燃煤機組耦合蒸氣干化污泥能耗特性試驗

李 源，郭志成，趙鑫平，毛 睿，岑可法

(1.潤電能源科學技術有限公司，河南 鄭州 450052；2. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

0 引 言

“十四五”期間，我國將構建清潔化能源電力結構，煤電定位將由電量型電源向電力型電源轉變。煤電主動提升燃料靈活性是建立清潔低碳能源體系的重要舉措，也是實現(xiàn)自身轉型發(fā)展的重要方向。污泥作為污水處理廠的副產(chǎn)物，富集了污水中各種污染物，包含寄生蟲卵、病原微生物和有毒重金屬等[1]。燃煤耦合污泥發(fā)電技術是成熟的污泥處理利用技術，依托煤電高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中治理設施，實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化處理，促進電力行業(yè)低碳化、清潔化發(fā)展[2-4]。目前，常見的燃煤機組摻燒污泥方式主要分為污泥直接摻燒、污泥干化摻燒[5]。污泥干化摻燒工藝可有效避免污泥直接摻燒時存在的制粉系統(tǒng)堵塞、燃燒穩(wěn)定性降低、污泥處置量小等缺點。污泥干化工藝包括熱干化、生物質干化、太陽能干化等，其中，生物質干化和太陽能干化工藝能耗較低但受制因素較多，熱干化工藝應用最成熟且廣泛[6]。污泥熱干化技術主要分為直接干化、間接干化、直接-間接聯(lián)合干化[7]，其中，蒸氣間接干化技術具有處置量大、損失小、適應性強等優(yōu)勢，應用較廣泛[8]。

筆者針對某350 MW燃煤機組開展了蒸氣干化污泥摻燒性能試驗，蒸氣干化機將濕污泥分別干化至含水率60%、40%，并分析了污泥干化程度對鍋爐效率、廠用電率、汽機熱耗率、機組能耗率等的影響，為蒸氣干化污泥耦合發(fā)電機組能耗分析、優(yōu)化運行、成本核算等提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 試驗及研究方法

1.1 試驗系統(tǒng)及工況

在某350 MW超超臨界燃煤機組上，開展蒸氣干化污泥摻燒性能試驗。鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1136/25.4-YM1型、超臨界變壓直流、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構π型爐。設計煤種為煙煤。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置6層24只低NOx軸向旋流燃燒器。汽輪機采用東方汽輪機廠生產(chǎn)的CC350/239-24.2/1.9/1.05/566/566型、超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、兩級調整抽汽、凝汽式汽輪機。電廠自建污泥干化系統(tǒng)，配置2臺圓盤式干化機，單臺額定處理能力5.00 t/h。干化機蒸氣取自輔汽聯(lián)箱減溫減壓后，蒸氣壓力0.4～0.6 MPa，蒸氣溫度150～180 ℃。

蒸氣干化污泥耦合發(fā)電工藝流程如圖1所示。入場濕污泥通過卡車輸送至污泥儲倉儲存，經(jīng)由污泥泵輸送至干化機干燥，干化污泥輸送至干污泥倉暫存。機組摻燒污泥時，干污泥與原煤混合經(jīng)輸煤帶輸送至制粉系統(tǒng)進行研磨，研磨后的混合粉料經(jīng)粉管進入爐膛燃燒。試驗期間，機組負荷設定為263 MW，濕污泥處理量設定為8.00 t/h，在中間層燃燒器對應的2臺磨煤機摻混污泥。

圖1 蒸氣干化污泥耦合發(fā)電工藝流程Fig.1 Process flow of the power generation process coupled with steam desiccation sludge

為研究蒸氣干化污泥摻燒對機組能耗的影響，利用干化機將濕污泥含水率從80%分別干化至60%、40%。試驗期間，入場濕污泥摻燒量固定為8.0 t/h，而入爐污泥摻燒量隨污泥干化程度的增加而減小。當污泥含水率從80%分別干化至60%、40%時，入爐污泥摻燒量從8.00 t/h分別降至4.00、2.67 t/h。

1.2 燃料特征

試驗期間機組所用燃料為燃煤和污泥，燃煤為煙煤，污泥為污水處理廠產(chǎn)出的濕污泥。燃料工業(yè)分析及元素分析見表1。由于濕污泥含水率偏高，利用污泥高位發(fā)熱量核算其低位發(fā)熱量時扣除水蒸汽汽化潛熱導致濕污泥低位發(fā)熱量小于0，即濕污泥熱值為負值。試驗期間，利用蒸氣將污泥含水率從80%分別干化為60%、40%，其中，干污泥A含水率為60%，干污泥B含水率為40%?？芍勰喔苫鬅嶂得黠@提高。

表1 燃料特性

1.3 計算方法

機組摻燒污泥后，混合燃料品質下降，機組整體循環(huán)效率降低。同時，污泥具有一定熱值也會影響機組入爐燃煤量。燃煤耦合污泥發(fā)電機組能量平衡圖如圖2所示，其中，maQa、mbQb為系統(tǒng)輸入熱量；P為系統(tǒng)輸出有用功；TD為系統(tǒng)向環(huán)境介質放熱，即熱耗散或熱損失。其中，考慮污泥干化系統(tǒng)為電廠自建，將干化系統(tǒng)劃入機組能耗核算邊界內。根據(jù)機組能量平衡圖，采用正平衡方法分析機組能耗率，包括燃料耗率和燃煤耗率。其中，機組燃料耗率代表機組每生產(chǎn)1 kWh電能所消耗的燃料等效標準煤質量，機組燃煤耗率代表機組每生產(chǎn)1 kWh電能所消耗的燃煤等效標準煤質量。機組燃料耗率、燃煤耗率可表示為

(1)

(2)

式中，bf為機組燃料耗率，g/kWh；ma為入爐燃煤量，t/h；Qa為入爐燃煤熱值，MJ/kg；mb為入場污泥量，t/h；Qb為入場污泥熱值，MJ/kg；Q0為標煤熱值，MJ/kg；bc為機組燃煤耗率，g/kWh。

圖2 燃煤耦合污泥發(fā)電機組能量平衡圖Fig.2 Energy balance diagram of the sludge-coupled power generation unit

根據(jù)式(1)和式(2)，燃料耗率與燃煤耗率的關系可表示為

(3)

(4)

其中，φ為入場污泥摻燒比例，%。Qb>0時，bcbf。

依據(jù)DL/T 904—2015《火力發(fā)電廠技術經(jīng)濟指標計算方法》，機組供電燃料耗率bg,f為

(5)

式中，HR為汽機熱耗率，kJ/kWh；η為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%，取99%；L為機組廠用電率，%。

依據(jù)GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，鍋爐效率η計算公式為

η=1-(q2+q3+q4+q5+q6-qex)，

(6)

式中，q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理顯熱損失，%；qex為外來熱量與燃料熱值之比，%。

依據(jù)GB/T 8117—2008 《汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程》，汽機熱耗率計算公式為

(7)

式中，Dms為主蒸氣流量，t/h；hms為主蒸氣比焓，kJ/kg；Dhr為熱再熱蒸氣流量，t/h；hhr為熱再熱蒸氣比焓，kJ/kg；Dcr為冷再熱蒸氣流量，t/h；hcr為冷再熱蒸氣比焓，kJ/kg；Dfw為最終給水流量，t/h；hfw為最終給水比焓，kJ/kg；Drh為再熱蒸氣減溫水流量，t/h；hrh為再熱蒸氣減溫水比焓，kJ/kg。

機組廠用電率L為

(8)

式中，Pcy為機組廠用電功率，MW；Pf為機組發(fā)電功率，MW。

利用干化機脫出污泥中水分，污泥干化熱耗率為每干化脫除1 kg水消耗的蒸氣熱量，計算公式為

(9)

式中，λ為污泥干化熱耗率，kJ/kg；M為干化機入口蒸氣流量或干化機出口飽和水流量，t/h；hin為干化機入口蒸氣比焓，kJ/kg；hout為干化機出口飽和水比焓，kJ/kg；m1為干化機入口濕污泥流量，t/h；m2為干化機出口干污泥流量，t/h。

2 結果與討論

2.1 污泥干化對鍋爐效率的影響

污泥干化對鍋爐效率的影響如圖3所示，其中，以不摻燒污泥工況下的鍋爐效率(92.755%)及各項損失為基準核算污泥摻燒前后鍋爐效率及各項損失變化量。機組摻燒不同干化程度污泥后，鍋爐效率不同程度降低。污泥干化程度越高，鍋爐效率降幅越小。污泥含水率從80%干化至40%后，鍋爐效率降幅從0.271%降低至0.079%。機組摻燒污泥后，排煙熱損失q2和固體未完全燃燒熱損失q4均出現(xiàn)明顯增加趨勢，而其他熱損失變化較小。污泥摻入鍋爐后，入爐混合燃料水分增加且熱值降低，增加了鍋爐濕煙氣量并降低了爐膛溫度，造成鍋爐排煙溫度有所上升，從而導致排煙熱損失q2有所增加。同時，污泥摻入鍋爐后，爐膛溫度降低會造成燃料燃盡率下降，即飛灰和爐渣含碳量有所升高，從而導致固體未完全燃燒熱損失q4有所增加。污泥干化減少了入爐污泥水分，有利于減小鍋爐濕煙氣量并降低鍋爐排煙溫度，從而減小排煙熱損失q2。入爐污泥水分降低后，爐膛溫度有所上升，飛灰和爐渣含碳量有所降低，從而減小固體未完全燃燒熱損失q4。

圖3 污泥干化對鍋爐效率的影響Fig.3 Effect of sludge drying on boiler efficiency

2.2 污泥干化對汽機熱耗率的影響

不同工況下的污泥干化熱耗率及汽機熱耗率見表2?？芍勰喔苫潭仍礁撸勰喔苫療岷穆试酱?。污泥干化過程中，會發(fā)生團聚現(xiàn)象[18]，污泥顆粒粒徑增大，傳熱熱阻及水分擴散阻力增加，降低顆粒內傳熱及傳質速率，造成污泥干化熱耗率隨干化程度的增加而增大。同時，隨著污泥干化程度的增加，汽機熱耗率也逐漸增大。機組摻燒濕污泥時，汽機熱耗率基本不增加；機組摻燒含水率40%干化污泥時，汽機熱耗率增加了32.55 kJ/kWh。污泥干化程度增加時，污泥干化機需要消耗更多的汽機抽汽，造成汽機熱耗率增加；污泥干化熱耗率增加也會導致汽機熱耗率增加。

表2 不同污泥干化工況下熱耗率

2.3 污泥干化對廠用電率的影響

污泥干化對機組廠用電率的影響如圖4所示，其中，以不摻燒污泥工況下的機組廠用電率(4.65%)為基準核算污泥摻燒前后機組廠用電率的變化。

圖4 污泥干化對機組廠用電率的影響Fig.4 Effect of sludge drying on auxiliary power consumption ratio

由圖4可知，機組摻燒不同干化程度污泥后，機組廠用電率均有所增加。污泥干化程度越高，機組廠用電率增加幅度越低。污泥含水率從80%干化至40%后，機組廠用電率增加幅度從0.352%降低至0.116%。機組摻燒污泥對制粉系統(tǒng)、風機系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)廠用電率的影響不同，其中，風機系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)廠用電率增加是造成機組廠用電率升高的主要因素，而制粉系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)廠用電率增加對機組廠用電率升高的影響較小?？梢酝茢?，機組摻燒污泥時，入爐水分及氯量增加是導致機組廠用電率增加的主要原因。隨著污泥干化程度的增加，風機系統(tǒng)廠用電率變化量明顯下降，這主要是由于污泥干化后鍋爐濕煙氣量減小及熱一次風量降低。脫硫系統(tǒng)廠用電率變化量基本不隨污泥干化程度變化，這主要是因為污泥干化對入爐總硫、氯量的影響較小。污泥干化程度越高，入爐混合燃料量越小，而入爐干燥基混合燃料量卻無明顯降低，從而導致制粉系統(tǒng)廠用電率變化量隨污泥干化程度的增加略減小。除塵系統(tǒng)廠用電率變化量基本不隨污泥干化程度的變化而變化，這主要與不同污泥干化程度下入爐總灰量變化不大有關。

2.4 污泥干化對機組能耗率的影響

污泥干化對機組供電燃料耗率的影響如圖5所示，其中，以不摻燒污泥工況下的機組供電燃料耗率(306.81 g/kWh)為基準核算污泥摻燒前后機組供電燃料耗率變化。

圖5 污泥干化對機組供電燃料耗率的影響Fig.5 Effect of sludge drying on net fuel consumption rate

由圖5可知，機組摻燒污泥后，機組供電燃料耗率明顯增加，這主要與混合燃料品質下降后機組整體循環(huán)效率降低有關。隨污泥干化程度增加，機組供電燃料耗率變化量及變化率均略降低。污泥含水率從80%干化至40%后，機組供電燃料耗率變化量從2.039 g/kWh降低至1.904 g/kWh，機組供電燃料耗率變化率從0.660%降至0.617%。因此，相比濕污泥直接摻燒，污泥干化摻燒在一定程度上可略降低機組能耗。污泥干化程度越高，鍋爐效率和廠用電率變化對機組供電燃料耗率的影響均越小，而汽機熱耗率變化對機組供電燃料耗率的影響越大。當機組摻燒濕污泥時，鍋爐效率和廠用電率變化是造成機組供電燃料耗率上升的主要因素；當機組摻燒干污泥時，汽機熱耗率變化則是導致機組供電燃料耗率上升的關鍵因素。

污泥干化對機組供電燃料/燃煤耗率的影響如圖6所示，可知機組摻燒污泥后，機組供電燃煤耗率明顯上升。與機組供電燃料耗率變化趨勢類似，機組供電燃煤耗率變化量隨污泥干化程度的增加略降低。在相同污泥干化程度下，機組供電燃煤耗率變化量略大于燃料耗率，這主要是由于入場濕污泥熱值略小于0。

圖6 污泥干化對機組供電燃料/燃煤耗率的影響Fig.6 Effect of sludge drying on net fuel/coal consumption rate

3 結 論

1)機組摻燒污泥時，排煙熱損失和固體未完全燃燒熱損失增加是造成鍋爐效率降低的主要原因。污泥干化程度越高，鍋爐效率降幅越小。

2)污泥干化程度越高，污泥顆粒傳熱傳質阻力越大，干化熱耗率越高。由于抽汽量增加及干化熱耗率升高，汽機熱耗率隨污泥干化程度增加而增加。

3)機組摻燒污泥時，風機系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)電耗明顯增加，制粉系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)電耗略增加。污泥干化程度越高，機組廠用電率增幅越小。

4)機組摻燒污泥時，機組供電燃料耗率、供電燃煤耗率明顯上升。相比濕污泥直接摻燒，污泥干化摻燒可略降低機組能耗率。濕污泥直接摻燒時，鍋爐效率下降和廠用電率增加是造成機組供電燃料耗率上升的主要原因；污泥干化摻燒時，汽機熱耗率增加是導致機組供電燃料耗率上升的關鍵因素。