超超临界机组煤泥掺烧的干法应用

2020-02-12王林伟崇培安

发电设备 2020年1期

王林伟，崇培安，张磊

(1. 淮北申皖发电有限公司，安徽淮北 235000； 2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

近年来，随着环境问题不断凸显和社会对可持续发展问题认识的日益深入，煤炭洗选废弃物的处理和利用方式受到业内人士的广泛关注。2016 年，我国进入了第十三个五年规划和全面建设小康社会的阶段，社会的发展和不断完善推动着我国能源结构的转变。中国作为能源消费大国，近十年以来，煤炭、石油、天然气等化石能源消费总量一直保持稳步增长，煤炭的消耗最为显著，我国以煤炭为主导的能源现状在较长的时间内不会改变。

洗选是进行煤炭清洁利用的主要手段，原煤入洗量及煤泥产量呈逐年上升趋势。我国能源部印发的《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020)》中指出，预计2020年我国煤炭产量将达到45 亿t，原煤入洗率接近 80%，届时按入洗原煤质量的10%计算，煤泥产量约为3.6 亿t[1]。目前煤泥大规模处理技术水平依然较低，处理方式不合理，煤泥利用率为70%，其中回掺中煤、直接燃烧等为主要方式，远不能达到煤泥的处理能力及清洁利用的要求。因此，煤炭洗选废弃物对提质增效、转型升级的要求更加紧迫，国家加强了对煤泥处置的力度。

为了提高煤泥利用率、实现煤泥规模化利用，笔者进行超超临界煤泥掺烧试验，重点研究了煤泥的干法应用。

1 煤泥燃烧利用技术

煤泥燃烧发电是实现煤泥规模化利用的首要选择途径[2]，煤泥的循环流化床燃烧处理是一种常见的方式，兴起于20世纪90年代，虽然只有不到30 a的时间，但是在国内得到了较快的发展。目前国内煤泥燃烧利用方法主要有以下几个方面：

(1) 湿法利用是将湿煤泥直接入炉燃烧发电。该方法在流化床中应用较多，湿煤泥在床内形成凝聚结团，为了防止煤泥块团在流化床内沉积破坏流化质量，通常采用异比重流化床技术[3]。

(2) 煤泥与中煤掺烧可利用现有设备资源，具有较好的经济性，但同时存在很多问题，如输煤稳定性下降、锅炉效率下降、机组安全性降低等。

(3) 煤泥制浆燃烧是基于高浓度水煤浆技术发展起来的一项煤泥综合利用手段[4]。但是煤泥制成的浆液含水质量分数高，约为40%，造成大量燃烧热损失，产生大量烟气，对烟风系统、燃烧设备和燃烧条件有较高的要求，适用性不强。

(4) 干法利用是提高煤泥燃烧特性的一种手段。通过对煤泥进行干燥，降低煤泥中水分，从而提高发热量，改变燃烧特性。以含水质量分数为30%的煤泥为例，降低1%含水质量分数，其发热量可提高1.43%，而且干燥后，不仅能够单独燃烧，还能够与其他煤种进行掺烧[5]。

燃烧煤泥进行发电是煤泥规模化利用的方式，而煤泥的高水分特性是其规模化利用的最主要制约因素。对煤泥施行干燥处理，降低煤泥水分，其发热量得到提高，最终能够实现煤泥规模化利用。

2 煤泥干燥方案

实现煤泥干燥的方法主要有机械干燥和热力干燥。机械方法有筛分、离心和压滤三种方式，但其脱水率不高，处理过后，煤泥含水质量分数仍在20%左右，须要经过热力方式进一步干燥。在国内，工业应用的热力干燥方法主要是烟气干燥、蒸汽干燥等[6]。

2.1 烟气干燥

烟气干燥以高温烟气作为热力源对煤泥进行干燥，具有以下优点：煤泥与高温烟气热源直接接触，干燥强度高、传热效率高；系统简单、投资少、处理量大；检修方便、维护成本低。烟气干燥的缺点主要有：300～700 ℃的高温热风在烘干高挥发分含量的煤泥时，存在挥发分析出、煤尘爆炸的风险，有安全隐患；电厂规模化干燥煤泥时，从锅炉抽取的烟气量受到锅炉运行的限制；电厂采用烟气干燥工艺通常需要在锅炉较近的地方有工程场地。

2.2 蒸汽干燥

蒸汽干燥是利用低压蒸汽(温度通常小于250 ℃)作为热力源干燥煤泥的技术，对比烟气干燥，蒸汽干燥有以下优点：以电厂低品质的余热蒸汽作为热源，提高热能利用率；干燥温度低，系统安全性能好；蒸汽消耗量少，蒸发煤泥中1 kg水只需要1.3 kg蒸汽；热交换后的蒸汽经处理后可作为锅炉回水重复利用，节约水资源。虽然蒸汽干燥的安全性高、能耗低，但干燥处理量不大，且后期干燥效率低，一般只能将煤泥干燥到含水质量分数为10%～15%。

2.3 真空射流干燥

真空射流干燥是一种低温(60 ℃以内)非传递的脱水方式，将原料在高速气流中混合，然后通过真空喷射发生器产生较高速气流冲击波，粉碎气流中的固体物料，在粉碎过程中使固体物料和所含水分分离，再经过气液固三相分离装置完成脱水和固体颗粒的回收[7]。该干燥技术由于设备稳定性差、维护工作量大，所以应用较少。

2.4 微波干燥

微波干燥具有干燥均匀、清洁无污染、易于控制等优点，目前已广泛应用于化工、食品、木材、矿业、药材等领域，但对其在煤泥干燥的应用研究很少。煤泥在微波辐射的作用下，吸收微波能转化为自身热能，用来蒸发所含水分。微波干燥在煤泥工程化应用中运行能耗高、运行过程操作复杂，尚未有工程案例。

3 煤泥掺烧的影响

3.1 机组概况

为了分析煤泥掺烧对锅炉各方面的影响，某电厂进行了煤泥掺烧试验。原料煤泥为宿州北部地区淮矿所属煤矿煤泥，均为经过机械脱水的压滤煤泥。机组为660 MW超超临界机组，锅炉为SG-1908/27.9-M6006塔式锅炉，锅炉设计煤种为烟煤，汽轮机为N660-27/600/600、中间再热、四缸四排汽、凝汽式汽轮机。锅炉燃煤及煤泥的分析结果见表1(湿泥煤是指干燥前的煤泥)。

表1 锅炉燃煤及煤泥分析

3.2 煤泥掺烧的影响

3.2.1 对炉渣含碳质量分数的影响

炉渣含碳质量分数反映了锅炉的燃烧状况，炉渣含碳质量分数越高，锅炉热效率越低。不同机组负荷下，炉渣含碳质量分数随湿煤泥质量流量的变化见图1。

图1 湿煤泥质量流量与炉渣含碳质量分数的关系

由图1可知：当掺烧的湿煤泥质量流量在20 t/h以下时，各负荷下的炉渣含碳质量分数没有明显变化；当湿煤泥质量流量继续增大时，炉渣含碳分数增速明显提高，负荷越低增速越快。

3.2.2 对飞灰含碳质量分数的影响

飞灰含碳质量分数也体现了锅炉燃烧状态，飞灰含碳质量分数升高会使锅炉经济性降低，同时大量飞灰给环保处理带来负担。不同机组负荷下，飞灰含碳质量分数随湿煤泥质量流量的变化见图2。

图2 湿煤泥质量流量与飞灰含碳质量分数的关系

由图2可知：掺烧的湿煤泥质量流量对飞灰含碳质量分数的影响不大，各个负荷下掺烧后飞灰含碳质量分数能够保持在一个比较稳定的区间(0.6%～0.9%)。

3.2.3 对引风机电流的影响

煤泥含较多水分，燃烧产生的烟气量增加，引起引风机电流增加，具体见图3。

图3 湿煤泥质量流量与引风机电流的关系

由图3可知：随着掺烧的湿煤泥质量流量的增大，引风机电流成线性增长，通过控制掺烧比例不会对引风机电流的稳定性产生较大影响。

掺烧煤泥对锅炉性能的影响还有以下几个方面：

(1) 炉内煤的灰分质量分数增加，并且发热量降低，在相同负荷时，所需煤量增加，导致磨煤机、风机输出功率增加，电耗增加。

(2) 入炉煤的灰分质量分数增大接导致锅炉着火和稳燃能力下降。

(3) 炉内煤的灰分质量分数增大导致锅炉受热面磨损加剧，其中省煤器磨损最为严重，会缩短省煤器的寿命。

(4) 入炉煤的水分质量分数增加，制粉系统需要更多干燥风，易造成一次风量上升、一次风率提高、二次风率减小，造成锅炉结焦、高温腐蚀。

通过控制煤泥的干燥程度和掺烧比例、优化燃烧、提高电厂运行人员的技术水平，不利影响可以得到有效控制。

4 干法应用实例

4.1 掺烧方案

在主流煤泥干燥技术的选取方面，对比烟气干燥技术和蒸汽干燥技术特点，从安全性、持续性和可行性综合考虑，选择蒸汽干燥技术。将湿煤泥经过给料输送到干化机中，利用电厂蒸汽在干化机中对湿煤泥进行干燥，干燥后的干煤泥通过皮带进入干煤泥仓中，再通过皮带输送到煤场皮带与原煤掺混，干燥后的尾气进入电除尘器进行处理，干燥后的冷凝水再回电厂的凝结水系统。该方案的特点和优势为：

(1) 干燥热源采用低压蒸汽，蒸汽耗量小、能耗低，同时便于后期增加干燥出力。

(2) 干燥后的尾气进入电厂烟气处理系统，对环境影响较小。

(3) 整个干燥系统对锅炉不产生影响。

(4) 干燥工艺采用200 ℃以下蒸汽，干燥过程中煤泥爆炸燃烧的风险小。

(5) 干燥机采用环式回转干燥机，干燥过程稳定，干燥后煤泥扬尘少。

4.2 效果分析

根据电厂的实际情况进行分析，燃用设计煤种时，额定负荷下锅炉燃煤质量流量为251.9 t/h。根据工艺设计结果，掺烧煤泥干燥后的质量流量为20 t/h，直接按掺烧量来计算，掺烧质量比约为7.6%，掺烧比例较小，混合后燃料的组分变化非常小，无论是水分、灰分或硫分的质量分数和热值都在实际燃烧的燃料变化范围以内，不会对锅炉的稳定燃烧产生太大的影响。

根据电厂设计煤种数据，w(Mar)=5.4%，w(Aar)=29.77%，而干燥后煤泥的水分质量分数为12%～14%，因掺烧质量比较小，所以掺烧煤泥送入炉膛燃烧，不会增加原煤的水分质量分数。干燥后煤泥的灰分质量分数不会高于原煤太多，且掺烧质量比较小，可以认为掺烧后对燃煤的灰分质量分数影响不大。

综上所述，该电厂掺烧煤泥从锅炉性能来说，影响不大，可以根据机组实际情况调整适当比例掺烧。掺烧煤泥改造后的经济性分析见表2。