某300MW機組亞臨界鍋爐摻燒污泥的可行性研究

孫 偉叢日成吳景興李彥龍王 巖焦 健

（1華電電力科學研究院東北分院 遼寧沈陽 110792國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院 遼寧沈陽 110179 3中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司 遼寧沈陽 110179）

某300MW機組亞臨界鍋爐摻燒污泥的可行性研究

孫 偉1叢日成2吳景興1李彥龍1王 巖3焦 健1

（1華電電力科學研究院東北分院 遼寧沈陽 110792國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院 遼寧沈陽 110179 3中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司 遼寧沈陽 110179）

本文闡述了某300MW亞臨界機組摻燒污泥技術的特點，介紹了污泥燃料特點和鍋爐摻燒污泥過程中可能出現的問題及解決方案，以及鍋爐摻燒污泥系統改造方案。

亞臨界；污泥；摻燒

引言

近年來，隨著國民經濟的飛速發展，污泥的處置已經成為各級政府日益關注的重大環保課題，各地也開始嘗試不同的污泥處置方法，但是與迫切需要處理的巨量污泥相比，還缺乏裝備大規模、可持續、無二次污染地處置污泥的技術設備的具體規劃。

1 某電廠污泥改造項目的背景

為徹底解決市里污水處理產生污泥的處置問題，某電廠和環保公司共同合作，采取側重于污泥熱干化加電廠焚燒的處置方式。污泥處置按照干化和焚燒分開的技術路線，污泥脫水、干化由環保公司在廠外完成，干污泥焚燒在電廠完成，即在廠內建設干污泥儲存倉、輸送裝置，并將干污泥與煤按適當比例進行摻配，然后投入鍋爐進行燃燒發電。

2 摻燒燃料熱力特性研究

污泥通常含水率為80%左右，低位發熱量在2000kcal/kg左右，熱值很低，無法直接燃燒。污泥干化后，含水率20～30%左右，其低位發熱量在2000kcal/kg左右，可以作為低品質輕質燃料，與煤摻混后作為摻混燃料直接進入鍋爐進行燃燒，從而既可以解決污泥的合理化處置問題，又可以節省鍋爐燃料消耗、降低機組發電成本。

2.1 摻混燃料的主要特性

干污泥、當前煤種和不同摻混比例的燃料特性見表1。

表1 干污泥、當前煤種與污泥摻混燃料特性

由表1可以看出：

（1）干污泥中揮發分和水分含量也很高，干污泥干燥無灰基揮發分含量在86～87%，收到基全水分含量在19～23%。

（2）干污泥中固定碳和熱值較低收到基固定碳含量在23%左右，收到基低位發熱量在9.5～10.1MJ/kg。

（3）干污泥中Fe和Hg等重金屬含量略高，說明原始污水中可能含有部分工業污水比例。

（4）干污泥15%比例摻混燃料的收到基水分比當前煤種分別高出2.31個百分點。

（5）干污泥15%比例摻混燃料的低位發熱量比當前煤種低了1.41MJ/kg。

2.2 污泥與煤摻混燃料特性

2.2.1 污泥與煤摻混燃料的燃燒特性

當污泥摻燒比例較大時，混合燃燒特性相似與污泥；污泥摻燒比例不大于1∶4時，混合燃燒特性與煤相等似[1]。可見，污泥在燃燒過程中，其高揮發分的析出對燃燒起主要作用，揮發分級越高的混煤燃燒性能越好。

2.2.2 污泥與煤摻混燃料的著火特性

不同比例的污泥和煤混合的著火性能處于單煤和單泥之間，隨著摻混比例的增加，混煤著火溫度略有降低。分析其原因，由于污泥中含有的大量揮發分，在較低溫度析出和燃燒，同時放出大量熱量，從而使著火溫度降低。因此，煤摻混污泥后著火性能比單煤更好。

2.2.3 污泥與煤摻混燃料的燃盡特性

對于燃煤鍋爐來說，煤粉的燃盡特性將直接影響鍋爐的燃燒效率和運行經濟性。煤的燃盡時間和燃盡溫度是反映煤燃盡特性的主要指標。燃盡時間越長，表明燃盡性能越差。

2.2.4 污泥與煤摻混燃料的結渣特性

從干污泥和煤摻燒后的鍋爐結渣情況考慮，污泥的摻混比例不宜過高。當摻混比例不大于1:4時，屬于輕微結渣，當摻混比例大于1:4時，屬于中等結渣。因此，對于摻燒污泥的鍋爐，應保持適當的摻燒比例以有效防止鍋爐結渣。

2.2.5 污泥與煤摻混燃料的爆炸特性

根據《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》規定，煤粉的爆炸特性與煤的易燃性、灰分、水分、煤粉細度、氣粉混合物的溫度和濃度、氣粉混合物的含氧量等因素有關。煤的爆炸性指數Kd綜合了煤的易燃性和灰分的影響，可代表煤在水分、煤粉細度、溫度、濃度、氣粉混合物的含氧量相同情況下的爆炸特性。煤粉爆炸特性和爆炸性指數的關系見表2。

通過公式計算得出，當前煤質和干污泥的爆炸性指數Kd分別為8.81和102.82，當前燃用煤種的爆炸性為中等，干污泥的爆炸性為極易爆；摻混15%干污泥的混煤煤粉爆炸特性指數Kd為17.46，混煤煤粉的爆炸性分別為極易爆炸。因此在干污泥輸送、儲存、摻燒過程中，應對系統采取防爆措施。

表2 煤粉爆炸性和爆炸性指數的關系

3 摻燒污泥主要技術問題

結合污泥和煤摻混燃料的特性加以分析，鍋爐摻燒污泥后可能遇到的問題有制粉系統爆炸、原煤倉和煤粉倉板結、鍋爐結焦、受熱面腐蝕等。

3.1 制粉系統爆炸

根據《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》計算，干污泥可列為極易爆煤質；當干污泥摻燒比例為15%時，屬于極易爆煤質。

電廠制粉系統原設計為中儲式，由于中儲式制粉系統設備較多和管線較長，較其他制粉系統相對復雜，更容易發生制粉系統著火、爆炸等事故，存在極大的安全隱患。

對于煤粉和空氣混合物，當燃料揮發分Vdaf＜10%時，一般沒有自燃和爆炸的危險；當燃料揮發分Vdaf＞20%時，燃料揮發分析出和著火溫度均較低，容易發生自燃和爆炸事故。

3.2 原煤倉和粉倉煤粉板結

干污泥和煤混合后燃煤水分增加，按15%比例摻混時制粉系統露點溫度最高46.4℃，煤粉容易粘結在原煤倉及粉倉上，嚴重時會引發生原煤倉和粉倉板結，給煤機斷煤和給粉機給粉不暢。

3.3 鍋爐受熱面的腐蝕和結焦

由于污泥中Cl和F等元素偏高，摻混燃料燃燒后產生HCl和HF比原來稍高，而且燃料中Cl、S及堿金屬的堿金屬含量增加，其化合物容易熔點較低，從而使鍋爐結焦傾向增加，容易導致水冷壁和過熱器的腐蝕、積灰和結焦。由于燃料中水分的增加，低溫受熱面易發生積灰、腐蝕。

若摻燒比例不合適，則有可能帶來鍋爐受熱面腐蝕和結渣趨勢增強等問題。因此應控制好摻燒比例，同時加強燃燒調整，若發生積灰和結焦嚴重，在主燃區增加吹灰器數量，增加防止結焦的輔助手段；同時對鍋爐受熱面腐蝕和結焦情況加強監控，應采取對鍋爐受熱面噴涂和吹灰系統優化等措施，進行防護。

4 鍋爐摻燒污泥系統改造方案

干污泥與原煤在輸煤皮帶混合，再經制粉系統碾磨后進入鍋爐燃燒的方案。

4.1 系統簡介

針對目前電廠實際情況，本項目需要新增污泥輸送系統，同時為保證制粉系統安全，也需要對制粉系統進行改造，即制粉系統保留原有的干燥介質，并引入一路惰化氣體至磨煤機入口作為干燥和惰化介質。

系統流程：干污泥經輸送系統至輸煤皮帶與原煤混合后進入爐前原煤倉，再經制粉系統研磨后，由制粉系統原有干燥劑和惰化氣體共同送入爐內燃燒。系統流程簡圖見圖1。

圖1 系統工藝流程簡圖

4.2 制粉系統防爆改造方案

由于干污泥揮發分較高，爆炸等級列為Ⅳ級，即屬極易爆炸煤種，在制粉系統碾磨、存儲和輸送過程中易發生爆炸。煤粉爆炸的基本條件是存在煤粉、一定的煤粉濃度和氧氣濃度、足夠的點火能量。制粉系統煤粉濃度均處于易爆范圍，而且中儲式制粉系統管線長、設備復雜，非常容易造成原煤在磨煤機入口堆積，以及煤粉在磨煤機出口至粉倉之間的設備上粘結，使得鍋爐摻燒干污泥后極易發生制粉系統爆炸，嚴重影響機組鍋爐的安全運行。因此，若有效消除制粉系統爆炸條件，只有在制粉系統中摻入惰化介質，進而大幅度降低氧氣濃度，使氧濃度降低至煤粉空氣混合物不能點燃的條件。

根據抽取爐煙點的位置不同，中儲式制粉系統惰化常用介質主要為熱爐煙和冷爐煙。由于摻混燃料的水分增加不多，結合根據現場實際情況，采用抽取冷爐煙作為制粉系統惰化介質，即從除塵器后（引風機出口）抽取煙氣進入制粉系統。這種方式都可有效控制粉系統終端含氧量控制在16%以下，滿足DL/T 5203《火力發電廠煤和制粉系統防爆設計技術規程》中有關要求。

5 結論

5.1 項目建設的可行性

污水廠污泥可以用于發電廠鍋爐焚燒發電輔助燃料。按照“節能減排”和“循環經濟”的思想，充分利用污泥所具有的熱源和余熱優勢和污泥自身所特有的熱值，對城市污水廠污泥進行資源化利用。同時，電廠摻燒干化污泥進行鍋爐焚燒發電，整個工藝過程既可以達到國家環保標準，又可以實現對城市污泥的無害化處理和資源化利用的目的。

因此，本項目建設是可行的。

5.2 項目建設的經濟效益、社會效益和示范效益

5.2.1 經濟效益

污泥摻燒項目建成投產后，總投資2490.8萬元，每年可帶來經濟效益2800萬元左右，1.23年即可為電廠收回投資成本。

5.2.2 社會效益

徹底杜絕了因污泥填埋對城市環境造成的二次污染，基本實現了城市污水處理廠污泥的零排放。

每年干化焚燒濕污泥26.4萬噸污泥填埋每3萬噸按8畝耕地計算，可為國家節省70.4畝耕地/年。

每噸干污泥綜合填埋費用按200元計算，可為國家節省約5280萬元/年。

利用干化污泥替代能源發電，每年節約煤炭資源2.03萬噸標煤。

5.2.3 示范效益

目前，全國大部分城市的市政污泥都沒有得到妥善解決。北京、上海、重慶等城市都面臨著急需解決的問題。本項目每天處理市政濕污泥800t/d，本項目的順利實施，會解決污水廠污泥對環境造成的二次污染，對全國大中型城市具有示范作用。

總之，本項目實施后將會產生巨大的社會效益、經濟效益和示范效益。

[1]華中科技大學-煤與污泥的混燃特性研究，華中科技大學碩士學位論文，2011．

孫偉(1975-)，男，碩士，高級工程師，主要從事火力發電廠鍋爐調試工作。