某300MW机组亚临界锅炉掺烧污泥的可行性研究

2017-12-04伟丛日成吴景兴李彦龙王岩焦

资源节约与环保 2017年11期

关键词：制粉结焦煤粉

孙伟丛日成吴景兴李彦龙王岩焦健

（1华电电力科学研究院东北分院辽宁沈阳 110792国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院辽宁沈阳 110179 3中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司辽宁沈阳 110179）

某300MW机组亚临界锅炉掺烧污泥的可行性研究

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本文阐述了某300MW亚临界机组掺烧污泥技术的特点，介绍了污泥燃料特点和锅炉掺烧污泥过程中可能出现的问题及解决方案，以及锅炉掺烧污泥系统改造方案。

亚临界；污泥；掺烧

引言

近年来，随着国民经济的飞速发展，污泥的处置已经成为各级政府日益关注的重大环保课题，各地也开始尝试不同的污泥处置方法，但是与迫切需要处理的巨量污泥相比，还缺乏装备大规模、可持续、无二次污染地处置污泥的技术设备的具体规划。

1 某电厂污泥改造项目的背景

为彻底解决市里污水处理产生污泥的处置问题，某电厂和环保公司共同合作，采取侧重于污泥热干化加电厂焚烧的处置方式。污泥处置按照干化和焚烧分开的技术路线，污泥脱水、干化由环保公司在厂外完成，干污泥焚烧在电厂完成，即在厂内建设干污泥储存仓、输送装置，并将干污泥与煤按适当比例进行掺配，然后投入锅炉进行燃烧发电。

2 掺烧燃料热力特性研究

污泥通常含水率为80%左右，低位发热量在2000kcal/kg左右，热值很低，无法直接燃烧。污泥干化后，含水率20～30%左右，其低位发热量在2000kcal/kg左右，可以作为低品质轻质燃料，与煤掺混后作为掺混燃料直接进入锅炉进行燃烧，从而既可以解决污泥的合理化处置问题，又可以节省锅炉燃料消耗、降低机组发电成本。

2.1 掺混燃料的主要特性

干污泥、当前煤种和不同掺混比例的燃料特性见表1。

表1 干污泥、当前煤种与污泥掺混燃料特性

由表1可以看出：

（1）干污泥中挥发分和水分含量也很高，干污泥干燥无灰基挥发分含量在86～87%，收到基全水分含量在19～23%。

（2）干污泥中固定碳和热值较低收到基固定碳含量在23%左右，收到基低位发热量在9.5～10.1MJ/kg。

（3）干污泥中Fe和Hg等重金属含量略高，说明原始污水中可能含有部分工业污水比例。

（4）干污泥15%比例掺混燃料的收到基水分比当前煤种分别高出2.31个百分点。

（5）干污泥15%比例掺混燃料的低位发热量比当前煤种低了1.41MJ/kg。

2.2 污泥与煤掺混燃料特性

2.2.1 污泥与煤掺混燃料的燃烧特性

当污泥掺烧比例较大时，混合燃烧特性相似与污泥；污泥掺烧比例不大于1∶4时，混合燃烧特性与煤相等似[1]。可见，污泥在燃烧过程中，其高挥发分的析出对燃烧起主要作用，挥发分级越高的混煤燃烧性能越好。

2.2.2 污泥与煤掺混燃料的着火特性

不同比例的污泥和煤混合的着火性能处于单煤和单泥之间，随着掺混比例的增加，混煤着火温度略有降低。分析其原因，由于污泥中含有的大量挥发分，在较低温度析出和燃烧，同时放出大量热量，从而使着火温度降低。因此，煤掺混污泥后着火性能比单煤更好。

2.2.3 污泥与煤掺混燃料的燃尽特性

对于燃煤锅炉来说，煤粉的燃尽特性将直接影响锅炉的燃烧效率和运行经济性。煤的燃尽时间和燃尽温度是反映煤燃尽特性的主要指标。燃尽时间越长，表明燃尽性能越差。

2.2.4 污泥与煤掺混燃料的结渣特性

从干污泥和煤掺烧后的锅炉结渣情况考虑，污泥的掺混比例不宜过高。当掺混比例不大于1:4时，属于轻微结渣，当掺混比例大于1:4时，属于中等结渣。因此，对于掺烧污泥的锅炉，应保持适当的掺烧比例以有效防止锅炉结渣。

2.2.5 污泥与煤掺混燃料的爆炸特性

根据《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》规定，煤粉的爆炸特性与煤的易燃性、灰分、水分、煤粉细度、气粉混合物的温度和浓度、气粉混合物的含氧量等因素有关。煤的爆炸性指数Kd综合了煤的易燃性和灰分的影响，可代表煤在水分、煤粉细度、温度、浓度、气粉混合物的含氧量相同情况下的爆炸特性。煤粉爆炸特性和爆炸性指数的关系见表2。

通过公式计算得出，当前煤质和干污泥的爆炸性指数Kd分别为8.81和102.82，当前燃用煤种的爆炸性为中等，干污泥的爆炸性为极易爆；掺混15%干污泥的混煤煤粉爆炸特性指数Kd为17.46，混煤煤粉的爆炸性分别为极易爆炸。因此在干污泥输送、储存、掺烧过程中，应对系统采取防爆措施。

表2 煤粉爆炸性和爆炸性指数的关系

3 掺烧污泥主要技术问题

结合污泥和煤掺混燃料的特性加以分析，锅炉掺烧污泥后可能遇到的问题有制粉系统爆炸、原煤仓和煤粉仓板结、锅炉结焦、受热面腐蚀等。

3.1 制粉系统爆炸

根据《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》计算，干污泥可列为极易爆煤质；当干污泥掺烧比例为15%时，属于极易爆煤质。

电厂制粉系统原设计为中储式，由于中储式制粉系统设备较多和管线较长，较其他制粉系统相对复杂，更容易发生制粉系统着火、爆炸等事故，存在极大的安全隐患。

对于煤粉和空气混合物，当燃料挥发分Vdaf＜10%时，一般没有自燃和爆炸的危险；当燃料挥发分Vdaf＞20%时，燃料挥发分析出和着火温度均较低，容易发生自燃和爆炸事故。

3.2 原煤仓和粉仓煤粉板结

干污泥和煤混合后燃煤水分增加，按15%比例掺混时制粉系统露点温度最高46.4℃，煤粉容易粘结在原煤仓及粉仓上，严重时会引发生原煤仓和粉仓板结，给煤机断煤和给粉机给粉不畅。

3.3 锅炉受热面的腐蚀和结焦

由于污泥中Cl和F等元素偏高，掺混燃料燃烧后产生HCl和HF比原来稍高，而且燃料中Cl、S及碱金属的碱金属含量增加，其化合物容易熔点较低，从而使锅炉结焦倾向增加，容易导致水冷壁和过热器的腐蚀、积灰和结焦。由于燃料中水分的增加，低温受热面易发生积灰、腐蚀。

若掺烧比例不合适，则有可能带来锅炉受热面腐蚀和结渣趋势增强等问题。因此应控制好掺烧比例，同时加强燃烧调整，若发生积灰和结焦严重，在主燃区增加吹灰器数量，增加防止结焦的辅助手段；同时对锅炉受热面腐蚀和结焦情况加强监控，应采取对锅炉受热面喷涂和吹灰系统优化等措施，进行防护。

4 锅炉掺烧污泥系统改造方案

干污泥与原煤在输煤皮带混合，再经制粉系统碾磨后进入锅炉燃烧的方案。

4.1 系统简介

针对目前电厂实际情况，本项目需要新增污泥输送系统，同时为保证制粉系统安全，也需要对制粉系统进行改造，即制粉系统保留原有的干燥介质，并引入一路惰化气体至磨煤机入口作为干燥和惰化介质。

系统流程：干污泥经输送系统至输煤皮带与原煤混合后进入炉前原煤仓，再经制粉系统研磨后，由制粉系统原有干燥剂和惰化气体共同送入炉内燃烧。系统流程简图见图1。

图1 系统工艺流程简图

4.2 制粉系统防爆改造方案

由于干污泥挥发分较高，爆炸等级列为Ⅳ级，即属极易爆炸煤种，在制粉系统碾磨、存储和输送过程中易发生爆炸。煤粉爆炸的基本条件是存在煤粉、一定的煤粉浓度和氧气浓度、足够的点火能量。制粉系统煤粉浓度均处于易爆范围，而且中储式制粉系统管线长、设备复杂，非常容易造成原煤在磨煤机入口堆积，以及煤粉在磨煤机出口至粉仓之间的设备上粘结，使得锅炉掺烧干污泥后极易发生制粉系统爆炸，严重影响机组锅炉的安全运行。因此，若有效消除制粉系统爆炸条件，只有在制粉系统中掺入惰化介质，进而大幅度降低氧气浓度，使氧浓度降低至煤粉空气混合物不能点燃的条件。

根据抽取炉烟点的位置不同，中储式制粉系统惰化常用介质主要为热炉烟和冷炉烟。由于掺混燃料的水分增加不多，结合根据现场实际情况，采用抽取冷炉烟作为制粉系统惰化介质，即从除尘器后（引风机出口）抽取烟气进入制粉系统。这种方式都可有效控制粉系统终端含氧量控制在16%以下，满足DL/T 5203《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》中有关要求。

5 结论

5.1 项目建设的可行性

污水厂污泥可以用于发电厂锅炉焚烧发电辅助燃料。按照“节能减排”和“循环经济”的思想，充分利用污泥所具有的热源和余热优势和污泥自身所特有的热值，对城市污水厂污泥进行资源化利用。同时，电厂掺烧干化污泥进行锅炉焚烧发电，整个工艺过程既可以达到国家环保标准，又可以实现对城市污泥的无害化处理和资源化利用的目的。

因此，本项目建设是可行的。

5.2 项目建设的经济效益、社会效益和示范效益

5.2.1 经济效益

污泥掺烧项目建成投产后，总投资2490.8万元，每年可带来经济效益2800万元左右，1.23年即可为电厂收回投资成本。

5.2.2 社会效益

彻底杜绝了因污泥填埋对城市环境造成的二次污染，基本实现了城市污水处理厂污泥的零排放。

每年干化焚烧湿污泥26.4万吨污泥填埋每3万吨按8亩耕地计算，可为国家节省70.4亩耕地/年。

每吨干污泥综合填埋费用按200元计算，可为国家节省约5280万元/年。

利用干化污泥替代能源发电，每年节约煤炭资源2.03万吨标煤。

5.2.3 示范效益

目前，全国大部分城市的市政污泥都没有得到妥善解决。北京、上海、重庆等城市都面临着急需解决的问题。本项目每天处理市政湿污泥800t/d，本项目的顺利实施，会解决污水厂污泥对环境造成的二次污染，对全国大中型城市具有示范作用。

总之，本项目实施后将会产生巨大的社会效益、经济效益和示范效益。