煤粉鍋爐耦合城市污泥發(fā)電方式對(duì)電廠系統(tǒng)的影響

胡信韜，陳雨歡，王 操，彭義林

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000)

1 機(jī)組概況

某熱電廠13#、14#機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的HG-1125/25.4-YM型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)除渣，全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配5臺(tái)中速磨煤機(jī)，保證出力45.1 t/h，在BMCR工況下，4運(yùn)1備。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)C350/307-24.2/4.0/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、雙缸(高中壓合缸)雙排汽單軸、雙抽汽凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司提供的產(chǎn)品。每臺(tái)鍋爐BMCR工況下蒸發(fā)量1 125 t/h，耗煤量151.5 t/h。

2 污泥處置項(xiàng)目概況

根據(jù)武漢市環(huán)保局的統(tǒng)一規(guī)劃，某電廠為武漢市污泥無(wú)害化處置單位之一，以解決污泥填埋生成的二次污染問(wèn)題。本次污泥處置項(xiàng)目建設(shè)3×100 t/天80%含水率污泥干化線和3×67 t/天60%含水率污泥干化線，將來(lái)自武漢市城市排水發(fā)展有限公司的含水率80%的自來(lái)水廠污泥通過(guò)蒸汽圓盤干燥機(jī)干化成含水率40%的污泥，將武漢漢西污水處理有限公司的含水率60%的自來(lái)水廠污泥通過(guò)熱風(fēng)干燥機(jī)干化成含水率40%的污泥，本工程40%含水率的干污泥產(chǎn)量為9.7 t/h，干污泥與燃煤均勻混合后輸送至煤斗，經(jīng)給煤機(jī)輸送進(jìn)入中速磨制粉后進(jìn)入鍋爐燃燒，污泥得到減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化處理。

蒸汽圓盤干燥機(jī)、熱風(fēng)干燥機(jī)產(chǎn)生的尾氣冷凝后，不凝氣通過(guò)乏氣風(fēng)機(jī)送入廢氣引風(fēng)機(jī)入口母管， 與濕、半干污泥坑、干化車間、廢水處理系統(tǒng)、2#刮板機(jī)、3#刮板機(jī)抽氣合并，通過(guò)2臺(tái)廢氣引風(fēng)機(jī)出口的廠區(qū)乏氣母管送至兩臺(tái)鍋爐的四臺(tái)送風(fēng)機(jī)出口管道，進(jìn)入鍋爐助燃，同時(shí)除掉乏氣中的有機(jī)氣體。

本工程裝置年利用小時(shí)數(shù)6 500 h。

3 煤粉鍋爐耦合城市污泥發(fā)電方式對(duì)電廠系統(tǒng)的影響

13#、14#機(jī)組兩臺(tái)鍋爐摻燒污泥量約為9.7 t/h(日運(yùn)行按24 h計(jì)算)。兩臺(tái)鍋爐總耗煤量303 t/h，為了使分析更貼近于實(shí)際，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)取2018年湖北省火電年利用小時(shí)數(shù)4 500 h，在干化設(shè)備年運(yùn)行小時(shí)數(shù)6 500 h下，按照負(fù)荷率估算，鍋爐負(fù)荷取性能數(shù)據(jù)表中的75%THA工況負(fù)荷：兩臺(tái)鍋爐總耗煤量209.8 t/h，單臺(tái)鍋爐耗煤量104.9 t/h，則單臺(tái)鍋爐污泥的摻燒比例約為4.6%。

3.1 對(duì)鍋爐本體的影響

氯元素的存在可能會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱面的腐蝕，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)煤炭中氯含量一般為0.1%～0.2%(取平均值0.105%)，摻燒污泥(含水率40%)氯含量取為0.006%，污泥摻燒后混合燃料中氯含量約為0.099%，氯含量相對(duì)降低，并低于煤粉鍋爐對(duì)氯含量的控制上限0.3%。因此，燃煤鍋爐的高溫腐蝕處于正常可控范圍。

由于污泥中的氯含量低于煤，因此若增大污泥處理量，不會(huì)造成鍋爐的高溫腐蝕。

3.2 對(duì)電廠送風(fēng)機(jī)的影響

某電廠13#和14#鍋爐的送風(fēng)機(jī)TB點(diǎn)流量為479 534 m3/h，運(yùn)行小時(shí)數(shù)取6 500 h時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)運(yùn)行流量為331 985 m3/h，本項(xiàng)目?jī)膳_(tái)廢氣引風(fēng)機(jī)出口總流量TB點(diǎn)為94 200 m3/h，設(shè)計(jì)工況下廢氣進(jìn)入2臺(tái)爐的4臺(tái)送風(fēng)機(jī)出口，占每臺(tái)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量比例為7%；校核工況下廢氣進(jìn)入1臺(tái)爐的2臺(tái)送風(fēng)機(jī)出口，占每臺(tái)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量比例為14%。

13#、14#爐4臺(tái)送風(fēng)機(jī)為動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，當(dāng)乏氣進(jìn)入送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道后，可以在DCS上通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)葉角度來(lái)降低風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量，保證鍋爐風(fēng)量平衡、燃燒穩(wěn)定。廢氣引風(fēng)機(jī)全壓頭9 300 Pa，已充分考慮送風(fēng)機(jī)出口背壓的影響。

在校核工況下，廢氣進(jìn)入1臺(tái)爐的2臺(tái)送風(fēng)機(jī)，依據(jù)已投運(yùn)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)能夠在動(dòng)葉開度22%左右穩(wěn)定運(yùn)行。在此風(fēng)門開度下，兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量為210 994 m3/h，則兩臺(tái)廢氣引風(fēng)機(jī)出口總流量最大為748 073 m3/h，即摻燒77 t/h的40%含水率的干污泥，乏氣管道尺寸為Φ3 420 mm×3 mm，至老廠的乏氣管道布置會(huì)變得極為困難。因此污泥處理量與乏氣管道布置需要平衡。

根據(jù)鍋爐廠提供的熱力計(jì)算匯總表，鍋爐最低穩(wěn)定運(yùn)行工況為50%THA工況，在該工況下空預(yù)器進(jìn)口二次風(fēng)量為542.7 t/h，風(fēng)溫23 ℃。因此50%THA工況下，單臺(tái)送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量為227 451 m3/h。此時(shí)，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度為59%。因此，在50%THA工況下，污泥干化系統(tǒng)對(duì)鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)影響。

3.3 對(duì)電廠制粉系統(tǒng)的影響

本工程為2×350MW機(jī)組，采用中速磨煤機(jī)正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐設(shè) 5 臺(tái)長(zhǎng)春發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司提供的MPS170HP-II 型中速磨煤機(jī)。

對(duì)于煤粉鍋爐中污泥的最高摻燒比例，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南(試行)》明確為：“在現(xiàn)有熱電廠協(xié)同處置污泥時(shí)，入爐污泥的摻入量不宜超過(guò)燃煤量的 8%”。當(dāng)污泥摻燒設(shè)施設(shè)計(jì)日處理能力為233 t(含水率在40%左右的干化污泥)，系統(tǒng)按日利用時(shí)間24 h設(shè)計(jì)，則每小時(shí)約需要摻燒約9.7 t的干化污泥。本項(xiàng)目干化污泥若同時(shí)摻燒至兩臺(tái)爐時(shí)，污泥摻燒比例約為4.6%；若一臺(tái)機(jī)組停機(jī)，干化污泥摻燒至單臺(tái)爐時(shí)，污泥摻燒比例約為9.2%。摻燒比例略高于8%。

部分文獻(xiàn)如《300MW亞臨界燃煤鍋爐污泥摻燒性能試驗(yàn)研究》[3]、《700MW燃煤發(fā)電廠污泥摻燒技術(shù)應(yīng)用分析》[4]提出污泥摻燒比例增加到10%，對(duì)煤質(zhì)成分、鍋爐燃燒穩(wěn)定性、鍋爐熱效率等影響不大，主要污染物滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

若按照每小時(shí)兩臺(tái)鍋爐摻燒約9.7 t的干化污泥，根據(jù)熱值折算，則單臺(tái)鍋爐燃料(煤+干化污泥)耗量約從原來(lái)的 104.9 t/h 增大為 108.4 t/h。本工程有 5 臺(tái)磨煤機(jī)(4 運(yùn) 1 備)，按照增加的燃料量約3.5 t/h平均到4臺(tái)磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)出力約為27.1 t/h。機(jī)組采用的MPS170HP-II型磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)其保證出力45.1 t/h，磨煤機(jī)研磨出力可以滿足要求。同時(shí)，由于污泥可燃，能夠代替部分燃煤，因此摻燒9.7 t/h的干化污泥可以節(jié)約設(shè)計(jì)煤種1.4 t/h。

若增大污泥處理量，則混煤的水分提高，熱值下降，這將影響制粉系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算。建議污泥摻燒比例不超過(guò)10%，即摻燒22.5 t/h的40%含水率的干污泥，若超過(guò)10%，首先需要將混煤煤質(zhì)提交鍋爐廠、磨煤機(jī)廠，重新配合進(jìn)行干燥計(jì)算，確定新的磨煤機(jī)入口熱風(fēng)風(fēng)溫、風(fēng)量。運(yùn)行方面，可減少調(diào)溫冷風(fēng)的量來(lái)提高進(jìn)入磨煤機(jī)熱一次風(fēng)溫。必要時(shí)需要對(duì)鍋爐進(jìn)行改造，比如對(duì)鍋爐空預(yù)器進(jìn)行改造或?qū)﹀仩t省煤器進(jìn)行改造，目的是提高空預(yù)器出口一次熱風(fēng)溫度，同時(shí)應(yīng)在一次風(fēng)機(jī)裕量范圍內(nèi)，否則需同步更換一次風(fēng)機(jī)；其次應(yīng)協(xié)調(diào)磨煤機(jī)廠按照混煤煤質(zhì)重新進(jìn)行磨煤機(jī)保證出力計(jì)算。

3.4 對(duì)電廠除塵、脫硫系統(tǒng)的影響

摻燒污泥對(duì)電廠現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施的影響是電廠的重要關(guān)注點(diǎn)。

根據(jù)熱值折算，本項(xiàng)目污泥的百分比為4.6%。對(duì)于該問(wèn)題，分為以下幾個(gè)步驟：

(1)確定污泥的成分，本課題的污泥成分來(lái)自環(huán)境影響報(bào)告書。根據(jù)污泥所占比例，得出混煤的成分分析。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)搜集到的青山熱電廠提供的鍋爐熱力計(jì)算匯總表，編制燃燒計(jì)算書，分別得出現(xiàn)有煤質(zhì)原始粉塵、二氧化硫排放濃度。

(3)根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告中實(shí)測(cè)的原電廠粉塵、二氧化硫排放濃度進(jìn)行線性折算，求出混煤的粉塵、二氧化硫排放濃度。

摻燒污泥后的混煤煤質(zhì)及燃燒計(jì)算匯總表如表1所示。

表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

混煤后，根據(jù)燃燒計(jì)算，得出干態(tài)、標(biāo)態(tài)下混煤的空預(yù)器出口PM濃度、SO2濃度。在環(huán)保措施不變的情況下，經(jīng)過(guò)線性折算，可以得出混煤的粉塵排放值為5.01 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))、SO2排放值23.03 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，比摻燒污泥前略有上升，但依然可以滿足排放要求。

因此，已有的粉塵、SO2污染物處理設(shè)施能夠滿足混煤燃燒的排放物要求，不需要額外增設(shè)粉塵、SO2環(huán)保處理設(shè)施。

若增大污泥處理量，摻燒583.4 t/h的40%含水率的干污泥，污泥摻燒比例加至94%，計(jì)算結(jié)果顯示SO2排放僅為31 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，粉塵排放為10 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，粉塵排放濃度將會(huì)超標(biāo)，SO2排放濃度依然在環(huán)保限值以內(nèi)。

3.5 對(duì)電廠脫硝系統(tǒng)的影響

參照《燃煤電廠摻燒市政污泥工程大氣污染分析》[5]一文對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠摻燒污泥前后的在線監(jiān)測(cè) NOx排放濃度對(duì)照結(jié)果：隨著污泥摻燒率從0%提高至7.35%，4#鍋爐NOx排放濃度從34 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))下降至26 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))；隨著污泥摻燒率從0%提高至3.63%，3#鍋爐NOx排放濃度從41 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))下降至35 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))。NOx排放濃度的降低可能與污泥中存在的少量尿素、氨水等物質(zhì)的吸收作用和灰塵微孔吸附有關(guān)。

參照《700 MW燃煤發(fā)電廠污泥摻燒技術(shù)應(yīng)用分析》[4]一文中，700 MW燃煤電廠摻燒50%含水率污泥時(shí)，隨著污泥摻燒率從0%提高至10%，煙囪出口處測(cè)得的NOx排放濃度從23.8 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))下降至21.3 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))。

現(xiàn)有項(xiàng)目脫硝工藝為SCR脫硝，青山熱電廠2015年對(duì)煙氣環(huán)保設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，在原有脫硝系統(tǒng)2層催化劑的基礎(chǔ)上，再增加一層催化劑。根據(jù)青山電廠 13#、14#機(jī)組鍋爐煙氣在線監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物排放濃度在 35mg/m3上下波動(dòng)，本次NOx保守按照維持35 mg/m3不變，不需要額外增設(shè)脫硝環(huán)保設(shè)施。

若繼續(xù)加大污泥處理量，由于NOx排放濃度隨污泥量的增大而減小，因此對(duì)脫硝系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。

3.6 對(duì)電廠二英排放的影響

六項(xiàng)對(duì)電廠系統(tǒng)影響的邊界條件如表2所示。

表2 各項(xiàng)影響因素的邊界條件 t/h

從表2可以看出，制粉系統(tǒng)是摻燒污泥量的重要限制因素，若需提高摻燒污泥量，則需要與鍋爐廠、磨煤機(jī)廠進(jìn)行深度配合。

4 結(jié) 論