300MW亞臨界燃煤鍋爐污泥摻燒性能試驗研究

文_韓俊剛 山西晉環科院環境資源科技有限公司

近幾年，國內關于燃煤電廠污泥摻燒進行了許多研究，但由于目前國內燃煤耦合污泥發電技術還處于試點階段，缺乏實際不同污泥摻燒比例對鍋爐經濟性、安全性的影響研究，因此本文基于廣州某電廠污泥摻燒鍋爐性能試驗，研究2個機組高、低負荷下（70%、100%），不同摻燒比（0%、5%、7%、10%）對300MW亞臨界燃煤鍋爐實際運行情況和污染物排放情況的影響，為同類型燃煤鍋爐摻燒污泥提供了借鑒。

1 污泥摻燒試驗

1.1 試驗燃料

試驗煤種采用山西大同煙煤，摻燒污泥來自廣州及新塘周邊生活污水處理廠，污泥初始含水率在40%左右。

1.2 試驗系統

該電廠330MW機組鍋爐是東方鍋爐廠設計制造的DG1080/17.4-II6型鍋爐。鍋爐型式為亞臨界參數、汽包自然循環、四角切圓燃燒、直吹式制粉系統、一次中間再熱、擺動燃燒器調溫、平衡通風、單爐膛“π”型布置、全鋼架全懸吊結構、緊身封閉、爐頂帶金屬防雨罩、固態排渣煤粉爐。該電廠330MW機組脫硫系統采用“單塔雙循環石灰石-石膏濕法”脫硫技術，采用“低氮燃燒+SCR”脫硝工藝，采用“兩層催化劑+一層催化劑”的方式；除塵系統采用“2電+2袋+濕式電除塵器”。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗內容

本次試驗依據《電站鍋爐性能試驗規程》（GB/T10184-2015）進行，分別進行了鍋爐70%、100%機組負荷下，污泥摻燒比例（總質量占比）為0%、5%、7%、10%的多項試驗。試驗工況見表1。

表1 試驗工況一覽表

1.3.2 檢測內容

本次試驗主要測試摻燒前污泥和煙煤成分、熱值，摻燒時環境參數、機組主要運行參數、煙氣溫度和成分，摻燒后爐渣、飛灰、石膏成分。試驗前2h在輸煤皮帶上、煤場污泥堆放處（對應即將摻混到煙煤中的污泥位置）進行煙煤、污泥取樣，取樣量不小于4kg。試驗中，采用干濕球溫度計和膜盒式大氣壓力計在送風機入口附近每20min測量1次環境參數；采用表盤記錄方式每15min測量1次機組主要運行參數，主要包括機組電負荷、過熱蒸汽流量、過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、給水流量、給水壓力、給水溫度、過熱器減溫水量、再熱器減溫水量等；在SCR入口及空氣預熱器進、出口煙道上安裝煙氣取樣管和熱電偶，采用Ⅰ級K型熱電偶每10min測量1次煙氣溫度；采用橡膠管將每個取樣槍取得的煙氣樣經煙氣混合器混合后，送煙氣分析儀進行O2、CO、CO2等成分分析，每10～15min測量1次，網格法測量；采用等速取樣裝置在空氣預熱器出口煙道飛灰取樣測點按網格法取樣，每點采樣5min；爐渣取樣在爐底出渣口進行，試驗開始后每30min取樣1次。取樣有效時間與鍋爐試驗工況時間相等。

2 試驗結果分析

2.1 鍋爐燃燒特性分析

2.1.1 污泥摻燒后對煤質成分的影響

隨著污泥摻燒比例的增加，混煤低位發熱量、分析基碳分含量呈現逐漸降低趨勢，分析基灰分含量呈現逐漸增加趨勢。總體上看，將干化污泥摻燒比例控制在10%以內，污泥摻燒對煤的煤質成分影響不大。

2.1.2 污泥摻燒后對爐膛燃燒溫度的影響

結合圖1和圖2，對比不同摻燒比例下各層燃燒器區域溫度，發現在高負荷下，污泥摻燒比例為5%時，比未摻燒污泥高了26～81K，相對來說溫度變化較小；7%、10%污泥摻燒比例下，主燃燒器區域溫度整體上比未摻燒污泥時高。在低負荷下，當污泥摻燒比例為5%、10%時，各層燃燒器區域溫度整體上比摻燒比例為0%、7%時高，分別比未摻燒污泥高了32～145K、50～144K；7%摻燒比例下，各層燃燒器區域溫度變化最大，在D層燃燒器區域溫度出現明顯下降。

從測量結果上看，高負荷下，當摻燒污泥比例為5%時，ABC這3臺磨的給煤量大于未摻燒污泥，一次風壓也隨之增加，使得燃燒器區域的燃燒強度增加，煙氣溫度有所增加。在燃盡風區域DE層處，由于摻燒污泥后燃料揮發分成分高，較易燃燒，燃料提前燃燒導致后期燃料不足，且隨著摻燒比例的增大燃料熱值逐漸減少，導致煙氣溫度下降，7%、10%摻燒比例溫度下降幅度比5%摻燒比例下降幅度大。

低負荷下，當燃燒比例為7%時，摻燒污泥的D磨給煤量大，達到31t/h，大于其余未摻燒磨煤機的給煤量，下三層燃燒器對D磨的燃燒支持較少，摻燒污泥的D磨對應的燃燒器著火穩定性相對較差，但是爐膛火檢強度沒有大的閃動，爐膛負壓波動幅度也較小，爐內的燃燒仍然是穩定的。

綜上所述，當摻燒干化污泥比例控制在10%以內，污泥燃燒特性引起的煙氣溫度變化較小，對鍋爐燃燒穩定性影響較小。

2.1.3 污泥摻燒后對飛灰和爐渣含碳量的影響

實驗發現，在高負荷下，不摻燒污泥時飛灰和爐渣含碳量（質量分數，下同）分別為2.1%和5.8%，隨著污泥摻燒比例增加至5%、7%、10%時，飛灰含碳量分別降低至1.2%、0.6%、0.8%，同時爐渣含碳量分別降低至3.8%、2.1%、1.3%。按照GB/T10184-2015規定的灰平衡比率（爐渣占比為10%，飛灰占比為90%）折算含碳量（見圖3），可以看出試驗期間小比例污泥摻燒后，隨著污泥摻燒比例的增加，有助于促進爐膛內燃料充分燃燒，提高燃料的燃盡率，從而減少飛灰和爐渣中未燃盡的碳含量。

在低負荷下，不摻燒污泥時飛灰和爐渣含碳量分別為1.1%和4.0%，隨著污泥摻燒比例增加至5%、7%、10%時，飛灰含碳量分別降低至0.4%、0.8%、0.7%，同時爐渣含碳量先降低至2.9%，隨著升高至6.8%，而后又降低至3.8%（見圖4）。從圖4可以看出摻燒比為7%時，爐渣中的可燃物含量略高于0%、5%、10%摻燒比例，這是因為7%污泥摻燒比例下，下層燃燒器對摻燒污泥對應的燃燒器支持力度小，燃燒器區域溫度降低，燃燒滯后導致燃盡率略微下降。

整體上，試驗期間鍋爐在試驗工況下進行小比例污泥摻燒，灰渣中可燃物含量變化較小，對鍋爐的整體燃燒效果影響較小。

圖1 100%負荷下各層燃燒溫度分布圖

圖2 70%負荷下各層燃燒溫度分布圖

圖3 100%負荷下飛灰、爐渣含碳量分布圖

圖4 70%負荷下飛灰、爐渣含碳量分布圖

2.1.4 污泥摻燒后對鍋爐熱效率的影響

在高負荷下，當污泥摻燒比為0%、5%、7%、10%時，鍋爐熱效率鍋分別為94.06%，93.96%，94.03%和 94.30%，修正后的鍋爐熱效率分別為 94.32%、94.38%、94.62 和 94.79%（見圖5）。總體上，鍋爐熱效率變化幅度很小，在0%～0.47%之間，基本沒有區別，說明當干化污泥摻燒比例控制在10%以內，高負荷下污泥摻燒未造成燃料燃盡率的下降，未影響鍋爐熱效率。

在低負荷下，當污泥摻燒比為0%、5%、7%、10%時， 鍋爐熱效率鍋分別為94.11%、94.30%、94.21%和 94.15%，修正后的鍋爐效率分別為 94.52%、94.75%、94.74%和 94.60%（見圖5）。綜合而言，污泥摻燒前、后，鍋爐熱效率基本一致。說明當干化污泥摻燒比例控制在10%以內，低負荷下污泥摻燒未造成燃料燃盡率的下降，未影響鍋爐熱效率。

圖5 各工況下鍋爐熱效率（修正后）變化規律示意圖

2.2 污染物排放特征

2.2.1 常規氣體污染物的排放情況

將廢氣處理設施處理前，煙氣中SO2、NOX的實測濃度通過計算轉化為含氧量為6%時的數值。當進行污泥摻燒時，SO2排放量會有增加的趨勢，但是隨著污泥摻燒比的繼續增加，由于污泥中的Pb含量較高帶來的自脫硫效果導致SO2的生成濃度開始下降。當進行污泥摻燒時，NOX排放量會有增加的趨勢，但是隨著污泥摻燒比的繼續增加時，燃料比（固態碳/揮發分）降低，影響燃料中N的釋放，造成的總體NOX生成濃度下降。從測量結果上看，混煤中含氯和氟的有機物和無機物含量較少，HF、HCl產生濃度較低，污泥摻燒后對HF、HCl生成濃度影響不大。

2.2.2 二噁英排放情況

從試驗期間污泥摻燒后二噁英的產生濃度來看，遠低于我國GB18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規定的0.1ngTEQ·m-3，能夠實現達標排放。

2.2.3 重金屬排放情況

重金屬在摻燒后，主要分布于底渣、飛灰、石膏及隨著處理后煙氣進入大氣環境中。對比底渣、飛灰、石膏及處理后煙氣中重金屬含量發現，燃料中的重金屬主要富集在底渣及飛灰中，煙氣處理后重金屬排放濃度滿足GB18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中的要求。

3 結論

①干化污泥具有熱值低、固定碳含量低、灰分含量高的特點，將污泥摻燒比控制在10%以內，對煤質成分影響不大。

②試驗期間，隨著污泥摻燒比從0%、5%、7%、10%逐漸增加過程中，未對鍋爐燃燒穩定性產生明顯影響，飛灰和爐渣含碳量有小幅度降低，鍋爐熱效率未發生明顯變化，說明試驗期間對鍋爐燃燒特性影響小。

③4個不同污泥摻混比下，SO2和NOx生成濃度呈現先略微上升后下降的趨勢，變化幅度較小，HF、HCl生成濃度未發生明顯化變化，二噁英生成濃度有所增加，經過廢氣處理設施處理后其排放均符合相關標準。

④污泥摻燒后，燃料中的重金屬主要富集在底渣及飛灰中，煙氣處理后重金屬排放濃度滿足國家標準要求。