大型燃煤機組污泥耦合發(fā)電技術(shù)研究與應(yīng)用

左克祥，張秀峰

(國能常州發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213033)

1 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，在國家節(jié)能減排和積極的財政政策作用下，我國污水處理廠迅猛發(fā)展，作為污水處理副產(chǎn)物，污泥產(chǎn)生量也隨之增加，2020年污泥產(chǎn)量突破6000×104t[1]，大量污泥無法處理重新回到自然界，成為重要的污染源[2]。長期以來，地方政府是污泥處理設(shè)施的建設(shè)和運行責(zé)任主體[3]。發(fā)改委資源節(jié)約和環(huán)境保護司頒布了《關(guān)于進一步加強污泥處理處置工作組織實施示范項目的通知》，其中明確指出地方政府應(yīng)加快提出融資策略和保障措施，以確保污泥處理處置設(shè)施建設(shè)順利進行。這一政策的頒布使得地方政府肩負(fù)著政治和社會雙重壓力。因此，如何有效實現(xiàn)污泥的“減量化、無害化、穩(wěn)定化、能源化、資源化”已成為社會普遍關(guān)注的問題。

由于燃煤電廠配置有大型燃煤鍋爐和完備的煙氣處理裝置，因此，將污泥干化焚燒技術(shù)引入燃煤電廠后即自然解決了污染物排放的短板。國家能源局、國家環(huán)保部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》鼓勵燃煤機組依托煤電高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中治理設(shè)施，消納生活垃圾以及污水處理廠、水體污泥等生物質(zhì)資源，促進電力行業(yè)特別是煤電的低碳清潔發(fā)展。污泥的熱干化焚燒是指利用特定的干化設(shè)備蒸發(fā)脫水污泥中的水分，使其的含水率降至預(yù)定程度，然后利用焚燒爐或鍋爐設(shè)備焚燒。由于大型燃煤鍋爐本身是一種高效、清潔的焚燒設(shè)備，利用已建成大型燃煤電站(>300MW)焚燒生活污泥成為我國生活污泥處理的新導(dǎo)向[4]，可以大幅降低污泥處理費用，實現(xiàn)廢棄物的合理資源化[5]。生活污泥耦合大型燃煤電廠發(fā)電項目主體由污泥干化裝置+大型燃煤鍋爐組成[6]，其中污泥干化系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，依據(jù)干化熱源的不同，結(jié)合燃煤電廠的熱源情況，可以分為煙氣干化和蒸汽干化兩種工藝路線[7-16]。

一般情況下，常用的污泥干化工藝有污泥流化床干化、污泥帶式干化、污泥漿葉式干化、污泥蒸汽轉(zhuǎn)盤干化、污泥因轉(zhuǎn)滾筒式干化等五種污泥處理技術(shù)路線[17-27]，結(jié)合燃煤電廠生產(chǎn)經(jīng)營形勢和系統(tǒng)配置優(yōu)勢，選擇轉(zhuǎn)盤式干化系統(tǒng)作為在燃煤電廠應(yīng)用的污泥處理技術(shù)，從生產(chǎn)流程、工藝上進行深入耦合，進而形成一套經(jīng)濟環(huán)保的污泥處理系統(tǒng)，一方面解決地方政府城市污泥處理難題，另一方面提升燃煤電廠的經(jīng)濟收益，創(chuàng)造出巨大的社會環(huán)保效益。

2 研究方法

2.1 研究對象

某電廠鍋爐為某鍋爐廠有限責(zé)任公司引進英國技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運行直流燃煤鍋爐，鍋爐型號為HG-1913/25.4-YM7，采用П型布置，螺旋水冷壁、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐過熱汽流量(BMCR)1913t/h。

在污泥耦合發(fā)電項目建設(shè)前期，對常州市污水處理廠的污泥特性進行了調(diào)研，污泥特性如表1所示。污泥pH值為6.86。

表1 常州市污水處理廠污泥特性Tab.1 Characteristics of sludge from Changzhou Sewage Treatment Plant

鍋爐前后墻原各布置3層哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-UCCS型煙煤旋流燃燒器，每層各5只，共30只。另外在前后墻各布置一層OFA燃燒器，每層5只，共10只。制粉系統(tǒng)為正壓直吹式系統(tǒng)，配備6臺HP-1003型中速磨煤機，5臺磨煤機可以滿足鍋爐MCR負(fù)荷，磨煤機經(jīng)過動態(tài)分離器改造。

2.2 污泥摻燒工藝

污泥耦合發(fā)電系統(tǒng)主要包括濕污泥儲存及輸送系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、干污泥輸送系統(tǒng)及乏氣冷卻系統(tǒng)四部分，污泥耦合發(fā)電系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 污泥耦合發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sludge coupling power generation system

2.3 污泥摻燒對燃煤機組相關(guān)指標(biāo)的影響

項目建設(shè)完成投產(chǎn)后，在確保試驗煤種與設(shè)計煤種基本一致的前提下，選擇630MW的額定負(fù)荷作為污泥摻燒試驗工況，污泥摻燒比例分別為0%，3%，6%。通過對摻燒污泥工況下鍋爐熱效率、壁面還原性氛圍、爐膛溫度、NOx和CO排放量、電除塵熱態(tài)性能等指標(biāo)[20]的測量計算，進而對比分析污泥摻燒對鍋爐性能的影響。

2.3.1 試驗測量內(nèi)容及方法

(1)入爐煤采樣

入爐煤自動取樣裝置，按照《煤樣的制備方法》(GB/T474-2008)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制備煤樣。原煤在給煤機入口處采樣，每臺磨煤機每30min1次，每次采樣約2kg，置于密封容器內(nèi)。一次試驗結(jié)束后，混合縮分為2份，每份5kg，其中1份進行元素分析、工業(yè)分析、及低位發(fā)熱量測定，1份備用。煤粉在磨煤機出口進行等速采樣，經(jīng)烘干后，用R90和R200標(biāo)準(zhǔn)篩進行篩分并保留樣品。煤粉在磨煤機出口進行等速采樣，經(jīng)烘干后，用R90和R200標(biāo)準(zhǔn)篩進行篩分并保留樣品。利用電廠自帶的煤粉取樣裝置對同一臺磨，同運行參數(shù)下的煤粉細(xì)度進行測量。

(2)灰渣采樣

飛灰在空氣預(yù)熱器出口采用等速取樣裝置取樣，試驗結(jié)束后，飛灰混合縮分為2份，其中1份進行可燃物分析，1份備用。

大渣在撈渣機處取樣，每30min1次；試驗結(jié)束后，爐渣混合縮分為2份，其中1份進行可燃物分析，1份備用。

(3)輔助參數(shù)測量

利用DCS記錄參數(shù)，每15min記錄一次。

(4)煙氣溫度及成分

空氣預(yù)熱器進、出口煙氣溫度及成分測點布置在空氣預(yù)熱器進出口煙道上，按等截面多點網(wǎng)格法測量，每側(cè)5孔，每孔3點。用EIC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、K型熱電偶和煙氣分析儀進行煙氣溫度和成分的采集測量。熱電偶和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校驗在有效期內(nèi)，煙氣分析儀在試驗前用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行標(biāo)定。

(5)省煤器出口CO、NOx排放濃度測試

省煤器出口煙氣成分測點布置在省煤器出口水平煙道上，每側(cè)7孔，每孔3點。在空白工況和摻燒工況下，在省煤器出口進行NOx、CO、O2排放濃度測試，此項目與鍋爐熱效率工況同時進行。

(6)爐膛還原性氣氛生成量測量

對摻燒污泥工況和未摻燒工況下爐膛內(nèi)CO、H2S濃度分布進行測量，比較兩種工況下CO、H2S濃度的差別。

(7)爐膛溫度測量

使用紅外測溫儀對爐膛各觀火孔處溫度進行測量，比較兩個工況下爐膛溫度水平。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理與修正

(1)基準(zhǔn)溫度按加權(quán)計算，其他測量數(shù)據(jù)均以算術(shù)平均值引入計算。

(2)鍋爐效率按照《鍋爐性能試驗規(guī)程》(ASME PTC 4-2013)計算。

(3)灰、渣比例采用設(shè)計值：爐底大渣10%，飛灰90%。

(4)基準(zhǔn)溫度?？諝忸A(yù)熱器一次風(fēng)進風(fēng)基準(zhǔn)溫度，空氣預(yù)熱器二次風(fēng)進風(fēng)基準(zhǔn)溫度，經(jīng)流量加權(quán)計算后空氣預(yù)熱器入口進風(fēng)基準(zhǔn)溫度。

(5)損失熱量修正。當(dāng)試驗時的基準(zhǔn)溫度偏離設(shè)計值時，按以下方法修正：

a．輸入物理熱的修正

用設(shè)計基準(zhǔn)溫度替代輸入物理熱中的試驗基準(zhǔn)溫度，對“進入系統(tǒng)的干空氣所攜帶的熱量”、“燃料的物理顯熱”和“空氣中水分?jǐn)y帶的熱量”進行物理熱的修正。

b.排煙溫度平均值的修正

(1)

式中：tG15δ為修正后排煙溫度平均值，℃；tA8D為設(shè)計空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫，℃；tG14為試驗中空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度，℃；tG15為試驗中空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，℃；tA8為試驗中空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫，℃。

c.用設(shè)計基準(zhǔn)溫度和修正后排煙溫度平均值分別替代熱損失公式中實測的基準(zhǔn)溫度和實測的排煙溫度平均值，對“干煙氣熱損失”和“飛灰物理顯熱”進行修正。

d.用對應(yīng)于設(shè)計基準(zhǔn)溫度的焓和相應(yīng)于修正后排煙溫度平均值的焓，分別替代熱損失公式中相應(yīng)于試驗基準(zhǔn)溫度的焓和相應(yīng)于實測排煙溫度平均值的焓，對“燃料中水分引起的熱損失和“空氣中水分引起的熱損失”進行修正。

e.當(dāng)試驗煤質(zhì)偏離設(shè)計煤質(zhì)較大時，用設(shè)計煤質(zhì)各成分代替試驗煤質(zhì)進行效率修正。

f.煙氣中NOx濃度的修正

(2)

式中：NOx(O2=6%)為氧量折算到6%的NOx排放濃度，mg/m3；(NO)測試值為實際測量NO排放濃度，μL/L；(O2)測試值為煙氣中實際測量O2濃度，%。

g.煙氣中CO濃度的修正

CO=1.25×(CO)測試值

(3)

式中：CO為CO排放濃度，mg/m3；(CO)測試值為實際測量CO排放濃度，μL/L；

2.3.3 空預(yù)器漏風(fēng)率計算

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率是依據(jù)《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(GB/T10184-2015)中的要求，按以下公式計算：

(3)

式中：mfg.AH.en為空預(yù)器進口煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，kg/kg；mfg.AH.lv為空預(yù)器出口煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，kg/kg。

3 結(jié)果與討論

3.1 污泥摻燒對煤粉細(xì)度的影響

根據(jù)磨組運行情況分別對每臺磨取樣混合，分析污泥摻燒對煤粉細(xì)度的影響，結(jié)果如表2所示。

從表2可知，未摻燒污泥工況煤粉細(xì)度R90為21.8，污泥摻燒比例3%煤粉細(xì)度R90為30.4，污泥摻燒比例3%煤粉細(xì)度R90為38，未摻燒污泥工況時，摻燒污泥后，由于干污泥的水分較原煤的水分高，致使煤粉的黏性增加，流動性降低，煤粉細(xì)度高于摻燒污泥時的煤粉細(xì)度，煤粉細(xì)度隨著污泥摻燒比例的升高而降低。

表2 煤粉細(xì)度測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of pulverized coal fineness

3.2 污泥摻燒對灰渣產(chǎn)品質(zhì)量的影響

分析污泥摻燒對灰渣產(chǎn)品質(zhì)量的影響，與《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2017)中性能要求相對比，結(jié)果如表3所示。

表3 灰渣產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果Tab.3 Quality test results of fly ash products

從表3可知，摻燒污泥工況較未摻燒污泥工況燒失量、密度、含水率均大幅增加，三氧化硫(SO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著摻燒比例的增加而減少，細(xì)度隨著污泥摻燒比例的增加而降低。

3.3 污泥摻燒對汽水參數(shù)的影響

分析污泥摻燒對汽水參數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果如表4所示。從表4可知，隨著污泥摻燒比例的增加過熱器減溫水量明顯減少，再熱器溫度隨著污泥摻燒比例的增加有所降低。

表4 汽水系統(tǒng)參數(shù)測量結(jié)果Tab.4 Measurement results of steam-water system parameters

3.4 污泥摻燒對煙氣成分的影響

污染摻燒對煙氣成分影響如表5所示。

表5 煙氣成分分析Tab.5 Composition analysis of flue gas

從表5可知，摻燒污泥與未摻燒污泥工況下，煙氣成分變化不大。

隨著污泥摻燒比例的增加，Cr、Ba、As、Co、Mn等金屬含量增加，其他變化不大。

3.5 污泥摻燒對省煤器出口CO、NOx排放影響

污泥摻燒對省煤器出口CO、NOx排放的影響如表6所示。從表6可知，未摻燒污泥工況下，A側(cè)NOx濃度為242mg/m3，B側(cè)NOx濃度為240mg/m3，平均值為241mg/m3；污泥摻燒比例為3%，省煤器出口A側(cè)NOx濃度為230mg/m3，B側(cè)NOx濃度為220mg/m3，平均值為225mg/m3；污泥摻燒比例為6%，A側(cè)NOx濃度為189mg/m3，B側(cè)NOx濃度為213mg/m3，平均值為201mg/m3。由此可知，省煤器出口氮氧化物生成量隨著污泥摻燒比例的增加有所降低。

表6 省煤器出口CO、NOx排放濃度值Tab.6 Emission concentration values of CO and NOx at the outlet of economizer

3.6 污泥摻燒對爐膛壁面煙氣產(chǎn)生量的影響

污泥摻燒對爐膛壁面煙氣產(chǎn)生量的影響如表7所示。從表7可知，未摻燒污泥工況下，有3個點CO超過50000μL/L，有3個點H2S超過500μL/L；污泥摻燒比例3%時，有4個點CO超過50000μL/L，H2S超過500μL/L點數(shù)為0；污泥摻燒比例6%時，有6個點CO超過50000μL/L，有5個點H2S超過500μL/L，摻燒污泥后，貼壁區(qū)域的還原性氣體有上升趨勢。

表7 爐膛壁面煙氣氛圍數(shù)據(jù)測量結(jié)果Tab.7 Measurement results of flue gas atmosphere data on the furnace wall

3.7 污泥摻燒對爐膛溫度的影響

污泥摻燒對爐膛溫度的影響如表8所示。從表8可知，未摻燒污泥工況下，爐膛最高溫度1386℃，超過1200℃的點有17個；污泥摻燒比例為3%，爐膛最高溫度1329℃，超過1200℃的點有13個；污泥摻燒比例為6%，爐膛最高溫度1286℃，超過1200℃的點有10個。隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛平均溫度顯下降趨勢。

表8 爐膛溫度數(shù)據(jù)測量結(jié)果Tab.8 Measurement results of furnace temperature data

3.8 污泥摻燒對鍋爐熱效率的影響

污泥摻燒對鍋爐熱效率的影響如表9所示。

表9 鍋爐熱效率試驗結(jié)果Tab.9 Test results of Boiler thermal efficiency

從表9可知，機組滿負(fù)荷，未摻燒污泥工況下，實測空預(yù)器出口氧量為4.17%，實測排煙溫度為132.4℃，干煙氣熱損失為4.51%，干灰渣未燃盡碳熱損失為0.18%，實測鍋爐熱效率為94.13%。修正后排煙溫度為130.12℃，修正后鍋爐熱效率為94.31%。

污泥摻燒比例為3%，機組在530MW負(fù)荷下，6臺磨運行。實測空預(yù)器出口氧量為5.73%，實測排煙溫度為134.50℃，干煙氣熱損失為5.31%，干灰渣未燃盡碳熱損失為0.24%，實測鍋爐熱效率為93.33%。修正后排煙溫度為136.41℃，修正后鍋爐熱效率為93.61%。

機組滿負(fù)荷，6臺磨運行，污泥摻燒比為6%。實測空預(yù)器出口氧量為3.95%，實測排煙溫度為127.6℃，干煙氣熱損失為4.41%，干灰渣未燃盡碳熱損失為0.04%，CO未完全燃燒熱損失為0.5%，實測鍋爐熱效率為93.95%。修正后排煙溫度為128.24℃，修正后鍋爐熱效率為94.23%。污泥高比例摻燒時，鍋爐熱效率下降0.08個百分點。摻燒污泥后，鍋爐熱效率較不摻燒污泥工況有所下降，對鍋爐熱效率影響較小，可以忽略不計。

3.9 污泥摻燒對鍋爐熱效率的影響

污泥摻燒對鍋爐熱效率的影響如表10所示。

從表10可知，未摻燒污泥工況下，A側(cè)、B側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為4.8%、3.0%，空預(yù)器差壓分別為2.395kPa和2.365kPa；污泥摻燒比例為3%時，A側(cè)、B側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為4.2%、3.0%，空預(yù)器差壓分別為2.416kPa和2.422kPa；污泥摻燒比例為6%時，A側(cè)、B側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為3.0%、3.0%，空預(yù)器差壓分別為2.450kPa和2.420kPa；三種工況基本差別不大。

表10 空預(yù)器漏風(fēng)率試驗結(jié)果Tab.10 Air leakage rate test results of air preheater

綜合上述參數(shù)指標(biāo)的對比分析，摻燒污泥對燃煤機組的安全性能影響不大，機組性能與未摻燒狀態(tài)基本一致。摻燒污泥后，煤粉細(xì)度隨著污泥摻燒比例的升高而降低，燒失量、密度、含水率均大幅增加，氮氧化物生成量隨著污泥摻燒比例的增加有所降低，總排放口煙氣中汞及其化合物、鎘、鉈及其化合物 、銻、砷、鉛、鉻、鈷，銅、錳、鎳及其化合物、顆粒物等排放指標(biāo)均滿足排放要求，污泥真正實現(xiàn)了“資源化、能源化、無害化、減量化、穩(wěn)定化”的處理。因此，轉(zhuǎn)盤式干化技術(shù)應(yīng)用于燃煤電廠是可行的，實現(xiàn)了污泥的“變廢為寶”。

3.10 項目應(yīng)用收益

該公司污泥耦合發(fā)電項目建設(shè)投產(chǎn)后，每日可處理污泥500t，污泥干化后濕度34.54%，小于40%的設(shè)計值，產(chǎn)泥量也達到設(shè)計要求，滿足機組加倉入爐要求，氣泥比低于0.8～0.9的設(shè)計范圍，耗蒸汽量偏低，用電單耗量49.24(kW·h)/t，能耗小于設(shè)計值，煙氣排放指標(biāo)滿足國家和地方政府要求。因此，本項目建設(shè)達到了預(yù)期目標(biāo)，且每年可以給公司帶來約1000萬元的經(jīng)濟收益。

4 結(jié)論

污泥處置是污水可持續(xù)治理的必不可少一個步驟，是環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的一個環(huán)節(jié)[26]，污泥干化耦合發(fā)電項目是符合我國環(huán)保政策和城市現(xiàn)狀的污泥處理處置方法，是國際上污泥處理處置的主流方向，也是落實“燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電”這一環(huán)保政策的理想處理方式。該公司建設(shè)的污泥干化耦合發(fā)電項目借助大型燃煤鍋爐熱負(fù)荷容量大、超低排放環(huán)保的平臺，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，實現(xiàn)了對污泥的無害化、減量化、資源化利用，經(jīng)實踐證明是確實可行的，是值得推廣應(yīng)用的，具有資源優(yōu)化、綠色環(huán)保、節(jié)約投資、節(jié)約能耗、促進電廠轉(zhuǎn)型升級等多重重要意義，且有著顯著的社會效益和環(huán)保效益。