下降。熱值變化導致入爐煤量變化,摻燒10%污泥,煤量增加8.46%。

3.2 對輸煤系統的影響

擬摻燒污泥全水40%,為顆粒狀,可直接在煤場或上煤過程中摻混。不同污泥摻燒比例下給煤機輸送帶輸煤狀態如圖7所示。在試驗污泥摻燒比例條件下,輸煤帶上煤流均呈松散狀態,未出現煤流黏聚成團或水分過大引起的輸送不暢現象,整個輸煤帶、煤倉、落煤管、給煤機等均未出現堵塞現象。

圖7 摻入污泥后給煤機輸送帶狀態Fig.7 Status of coal feeder belt after adding sludge

3.3 對制粉系統的影響

在現場摻燒試驗中,制粉系統采用抽爐煙混合干燥方案,其主要運行參數見表9(甲、乙為鍋爐風機設備編號)。在試驗范圍內,隨污泥摻燒比例提高,入磨燃料水分增加,為維持磨煤機出口溫度在安全范圍并留有一定余量,磨煤機進口風溫逐漸上升,磨煤機出口風溫、電流、壓差、粉倉溫度等都在正常水平。綜合來看,試驗范圍內制粉系統能夠正常運行。

表9 制粉系統運行參數

鍋爐制粉系統對摻燒6%、8%和10%比例的污泥整體上適應。污泥摻燒對制粉系統的主要影響在于以下2方面:① 污泥水分偏高影響制粉系統干燥出力;② 污泥熱值低造成入爐燃料總量增加影響制粉系統研磨出力。

3.4 對鍋爐效率的影響

現場摻燒試驗見表10。 現場摻燒試驗表明,摻燒6%、8%和10%污泥,修正后的鍋爐效率分別提高0.56%、0.73%、0.58%。說明污泥摻燒比例小于10%,對鍋爐燃燒效率影響較小,試驗過程中并未出現影響鍋爐燃燒穩定性的情況。

表10 鍋爐主要運行指標

3.5 對汽水參數的影響

不同摻燒比例下的鍋爐汽水參數見表11。鍋爐主、再熱蒸汽參數均可達正常值,過熱器、再熱器減溫水量(開度)隨污泥摻燒比例的提高而增加,主要原因是由于污泥熱值低,摻燒后燃料量增加,煙氣量增加,使對流換熱增強。

表11 汽水系統參數

3.6 對燃燒和結渣的影響

不同污泥摻燒比例下的爐膛溫度如圖8所示。爐內高溫區主要集中在燃燒器區域,該位置也最易結渣。由于污泥熱值較燃煤偏低,因此摻燒污泥后爐內燃燒強度下降,與空白試驗相比,摻燒污泥后爐膛不同標高溫度均有所降低。與空白試驗相比,摻燒10%污泥的最大溫度降低約60 ℃。

圖8 爐膛溫度隨摻燒比例的變化Fig.8 Change of furnace temperature with the proportion of mixed combustion

3種污泥摻燒比例下的屏區狀況如圖9所示。可見在3種摻燒比例下,屏區管子均清晰可見,干凈無渣。燃燒器區水冷壁狀況無法肉眼觀測,但從爐膛溫度測試結果分析,未出現明顯的結渣加劇。綜合分析,摻燒10%以內的污泥,對爐內燃燒基本無影響,不會引起爐內結渣加重等情況。

從灰分角度來看,在實驗室摻入20%干污泥,相當于40%水分的污泥摻燒比例達到30%,摻入比例較高,實驗室結果變化較明顯。同時,由于水分的影響,現場燃用過程中爐溫降低,摻入10%的污泥,未觀察到明顯的結渣加重現象。

3.7 對鍋爐輔機運行的影響

分別摻燒6%、8%、10%污泥后,計算得到總煙氣量分別變化0.996%、-2.500%、-2.100%,摻燒10%左右比例污泥對一次風機、送風機、引風機基本無影響,一次風機、送風機、引風機基本不需要考慮污泥摻燒帶來的影響。

污泥直接送入鍋爐燃燒,污泥中的有毒有害物質在高溫條件下基本完全分解,燃燒后的煙氣中H2S和NH3濃度非常小,不會對送風機的葉片造成腐蝕。因此不會對送風機葉片安全運行造成威脅,但需加強對送風機葉片的定期檢查工作。

3.8 對飛灰、大渣、石膏的影響

分別取摻燒6%、8%、10%污泥后的飛灰、大渣、石膏樣品進行檢測,飛灰、大渣、脫硫石膏中檢測的氰根離子及烷基汞結果見表12,銀、鋇、鈹、鎘、鉻、鎳、鉛、銅、鋅、六價鉻、硒、砷、汞、氟離子等的檢測結果見表13。

表12 飛灰、大渣、石膏中氰根離子及烷基汞含量

表13 飛灰、大渣、石膏浸出毒性檢測結果

飛灰、大渣、石膏中所含固廢及危廢含量都在排放限值以內,滿足國家標準要求。因此,本項目摻燒10%左右比例的污泥不會影響飛灰、大渣和石膏的品質和利用。

3.9 對鍋爐污染物生成的影響

污泥摻燒對污染物生成的影響,在現場摻燒試驗中,分別取摻燒6%、8%、10%比例污泥前后的污染物排放進行檢測,見表14。

表14 污染物排放指標

與摻燒前相比,鍋爐摻燒6%、8%、10%比例污泥后的情況為:

1)脫硝入口NOx生成濃度基本無變化、甚至略有降低。

2)脫硫入口SO2生成濃度隨著污泥摻燒比例的增加逐漸升高。

3)煙氣中的二噁英毒性當量最高為0.038 ng/m3(11% O2,以TEQ計),遠低于GB18484—2001《危險廢物焚燒污染控制標準》規定的0.5 ng/m3(11% O2,以TEQ計)以及GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規定的0.1 ng/m3(11% O2,以TEQ計)二噁英排放標準。

4)煙氣中HCL、HF最高值為2.5、0.23 mg/m3,均遠低于GB 18484—2001《危險廢物焚燒污染控制標準》以及GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規定的排放標準。

5)從排放濃度看,煙塵≤10 mg/m3,SO2≤35 mg/m3,NOx≤50 mg/m3,可達到《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中規定的超低排放標準要求。二噁英、HCl、HF排放濃度要求也都在相關國家標準規定的限值以內。

因此,在試驗范圍內,摻燒污泥后煙氣NOx、SO2、煙塵、二噁英、HCl、HF排放濃度均滿足國家標準要求。

4 結 論

1)向原煤中摻入干污泥,摻入比例越高,入爐燃料可磨性越低?，F場摻入比例10%及以下污泥,制粉系統受到影響較小。

2)隨干污泥摻入比例提高燃料著火溫度升高,燃盡率下降,摻入20%干污泥,燃料燃盡率下降1.5%;隨摻燒比例提高,燃料結渣傾向加重。現場摻燒試驗,摻入10%及以下污泥,爐內燃燒穩定,爐溫降低,對于燃料燃燒性能影響較小,未出現嚴重的爐內結渣情況。

3)污泥現場摻燒試驗,摻燒比例10%及以下時,機組的輸煤系統、制粉系統能夠正常安全穩定運行,對鍋爐運行效率整體影響不大,不影響鍋爐燃燒穩定性,鍋爐的汽水參數正常,輔機運行正常;飛灰、大渣和石膏的重金屬浸出毒性檢測均遠低于排放限值,污泥的摻燒不會影響飛灰、大渣和石膏的品質和利用;煙氣中NOx、SO2、煙塵、二噁英、HCl、HF濃度均滿足國家標準要求。

4)污泥小比例摻燒在現役機組上應用較廣,對機組整體運行影響較小。進一步提高污泥摻燒比例時,仍需注意制粉系統的干燥出力與研磨出力核算,以滿足出力裕量要求;同時需監測爐膛煙溫變化及管壁結渣情況、污染物排放情況,合理安全地解決市政污泥處置問題。