热动力站锅炉掺烧气固废弃物的分析

潘世汉

(浙能集团 新疆准东能源化工有限公司，新疆 奇台 831800)

煤制气是煤炭清洁利用的重要方向，存在众多利好因素，因而被相关行业看好.目前国内已投产的煤制天然气项目还不多，合计产能约3.4×109m3，而未来3年，煤制气总产能有望超过5.0×1010m3，投资规模将达到2 000多亿元.但煤制气又不可避免地使各类排放增加，项目面临较大的环保压力.[1]目前，煤制气生产企业最大的困境除了污水处理外，还集中于副产气固废弃物的综合利用处理，如气化炉膨胀槽出来的膨胀气、粉煤气化炉经洗涤后排出的细灰滤渣、熔渣气化炉产生的含尘焦油，以及其他有利用价值的煤污泥(包括生化污泥)等.若这些气固废弃物对外排放或就地填埋，既占用大量土地，又严重污染环境;若将这些废弃物作为劣质燃料，送入热动力站锅炉进行燃烧处理，又会带来设备安全和燃烧稳定性等一系列问题.[2-3]因此，妥善处理气固废弃物，并对这些废弃物进行综合利用，已成为已建、在建或拟建的各项目亟待解决的一大难题，也是国内外所有煤化工行业未来共同面临的一个重要课题.

1 掺烧气固废弃物的经济性分析

我国煤的种类很多，选择合适的气化技术相当重要，目标产品不同应采用不同的气化技术.

以新疆准东煤制天然气项目为例，项目规模为2.06×109m3，配套3×560 t/h热动力站锅炉.采用的准东煤煤种，其燃料特性具有中高挥发份、中高热值、中高水分、低硫煤、低灰熔点、高钠钾，以及煤种自身的燃烧性能较强等特点，为易自燃、易结渣、粘污煤种.为避免气化炉与原料煤种不匹配，防止出现气化炉内壁腐蚀及内夹套减薄等问题，[4-5]保证装置实现连续长周期稳定运行，该项目经反复调研及多种技术方案比较，最终选择以10～70 mm的块煤为原料的熔渣气化和以10 mm以下的粉煤为原料的粉煤气化组合工艺，以实现煤炭资源的充分利用.其中，碎煤加压固定床熔渣气化采用 YM 技术，采用熔渣气化炉16台(12开4备)，单炉投煤量为1 200 t/d;气流床粉煤加压气化采用HT-L技术，采用粉煤气化炉4台，单炉投煤量为2 000 t/d.

准东煤煤种特性如表1所示.

表1 准东煤煤种特性

该项目设计废气排放量为2 200 Nm3/h，若不考虑废弃物燃烧，则热动力站锅炉燃料煤消耗量约为1.256×106t.按照满负荷运行，每年含尘焦油产生量约为4.0×104t，每年粉煤气化细灰滤渣产生量约为3.23×105t，则固体废弃物合计约为3.63×105t.若将这些固体废弃物全部送入锅炉掺烧，则占燃料煤的29%.折算成综合原煤:

363 000 t/a×12 000 kJ/kg(细灰滤渣、含焦油尘、膨胀气平均热值)÷16 895 kJ/kg(燃料煤热值)=258 000 t/a.

废弃物价格平均为20元/t，燃料煤综合价160元/t，相差140元/t，仅废弃物利用一项，每年可为项目公司降低成本约3 612万元.

由表1可知，若以节能、环保优先为原则，大力推行废渣、废气资源化利用或无害化处理，除社会效益显著外，经济效益也相当可观，将会大大提高市场的竞争力.

2 气固废弃物燃烧特性分析

2.1 含尘焦油

含尘焦油来源于熔渣气化炉产生的粗合成气.粗合成气由于出口温度高且含焦油、煤尘等杂质，故在洗涤冷却器内首先经酚水洗涤喷淋，洗涤后产生的含尘煤气水经膨胀闪蒸到常压后，依靠自重进入焦油分离器，在焦油分离器内利用不同组分的不同密度，重力分离为焦油油和中油、酚水及焦油和煤尘这3层，上两层被分别送到专门的处理装置继续深加工，位于第3层的焦油和煤尘则沉降于分离器底部.

分离器内通常设置电机驱动的锥形刮刀，以保证焦油和煤尘不会附于分离器底部壁上.沉积的含尘焦油(又称焦油渣)通常的处理方法是:从底部排料口排入集料箱，然后直接装车送至电厂作燃料或外销给当地加工厂.

新疆准东煤制气项目，其设计含尘焦油产生量约为熔渣气化炉投煤量的0.8% ～2%，每年约为4.0×104t，含焦油尘的主要成份是:焦油和煤粉，焦油占20% ～24%.

2.2 细灰滤渣

细灰滤渣是原煤经过气化炉高温环境后形成的，为粉煤气化炉干粉气化再经粗煤气洗涤后的产物.气化炉出来的粗煤气经文丘里洗涤器洗涤后进入合成气洗涤塔，洗涤塔底部的煤气水经高压闪蒸罐和真空闪蒸罐分离气态成分后进入沉降槽，在沉降槽里浓缩后，泵压至真空过滤机进行过滤，过滤后的细灰滤渣泵压输送至炉膛或装车外送至渣场，过滤水则自溢流至沉渣池.

经洗涤、过滤后排出的细灰滤渣，具有低灰、低硫的特点，其颗粒度偏小(固态颗粒直径在50 μm以内)，全基含水量为40% ～50%、干基含碳量为30% ～40%，热值约1 300～1 600 kcal/kg，可视作低热值碳粉，其反应活性、燃烧性能明显低于原煤.由于固定碳含量高，挥发分含量较低，因而其着火点高，在相同的燃烧环境条件下，对其利用就需要较高的燃烧温度和较长的高温停留时间;产生的干基滤渣量约为15 t/h(含水滤渣量约为30 t/h).

根据有关方面提供的分析报告，粉煤气化产生的细灰滤渣与粗渣一样不可燃烧，但可利用价值大，可优先综合利用(比如用作水泥、建材原料)，或送厂外渣场堆放.气化炉固体废弃物排放量如表2所示.

表2 固体废弃物排放一览

2.3 膨胀气

膨胀气(废气)指的是气化炉中煤与蒸汽反应产生的粗煤气，粗煤气中有大量烟尘和水分，送入煤气水分离器，即煤气水进入膨胀槽减压后产生的废气，一般组分为 CO2，H2S，各种烃类，其中H2S含量为2.5%，废气温度约为60℃.而煤气水有3个来源:加压气化来的高温含尘煤气水进入余热锅炉以生产低压蒸汽回收热量，该部分煤气水为含尘煤气水;煤气冷却工段来的煤气水为含油煤气水;煤气变换冷却工段来的煤气水为含焦油煤气水.膨胀气组分如表3所示.

表3 膨胀气组分

3 掺烧气固废弃物的技术难点

(1)固废弃物含尘焦油的输送问题突出.由于熔渣气化炉产生的含尘焦油具有黏稠、结团、低温下易凝结、含水分偏高且不稳定等特点，导致输送泵及入口管路经常出现堵塞等现象，使分离器底部的沉降物料无法及时排出，影响了装置的正常运行.含尘焦油较为粘稠，无法提炼，无法输送，无法直接掺入原煤进行掺烧.此外，含尘焦油还存在对温度变化的敏感性问题:在70±5℃时性质稳定，流动性好;小于60℃时流动性差易凝固;大于80℃时，流动性虽好但易碳化，静置48 h以上时会有碳粒析出，出现结焦现象，碳粒呈圆球状，有弹性，易粘附于管壁上，会增加流动阻力，若温度继续升高，碳化加剧，碳粒变硬，粘附管壁上后不易清除，严重时堵塞管道.因此，处理含尘焦油时，其流动性与输送问题是最大的瓶颈.从云南某公司气化炉分离系统出来的含尘焦油取样情况看，在没有伴热管线时，其流动性还好，但堵塞现象时有发生，需要在含尘焦油管路及输送泵增加伴热管线，并控制好温度，才能确保输送畅通.

(2)环境污染严重.由于细灰滤渣颗粒度细小，颗粒之间结合比较紧密，保水性好，基本不离析，含水率超出上限时，尽管因含水率高而具有一定的流动性，但由于颗粒较细，容易出现沉积析水现象，致细渣沉积堵管，即水被泵压出而细渣则沉积下来，导致管阻增大而无法输送.从调研情况看，当出现管路堵塞、需要隔离疏通或输送设备发生故障而不得不中断系统运行时，对煤化工企业来说简直就是一场“灾难”，因为需要处理或疏通清理的时间较长，且底部没有收集坑，废弃物只能外排，搞得遍地黑乎乎，而且只能人工清理，乌烟瘴气，会造成严重的厂内环境污染问题.

(3)含水率偏高.含尘焦油中含水率较高，且不易乳化，有时会出现油包水现象，目前国内外的煤化工企业在生产过程中其焦油含水率一般要求在4%以下，但一些装置几乎很难达到这一水平.一些企业采用焦炭过滤器、汽浮除焦油器等，以达到净化含尘焦油的目的，但其净化效果并不理想，流动性问题及后续输送过程中的沉积堵塞问题仍无法得到解决.细灰滤渣的情况相类似，含水率过高后，细渣易结块，供应不畅，影响燃烧，容易产生锅炉着火滞后的现象.另外，根据有关研究结果，当负荷高时粗煤气带尘严重，从而限制了化工装置负荷率和运行压力的提升，其主要原因是煤种内水高时提高了粗煤气带尘量，而外水则影响不大.

(4)配煤难度大.配煤稍有不当，会使炉膛结焦，甚至燃烧不稳，容易熄火.首先，固体废弃物作为固定的锅炉燃烧煤种，掺烧比例能够达到20%～30%，最大掺烧比例为30%，若超出上限，可能会出现燃烧不稳，甚至灭火的现象，这一点要特别注意;其次，细渣挥发分低，而准东燃料煤挥发分高，两者在炉膛内存在着火温度和燃烧速度的差异;再次，细灰滤渣过低的发热量也容易造成锅炉燃烧不良，在细渣掺烧量较大时情况尤甚，容易导致锅炉熄火.

(5)煤气水膨胀气腐蚀问题.将膨胀气送出界区外，由热动力站锅炉同时负担气化含尘气和含焦气膨胀槽产生的废气，这是各项目的追求方向.在与锅炉厂及同类型煤化工企业交流时，大家共同关心的是废气中含有的2.5%H2S对炉膛受热面及尾部烟道各换热器的腐蚀问题，而且综观国内煤化工行业，将含有硫化氢的膨胀气送入锅炉中燃烧，普遍的做法是送入硫回收装置处理.此外，由于膨胀气的主要成分为71%CO2，11%H2O，10%H2，3.5%CO，3%CH4，1.5%H2S，含有不可燃物质太多，掺烧会影响锅炉效率.[6]

(6)对其他设备的影响.以循环流化床锅炉(以下简称“CFB锅炉”)为例，通过掺加试验发现以下问题:一是根据物质守恒定律，循环流化床锅炉的循环物料增加，必然导致烟气中携带的物料增加，造成锅炉受热面磨损程度加剧，灰分大也是造成尾部烟道受热面磨损的原因;二是随着掺烧比例的增加，粉煤灰发热量的不稳定性会造成锅炉燃烧的不稳定;三是细灰滤渣燃烧后产生的烟尘较之原煤燃烧，烟尘特性发生了变化，浓度大，粉尘细，可能影响除尘器效率;四是细灰滤渣因灰分较大，挥发分偏低，燃尽度较差，将增加机械不完全燃烧损失，会降低锅炉效率.

4 不同炉型对掺烧废弃物的影响

掺烧废弃物的关键是锅炉选型.CFB锅炉在运行中的问题较煤粉锅炉要多，流化床独有的布风板装置和飞灰再循环燃烧系统使送风系统的阻力远大于煤粉锅炉送风的阻力，因而相对于煤粉锅炉，一方面，CFB锅炉一次风机、二次风机、流化风机压头高，用电率比煤粉炉至少高4% ～5%以上.[7-8]另一方面，CFB锅炉内的物料具有高浓度、高风速的特点，锅炉部件的磨损较严重，锅炉尾部受热面的磨损比煤粉炉大，风帽等核心部件较易磨损，耐火耐磨层磨损、开裂和脱落更是CFB锅炉较棘手的问题，故CFB锅炉连续运行小时数比煤粉炉要短.所以，在煤化工行业选型中，如果燃料煤质供应可靠且燃料含硫量低，可考虑煤粉锅炉，它具有燃烧稳定、辅机技术成熟、自动化程度高、易于操作、运行周期长、维修量相对较小的优点，适合化工系统长周期安全稳定运行的特点，但缺点是煤粉炉对煤质的要求较高，对煤种的适应性较差，尤其是含尘焦油无法直接掺混到燃料煤里送入磨煤机制粉.[9]

反之，若立足于燃烧劣质煤种并掺烧气固废弃物等多种劣质燃料，且供应的煤质很不稳定、环境排放要求又苛刻，则CFB锅炉由于炉内有大量床料，蓄热能力强，而且采用飞灰再循环系统，燃烧热强度大，炉内传热能力强，因而只要燃料燃烧产生的热值大于把燃料本身及燃烧所需空气加热到稳定温度(850～950℃)所需的热量，这些劣质煤种就可以在流化床内稳定燃烧.除了对燃料适应性特别好，对劣质燃料都能够“吃干榨净”外，CFB锅炉还具有燃烧效率高、负荷调节范围大、燃料制备破碎系统较简单，以及无复杂的磨煤制粉系统、燃烧污染物排放低等特点.故考虑燃烧滤渣、煤泥、污泥等劣质燃料，CFB锅炉是一种比较好的选择，而且与第一代相比，目前的CFB锅炉无论是在技术上还是结构上均有较大变化，锅炉最长连续运时间可达到440 d，完全克服了运行周期短、维护困难等问题.

5 气固废弃物在CFB锅炉中的掺烧应用

5.1 细灰滤渣在锅炉中的掺烧应用

CFB锅炉掺烧煤泥在国内得到了广泛应用与推广，并且运行可靠性高、经济性好、技术装备系统可靠，故可借鉴这方面经验，在不影响现有CFB锅炉负荷的情况下，将细灰滤渣作为CFB锅炉的掺烧原料，因为细灰滤渣与煤泥有相似的形态和特征.

从现场实际采集到的细灰滤渣来看，航天炉气化工艺产生的滤渣含碳量比较高，滤渣结构比较松散，可与燃料煤掺烧.由于采用液压泵直接输送至炉膛方式存在堵塞问题，为避免这些问题的发生应采取如下措施.

(1)设法提高真空皮带过滤器的脱水率，将滤渣含水率脱水至15%以下，再将滤渣通过烘干系统进行蒸发干燥，将其含水量继续降低至5%以下，变成固态后，直接掺到煤里送入炉膛或选择同燃料煤掺混一起进入简单的破碎系统，破碎到满足入炉要求的粒度后再送入CFB锅炉炉膛.同时，为保证干燥后的细灰滤渣不扬尘或进入输煤环节时不粘煤、不堵塞，还需确定物料干燥后的水分控制.

(2)为保证整个生产流程的正常运行，应在分离器下部安装仓壁振动器，使滤渣能从仓口顺利排出.在选择何种滤渣管道输送系统时，要进行综合分析，就输送滤渣的可行性、对滤渣的适应性、运行故障率、输送系统的复杂程度、投资费用、运行成本等多方面进行横向比较分析.具体掺烧比例可根据日产滤渣量及掺混后煤种煤质对锅炉的适应性来决定.

(3)CFB锅炉掺烧滤渣最好采用锅炉炉膛上部高位给料、异比重流化燃烧的方式.滤渣从炉膛上部送入并配有切割风，通过滤渣在下降过程中的不断干燥、水分蒸发、爆燃达到正常流化的颗粒.在炉膛浓相区，由给煤机送入一定颗粒度的煤矸石作为底料，使炉膛浓相区有足够的物料浓度，以保证滤渣完全燃烧.

5.2 废气在锅炉中的掺烧应用

尽管废气的硫腐蚀问题值得关注，但根据分析，气化含尘气和膨胀槽产生的废气送至锅炉中燃烧在理论上仍是可行的，原因如下:[10]

(1)根据废气总量及成分分析，掺烧的总废气量非常少，比如新疆准东煤项目设计最大排放量只有2 200 Nm3/h，同时H2S含量相对较少，只有2.5%(甚至1.5%)，再加上准东煤本身含硫量又较低，若没有特殊情况，锅炉燃烧膨胀气应无问题;

(2)对于CFB锅炉，若辅以炉内喷入石灰石脱硫措施，则炉膛出口的 SO2含量就非常小，使SO2所产生的酸性物质对低温段各受热面的低温腐蚀影响也相对较少;

(3)由于CFB锅炉炉膛内的低温燃烧，使得炉膛的床温及受热面的壁温均处于一个较低水平，因此不会出现炉膛内受热面高温腐蚀情况.

根据上述分析，气化装置废气回热电锅炉进行燃烧相对容易实现，掺烧废气可通过气枪送入炉膛，废气中的H2S在炉内可以完全燃烧(具体应根据气体量、压力、成分、热值等参数进行设计).例如某工程项目现有3台220 t流化床锅炉，1台50 MW抽凝机组，来自煤气水分离膨胀槽的膨胀气含量为:70%CO2，3%H2，10%CO，1%H2S，3%CH4，热值约为 1 000 kcal/Nm3.此类废气直接送入锅炉燃烧时没有设置专门的气体燃烧器，它只是混合在二次分管中，以播风形式进入炉膛混合燃烧;当硫回收装置出现故障时，低温甲醇洗出来的H2S(含量为20% ～30%)酸性气体与煤气水来的废气混合，也一起进入炉膛燃烧，该股气体含有少量的C3C4可燃气.

但煤气水分离中的膨胀槽废气并没有完全进入锅炉燃烧，而是一部分对外排空，释放出恶臭气味(主要为H2S);锅炉在处理废气时是直接通过管子吹入炉膛，此方式在废气压力控制不好时，有回火现象，并出现小微爆.建议采用气体燃烧器将废气送入炉膛，并根据废气的燃烧特性及掺烧量，合理设置废气入炉的高度和喷入口数量;废气量及回收系统可按正常运行容量和非正常工况容量进行核算，回收管道及燃烧工艺可按照天然气管道工艺要求进行设计.同时，应注意废气燃烧器入口及细渣给料口，若布置在炉膛顶部时，要避免被引风机直接抽走.

5.3 含尘焦油在锅炉中的掺烧应用

熔渣气化焦油分离系统排出的焦油渣中仍含有部分焦油，回炉燃烧困难较大，会给下游管道及设备带来沉积堵塞等现象，但由于工艺问题，无法以增加设备的手段来改变这种状况.在此情况下，提出如下建议.

(1)提取类似的碎煤加压气化炉工艺含尘焦油样品，对样品成分进行仔细分析，以确定是否适合磨煤机研磨或者加热后直接输送至CFB炉膛，或者选择其他含尘焦油分离工艺等.

(2)要做好设备选型或进行技术更新改造，尽可能提高焦油分离效果，提高焦油回收率，使含尘焦油中的焦油和悬浮物比率进一步下降.

(3)可采用工艺助剂，降低焦油的表面张力，破坏乳化层中的平衡状态，加强分离效果，最大限度地降低焦油渣中夹带焦油的可能，而且该方法可以降低焦油粘度，改善含尘焦油的流动性，更加容易分离，在容器或管壁上沉积的可能性大大降低，提高了输送质量，有利于含尘焦油的后期处理，减少清理频率.目前在对含尘焦油分离、净化没有有效技术手段的情况下，采用添加化学药剂的方法无疑更具有优越性.

(4)无论是废气还是固态废弃物，必须采用泵入前面的预处理环节，对废气进行脱水处理和杂质过滤，防止堵塞燃烧器以及对锅炉的燃烧产生不利影响.焦油净化则通常采用超级离心机3级处理，即通过离心机脱水，从分离下来的含尘焦油的取样来看，流动性尚可.

(5)含尘焦油脱水车间现场环境普遍较差，焦油气味较重，主要是由于开放式操作.为防止含尘焦油和细灰滤渣四处流动，解决因疏通清理而造成的环境污染问题，应设置配套的含尘焦油、细灰滤渣缓冲池或收集坑，并考虑一定的存储能力，以便不时之需.

6 结语

在煤制气项目中，气固废弃物作为一种性质比较特殊的燃料在热动力站锅炉上进行掺烧应用，可以说是一种新的尝试.由于掺烧上述若干废弃物后，热动力站锅炉由单一煤种变成多煤种燃烧，即准东煤与含尘焦油、细灰滤渣、膨胀气等劣质燃料进行相互混烧，使得锅炉的燃烧特性随着煤种的变化而发生变化，这必将给锅炉的安全稳定运行带来很大影响.要使这些废弃物能够长期适用于热动力站锅炉，需要重点解决以下两项工作:一是要不断拓宽视野，从其他企业的经验教训中找到适合自身实际的新方法、新思路，围绕重点难点问题进行必要的资金投入，加快装备更新，优化生产工艺;二是必须认真做好锅炉选型工作，根据煤种适应性及气化装置气固废弃物回炉燃烧适应性等进行综合考虑，对锅炉及辅助系统进行相应的优化专题设计或技术改造，解决好物料输送等问题，调整好各种燃料的掺烧比例，控制好锅炉燃烧的稳定性，同时还要进一步提高运行人员的操作水平，采取各种措施确保机组正常运行并达到额定参数，尤其在煤种严重偏离设计情况下，需要调整燃烧方式，以保证机组安全可靠的运行.

[1]闫顺林，王冬生.锅炉燃烧稳定性影响因素分析[J].电站系统工程，2005(1):29-30.

[2]陈信疆.调整锅炉燃烧方式以适应煤质变化的探讨[J].能源与环境，2005(1):17-18.

[3]任建兴，李芳芹.125 MW燃煤机组燃烧污染物排放的测试与分析[J].上海电力学院学报，2005，21(1):5-8.

[4]孟祥清，姜成旭，王立夫，等.一种含尘煤焦油分离的新方法[J].化工进展，2012，增刊:247-249.

[5]杨帅，石立军.煤气化细渣组分分析及其综合利用探讨[J].煤化工，2013(4):30-31.

[6]罗俊韬，杨友.航天炉气化滤饼应用方案探讨[J].中氮肥，2014(2):15-17.

[7]黄玉龙，郑德伦.循环流化床锅炉掺烧煤泥的探讨[J].热电技术，2006，89(1):11-15.

[8]程开献，蓝箭增，施勇刚.煤泥管道输送技术在循环流化床锅炉中的应用[J].能源技术与管理，2009(5):7-10.

[9]杨海瑞，岳光溪，王宇，等.循环流化床锅炉物料平衡分析[J].热能动力工程，2005，20(3):291-295.

[10]王明伟.煤锅炉掺烧炼化废气探讨[J].中氮肥，2006(5):17-20.