污泥摻燒對(duì)墻式切圓鍋爐性能的影響

楊 琨， 丁士發(fā)， 張 濤

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著城鎮(zhèn)化水平的進(jìn)一步發(fā)展，城市生活污水和污泥的產(chǎn)量逐步增加。污泥是污水處理的副產(chǎn)物，含有大量有毒、有害的成分，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)合適的二次處理[1-2]，容易對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)、環(huán)境健康造成極大的困擾。

近年來(lái)，污水、污泥的處置問(wèn)題逐步提上日程，國(guó)家和地方出臺(tái)各類政策法規(guī)，污泥處置的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)也逐步上升，這些均顯示著污泥處理行業(yè)利好的發(fā)展前景。截至2020年底，全國(guó)城市污水處理廠處理能力達(dá)1.92億m3/d，污水處理廠數(shù)量達(dá)到2 679座，產(chǎn)生的干污泥質(zhì)量約為1 318萬(wàn)t，干污泥處置量約為1 265萬(wàn)t。

目前，針對(duì)市政污泥的處理，主要包括堆肥、衛(wèi)生填埋、直接焚燒、厭氧消化、摻燒等[3]，其中摻燒被認(rèn)為是最有效、最徹底的方法，不僅能大大減小污泥的體積、有效殺滅致病菌等微生物[4]，還能回收污泥焚燒的發(fā)熱量。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)污泥與煤的共燃進(jìn)行了研究，已有的試驗(yàn)研究結(jié)果均表明，當(dāng)污泥的摻燒比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為10%左右時(shí)，綜合燃燒性能最好[5-7]。

國(guó)內(nèi)多家電廠也進(jìn)行過(guò)相關(guān)摻燒試驗(yàn)。某300 MW四角切圓鍋爐試驗(yàn)結(jié)果表明：摻燒含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為40%的生活污泥，摻燒比例在10%以下時(shí)，理論燃燒溫度下降7 K，對(duì)煤的元素成分、飛灰濃度、煙氣排放量等影響不大[8]。某330 MW燃煤機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)摻燒污泥的含水率一定時(shí)，污泥摻燒對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響隨負(fù)荷的降低而增大;而當(dāng)鍋爐負(fù)荷一定時(shí)，污泥摻燒對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響隨污泥含水率的增大而增大[9]。某1 000 MW燃煤機(jī)組進(jìn)行含水率為60%的污泥摻燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)摻燒比例為6%時(shí)，鍋爐效率下降0.35%[10]。

燃煤機(jī)組摻燒污泥作為相對(duì)成熟的技術(shù)，電廠所需改造工程難度較小，余熱可用于發(fā)電供熱[11]，符合污泥“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化”的要求，因此研究燃煤機(jī)組污泥摻燒具有十分重要的意義。

筆者對(duì)某電廠660 MW墻式切圓鍋爐進(jìn)行污泥摻燒試驗(yàn)，在高、中、低負(fù)荷下，分析含水率為72%的污泥在2%的摻燒比例下，對(duì)機(jī)組效率、煙氣排放、重金屬排放與混合燃料灰渣成分等方面的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用了電廠平時(shí)燃用的煤種(煙煤，全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%)與污泥摻燒。試驗(yàn)過(guò)程中，采用混合機(jī)和輸送皮帶對(duì)煙煤與污泥進(jìn)行混合和輸送，并且通過(guò)鍋爐一次熱風(fēng)加熱干燥燃料中的水分，混合燃料直接送入燃煤鍋爐中燃燒。

1.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，在高、中、低負(fù)荷(660 MW、495 MW、330 MW)下進(jìn)行鍋爐污泥摻燒試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。維持D磨煤機(jī)的摻燒比例為11.1%，其對(duì)應(yīng)的總摻燒比例分別為1.76%、2.15%、2.78%。

表1 試驗(yàn)工況

1.2 燃料參數(shù)

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)的煙煤與污泥取樣，分別進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煙煤與污泥成分分析

試驗(yàn)期間，機(jī)組所燃用煤種均為同批次的煙煤和污泥，因此假設(shè)在工況一、工況二、工況三的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，燃料特性基本相同。

摻燒試驗(yàn)期間，假設(shè)污泥在煤場(chǎng)中已混合均勻，不同工況下入爐燃料的燃料特性見(jiàn)表3。其中，摻燒污泥后的混合燃料特性采用D磨煤機(jī)摻混污泥與煙煤混合質(zhì)量加權(quán)平均的方法進(jìn)行計(jì)算[12]。

表3 各工況下入爐燃料的燃料特性

由于污泥的C、O、H、S的含量均低于煙煤，隨著污泥與煙煤的混合，與混合前煙煤成分相比，混合燃料的含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降約0.7百分點(diǎn)，含H質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降約0.05百分點(diǎn)，含O質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降約0.1百分點(diǎn)，S、N含量基本不變，在摻燒比例最大的工況六，混合燃料的收到基低位發(fā)熱量最多下降達(dá)500 MJ/kg，含水率上升1百分點(diǎn)。總體而言，由于試驗(yàn)污泥摻燒比例比較低，因此對(duì)混合燃料成分總體影響不大。

1.3 煙氣成分測(cè)量

采用等截面網(wǎng)格法采集煙氣樣品，分別在空氣預(yù)熱器進(jìn)出口左右兩側(cè)煙道截面上布置1套TESTO-350型煙氣分析儀，煙氣引出至煙道外，再經(jīng)過(guò)水洗除塵、除濕等處理后接入煙氣分析儀分析，試驗(yàn)期間每15 min測(cè)量1次。煙氣成分測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣成分測(cè)量系統(tǒng)

2 摻燒污泥對(duì)鍋爐性能的影響

2.1 對(duì)爐膛溫度的影響

為探究摻燒污泥對(duì)鍋爐爐膛溫度的影響，測(cè)溫點(diǎn)選取于爐膛標(biāo)高約43 m處，位于燃盡風(fēng)下側(cè)，各個(gè)觀火口位于該標(biāo)高下鍋爐的四角處(見(jiàn)圖2箭頭處)。試驗(yàn)期間通過(guò)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)爐膛內(nèi)部燃燒進(jìn)行觀察，使用紅外測(cè)溫儀對(duì)觀火口溫度進(jìn)行測(cè)定。

圖2 各工況下?tīng)t膛測(cè)溫結(jié)果對(duì)比

由圖2可見(jiàn)：各工況下?tīng)t膛溫度總體分布基本相似，其中1號(hào)角溫度比其余3個(gè)角的溫度整體偏高50 K，其余3個(gè)角的溫度相近，這與該機(jī)組實(shí)際爐內(nèi)燃燒狀況有關(guān)。在摻燒污泥的條件下：相比工況一，工況四的爐膛平均溫度下降16.7 K；相比工況二，工況五的爐膛平均溫度下降12.5 K；相比工況三，工況六的爐膛平均溫度下降10.2 K。

摻燒污泥后爐膛溫度降低與污泥的成分有關(guān)，低熱值、高含水率的污泥進(jìn)入爐膛后不僅釋放熱量少，而且還需要吸收大量的熱量，造成爐膛整體溫度水平降低。根據(jù)摻燒性能試驗(yàn)，燃煤機(jī)組摻燒污泥比例為2%左右時(shí)會(huì)造成爐膛約15 K的溫度下降。

2.2 對(duì)煙氣成分的影響

試驗(yàn)測(cè)量分析了機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，不同工況下總風(fēng)量，脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx、SO2的濃度，空氣預(yù)熱器進(jìn)出口煙溫、O2含量及CO含量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)：在相同負(fù)荷下，摻燒污泥工況的總風(fēng)量均比不摻燒工況略大，由于污泥中水分和干燥基中的揮發(fā)分含量較高，所以摻燒時(shí)的煙氣量也比不摻燒時(shí)略大。

相比工況一，工況四的空氣預(yù)熱器進(jìn)出口O2體積分?jǐn)?shù)上升約0.3百分點(diǎn)，但空氣預(yù)熱器出口的CO體積分?jǐn)?shù)上升26.59百分點(diǎn)；對(duì)比工況二和工況五，以及工況三和工況六，空氣預(yù)熱器進(jìn)出口的O2含量在機(jī)組摻燒污泥后均有輕微上升，可能是由于混合燃料總量的增加，使得燃料對(duì)過(guò)量空氣的需求增大。

摻燒污泥后，高負(fù)荷下SO2質(zhì)量濃度下降不到10 mg/m3，中、低負(fù)荷下下降約1.8%，分析原因?yàn)椋?1)混合燃料的S含量略微下降且總風(fēng)量增大，SO2濃度被稀釋；(2)污泥呈堿性，堿金屬含量較高，起到了固硫的作用；(3)揮發(fā)分含量較高，大量揮發(fā)分在燃燒初期釋放，消耗了O2，抑制了S元素的轉(zhuǎn)化。通常來(lái)說(shuō)，NOx排放濃度與爐膛溫度成正相關(guān)。該摻燒試驗(yàn)中，由于污泥摻燒比例較低，爐膛溫度下降幅度小，對(duì)NOx排放濃度的影響不大，并且污泥揮發(fā)分較早析出消耗O2也會(huì)抑制N元素的氧化反應(yīng)。

2.3 對(duì)鍋爐效率的影響

由燃料元素分析結(jié)果、低位發(fā)熱量、煙氣成分測(cè)試結(jié)果、排煙溫度計(jì)算可得各工況下鍋爐效率及各項(xiàng)損失，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鍋爐效率及各項(xiàng)損失

由表4可見(jiàn)：在相同負(fù)荷下，摻燒污泥后，實(shí)測(cè)排煙溫度均升高2 K左右。主要原因?yàn)閾綗勰嗪鬆t膛內(nèi)煙溫降低，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)受熱面吸熱比例下降，煙氣流量增加后，尾部受熱面無(wú)法將煙溫降低至摻燒污泥前的溫度水平，最終導(dǎo)致排煙溫度升高。

由于污泥灰分含量和含水率較高，高負(fù)荷下，熱量損失主要集中在干煙氣引起的熱量損失和煙氣中CO引起的熱量損失；中負(fù)荷下，熱量損失主要集中在未燃盡碳引起的熱量損失和煙氣中CO引起的熱量損失；低負(fù)荷下，熱量損失則主要集中在干煙氣引起的熱量損失?？傮w而言，低比例摻燒高含水率的污泥對(duì)鍋爐效率的影響較小。

2.4 對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響

摻燒后的灰渣(分別簡(jiǎn)稱為摻燒樣灰、摻燒樣渣)主要成分為Si、Al、Fe、Ca的氧化物，其余如Mg、K、Na、P等的氧化物含量則較低。城市污泥中的成分比較復(fù)雜，各類元素的含量差異較大，摻燒試驗(yàn)中選用不同污泥也會(huì)導(dǎo)致底灰的成分差異較大。從摻燒樣灰、摻燒樣渣的成分分析中看出，污泥中Fe、Ca的含量較高(見(jiàn)表5)。

表5 高負(fù)荷下?lián)綗蠡以煞址治?/p>

為定量分析摻燒樣灰、摻燒樣渣成分對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響，采用灰成分中的堿酸比B/A來(lái)衡量結(jié)渣程度，其中：A為灰中酸性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，B為灰中堿性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10]。A、B的計(jì)算公式為：

A=ω(SiO2)+ω(Al2O3)+ω(TiO2)

(1)

B=ω(Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+

ω(Na2O)+ω(K2O)

(2)

煙煤灰的酸堿比為0.1，煙煤與污泥摻燒后，摻燒樣渣和摻燒樣灰的酸堿比分別為0.18、0.21，均小于0.4，屬于輕微結(jié)渣燃料，對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響不大。摻燒污泥后，樣品的結(jié)渣性較不摻燒時(shí)提高，建議實(shí)際運(yùn)行中適當(dāng)加強(qiáng)鍋爐吹灰，預(yù)計(jì)進(jìn)一步提高摻燒比例可能加劇結(jié)焦。

摻燒樣灰對(duì)高溫受熱面的沾污傾向可以用沾污指數(shù)(RF)來(lái)衡量[13]，RF為堿酸比與Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積，RF小于0.2為輕微沾污。觀火口處結(jié)焦說(shuō)明此次試驗(yàn)中，煙煤與污泥的混合摻燒對(duì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行中結(jié)焦與沾污的影響不大。

2.5 對(duì)灰渣重金屬含量的影響

在高負(fù)荷下對(duì)摻燒樣灰、摻燒樣渣進(jìn)行重金屬檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)：各項(xiàng)重金屬含量較低，均符合排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，此次摻燒污泥對(duì)原燃煤機(jī)組飛灰成分的影響可以忽略。

表6 灰渣重金屬含量測(cè)量

2.6 二口惡英排放情況

污泥摻燒過(guò)程中，由于爐膛溫度實(shí)際降低的幅度并不大，仍可保持在1 000 ℃以上，基本杜絕了二口惡英的生成，如若后續(xù)進(jìn)行大比例摻燒試驗(yàn)，則需要持續(xù)觀察爐膛溫度下降情況。

相比于一般垃圾焚燒爐，鍋爐爐膛溫度較高，可以有效抑制二口惡英的生成。

試驗(yàn)期間摻燒污泥后廢氣和飛灰中的二口惡英測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)表7和表8，廢氣取自脫硫系統(tǒng)出口煙氣，飛灰取自電除塵器位置。

表7 廢氣中的二口惡英排放測(cè)量結(jié)果

表8 飛灰中的二口惡英排放測(cè)量結(jié)果

由表7、表8可見(jiàn)：二口惡英排放量遠(yuǎn)低于GB 18485—2014 《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》和GB 16889—2008 《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定值，能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某660 MW墻式切圓鍋爐進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，分析驗(yàn)證機(jī)組在高、中、低負(fù)荷下，含水率為72%的污泥在摻燒比例為2%時(shí)對(duì)鍋爐性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 各負(fù)荷下，由于污泥低位發(fā)熱量較低且含水率高，鍋爐燃盡飛灰中可燃物成分含量升高，干煙氣和煙氣中CO引起的熱量損失增加，排煙溫度升高，鍋爐熱效率下降。

(2) 相同負(fù)荷下，鍋爐摻燒污泥會(huì)降低爐膛平均溫度(15 K左右)，但總體溫度分布與未摻燒時(shí)基本一致，即摻燒污泥不影響鍋爐爐膛溫度分布。結(jié)合該爐膛溫度集中于1號(hào)角的趨勢(shì)，建議后期合理安排污泥摻燒的位置，防止溫度偏差過(guò)大。

(3) 各負(fù)荷下，由于摻燒的污泥N、S含量比煙煤低，并且摻燒會(huì)造成爐膛溫度降低，摻燒后機(jī)組NOx、SO2的排放量有較小幅度的下降。

(4) 摻燒樣灰和摻燒樣渣的重金屬含量依舊達(dá)標(biāo)，煙氣與飛灰中的二口惡英含量遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明摻燒污泥仍可保證鍋爐運(yùn)行符合環(huán)保要求。

(5) 各負(fù)荷下，摻燒污泥會(huì)增加混合燃料的結(jié)焦性，考慮到污泥的高含水率，如果后續(xù)增加污泥摻燒比例，建議實(shí)時(shí)觀察爐內(nèi)結(jié)焦情況，加強(qiáng)鍋爐吹灰。

在燃煤機(jī)組中摻燒污泥，充分利用燃煤機(jī)組爐膛的高溫將污泥中的有害成分分解，并且利用污泥燃燒能量進(jìn)行發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)城市污泥的減量化、無(wú)害化和資源化處理。污泥摻燒后的煙氣經(jīng)過(guò)燃煤機(jī)組的尾部煙道煙氣處理系統(tǒng)處理后直接外排，各項(xiàng)排放指標(biāo)均能滿足有關(guān)的環(huán)保要求。如果后續(xù)繼續(xù)增大污泥摻燒比例，需要注重觀察爐膛溫度下降與爐膛內(nèi)結(jié)焦的情況。