污泥摻燒在1000 MW機組上的應用與探討

楊軼文 曹 軍 徐少峰 馮擁軍

上電漕涇發電有限公司

0 引言

上海上電漕涇發電有限公司2×1000 MW超超臨界壓力直流鍋爐為2 956 t/h超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、平衡通風、全鋼架懸吊結構、露天布置、采用機械刮板撈渣機固態排渣。鍋爐設計燃煤為神木煤。鍋爐尾部煙道上部設有SCR脫硝反應裝置，下部布置兩臺轉子直徑為φ16 370 mm的三分倉容克式空氣預熱器。制粉系統為中速磨正壓直吹式系統，配備六臺北京電力設備總廠生產ZGM133G磨煤機，BMCR工況，燃用設計煤種時，五臺投運，一臺備用。

1 燃煤電站鍋爐耦合生物質污泥燃燒發電現狀

隨著城鎮化進程的不斷推進，人口集中度越來越高，隨之產生了一系列生態環境問題。處理生活污水產生的大量污泥無法得到大規?？茖W處理是其中問題之一。據國家住建部預計，到2020年，全國市政污泥產量將達到6 000萬噸[1]。目前，焚燒仍是污泥主要處理方式之一。然而新建污泥焚燒廠，面臨投資大，建設周期長等問題。若能通過對已建成的大型燃煤機組進行合理改造以實現污泥常態化摻燒，則具有明顯的優勢[2]。據統計，歐洲已有超過100座電廠加裝了用于摻燒污泥的設備，且能夠進行污泥摻燒[3]。

近年來，國內外學者已對燃煤電站鍋爐摻燒生物質污泥進行了大量實驗范疇的研究。Folgueras等人[4]對三種污泥和煙煤的混合燃燒進行了熱重分析，并根據結果計算出了阿累尼烏斯動力學參數。此外Folgueras等人[5]將污泥和煤混合燃燒，對于在燃燒過程中產生的37種痕量元素的揮發特性進行研究，研究表明在污泥和煤摻燒比例在10%時，Cl和CaO對痕量元素的影響很小，當比例達到50%時，影響雖然有變化但并未大幅增加。Otero等人[6]對污泥和煤的混燃過程進行了熱重分析，并通過DSC和DTG曲線表示了兩種燃質燃燒特性的不同，并指出當污泥混燃比例小于10%時，污泥對煤燃燒過程的放熱和失重無顯著影響。Tsai等人[7]在一臺103 MW循環流化床鍋爐上研究了造紙污泥和煤混燒時污泥給料速率對SOx，NOx，CO排放量的影響，研究表明，隨著污泥給料速率的增加，SOx和NOx的排放量減少，但由于污泥中的水分使燃燒溫度降低從而使CO排放量增加。Luts等人[8]研究了燃煤電廠摻燒干化污泥，研究了摻燒污泥后對電廠運行情況、污染物排放的影響，指出利用電廠現有設施混燒污泥是切實可行的，污泥的摻入對于污染物排放量并未產生很大影響，也沒有產生其他的污染，只是應注意摻燒燃料中硫、氯及堿成分對鍋爐造成的腐蝕影響。

2 試驗污泥的來源與摻配煤種

城市污泥是城市廢水處理和污水處理不可避免的副產品，主要來源于城市污泥處理廠、街道溝道排水、生活污水污泥、給水廠污泥、城市水體疏浚污泥及城市建筑工地泥漿等。

上電漕涇電廠摻燒試驗期間，污泥分別來自于上海嘉定、青浦、松江、奉賢、金山五個區，其生產廠家及干燥方式見表1。

表1 污泥來源與干燥方式

所選摻燒煤種為水分較低的俄羅斯動力煤，煤質見表2。摻燒過程中，利用鍋爐一次熱風在磨煤機中對燃料進行加熱干燥。經試驗驗證，在一定摻配比例下，可有效除去其中的水分，達到燃料入爐要求。

表2 摻配煤種煤質分析

3 污泥摻燒試驗方案

本試驗計劃分四個時間段實施，分別試摻燒來自上海5個區的污泥。經過跨度8個多月的四次污泥摻燒試驗，上電漕涇電廠累計摻燒不同種類的污泥2 803.33 t，其中金山污泥848.51 t，奉賢污泥169.6 t，嘉定污泥82.94 t，青浦污泥 147.2 t，松江污泥1 555.08 t，過程中未發生重大事故，未發生“非停非減”，為今后污泥摻燒常態化積累了寶貴經驗。

3.1 摻配比例

由于電廠負荷受電網調度，波動較大，在實際運行過程中，根據鍋爐實際負荷，運行人員需要對磨煤機進行及時啟停，鍋爐摻燒比例會相應發生變動。當鍋爐負荷低于500 MW時，考慮到機組運行的穩定性，僅安排一臺磨煤機摻燒污泥。摻配比例對于負荷實時變動的百萬兆瓦燃煤機組而言具有參考意義，在機組安全運行的情況下，摻配比例可以通過估算得出，各工況下具體摻燒比例見表3。

表3 不同工況下的整爐摻燒比例

3.2 污泥摻配方式

為探索在不新增設備的前提下，高效安全的摻配污泥混煤，試驗中采用了三種不同摻配方式：單路摻配、雙路摻配、單路人工摻配。

3.2.1 單路摻配

選擇1號煤場“事故煤斗”作為純污泥堆放點。選擇1號煤場“中心料斗”作為“高熱值煤”堆放點。摻配步驟如下：

（1）原煤倉開始加污泥混煤時，啟動“中心料斗”，控制高熱值煤出力800～900 t/h。

（2）啟動“事故煤斗”控制污泥出力400 t/h～500 t/h，從而達到5A皮帶流量≯1 500 t/h。

3.2.2 雙路摻配

選擇2號煤場事故煤斗為污泥堆放料斗。摻配步驟如下：

（1）將給料機2B出力調整至500 t/h左右。

（2）在2號煤場事故煤斗底層先堆放10 t～15 t高熱值動力母煤（俄羅斯動力煤，5 100 kcal）。

（3）卸入污泥。

（4）當2號煤場事故煤斗堆滿污泥后，現場負責人通知輔控值班員先啟動給料機1A，神木煤取料流量控制在800 t/h左右，

（5）待皮帶機5A上出現神木煤煤流后，啟動給料機2B，將“污泥/神木煤”同時加入指定的原煤倉。

3.2.3 單路人工摻配

選擇2號煤場“事故煤斗”作為污泥和高熱值動力母煤摻配堆放料斗（給料機出力不做調整）。采用一輛裝載量約3 t和另一輛裝載量約5 t的裝載機作為母煤的鏟放車輛。步驟如下：

（1）事故煤斗底層先用裝載機鏟放兩車3 t和兩車5 t高熱值動力母煤。

（2）卸入一車污泥。

（3）裝載機鏟覆兩車3 t和兩車5 t高熱值動力母煤，最后鏟一車5 t高熱值動力母煤視情況機動覆蓋。底層和上層覆煤量約為卸入污泥量的2倍。

重復上述步驟直至事故煤斗內堆滿“污泥混煤”，啟動給料機2B，將其加入指定的原煤倉。

4 污泥摻燒試驗結果分析

4.1 摻燒污泥對爐膛溫度的影響

在摻燒試驗中，通過對不同來源污泥的成分進行化驗后發現，由于污泥含水量較高，其熱值相對較低，其中嘉定生石灰干化的污泥僅有457 kcal，兩者呈現負相關性，如圖4-1。

圖1 不同污泥水分熱值圖

針對污泥熱量低的特點，在摻燒期間，定期通過觀火孔對爐膛燃燒進行觀察測溫，發現火焰均較明亮，燃燒穩定，且標高53 m處爐膛溫度在1 280～1 320℃左右，這是由于污泥摻混量相對于鍋爐總燃料量較少。摻燒污泥后爐膛溫度略有下降，但仍處于正常范圍內。因此在摻燒高水分低熱值污泥時，需根據鍋爐燃燒穩定性，限制污泥最大摻配比例。

4.2 摻燒污泥對鍋爐效率的影響

2018年10月29日開始的第一次污泥摻燒試驗的燃燒化驗（計算）結果，見表4。表4中“污泥1”，“污泥2”分別指當日到廠的兩批金山排海污泥，“-30%”是指將污泥干燥到30%全水分情況下的計算值。試驗設計工況為“T1”、“T2”，相應對照工況為“t1”、“t2”，具體工況如表5。

污泥1與污泥2的總重量分別為82.25 t與66.86 t，摻燒污泥時鍋爐消耗總燃煤量分別為1 126.2 t和1 028.5 t，因此鍋爐摻燒比例分別為7.3%和6.5%，單磨的摻燒比例為27.06%與24.44%。按3萬t/年的污泥供應量與單臺機組200萬t/年的耗煤量計算，全年摻燒比例為1.5%。

將上述結果按摻燒污泥期間磨煤機運行的相應燃用煤種加權平均，可得到摻燒污泥期間實際爐膛燃燒的入爐煤元素及熱值（表6），用以計算鍋爐效率。

計算得到各工況下鍋爐效率及各項損失見表7。比較污泥摻燒前后鍋爐效率可見，由于摻燒污泥后飛灰大、渣含碳量升高與燃料熱值降低導致鍋爐效率降低。燃用第一批污泥（污泥1）后鍋爐效率下降0.34%，燃用第二批污泥（污泥2）后鍋爐效率下降0.58%。將污泥1與污泥2分別干燥到30%水分后摻燒，鍋爐效率比未干燥污泥時分別提高了0.1%與0.14%。

表4 入爐煤化驗(計算)結果

表5 試驗工況

表6 入爐燃料元素分析

表7 各工況下鍋爐效率及各項損失

4.3 摻配方式優劣比較

根據不同機組狀態，選擇的污泥摻配方式見表8。

表8 污泥摻配方式

（1）對燃料正常配給的影響

雙路摻配方式需要兩個煤場兩路皮帶配合運行，因此當雙機運行時，會影響日常煤種的正常加倉。單路摻配需要從同一煤場內的事故料斗及中心料斗同時加倉，不會對相鄰機組正常燃料加倉造成影響，但會影響本機組其他倉位的燃料配給。單路人工摻配只需將摻配煤種和污泥按既定步驟倒入事故煤斗中，對機組正常燃料配給影響最小。

（2）摻配效果

雙路摻配污泥和煤的混合最為均勻，當污泥混煤進入鍋爐燃燒時，爐膛溫度、主、再汽溫比較穩定。單路摻配和單路人工摻配混合效果相對較差，爐膛溫度、主再汽溫波動明顯。

（3）摻配機械化程度

雙路摻配及單路摻配均有較高的機械化程度，效率較高。單路人工摻配需要大量人員車輛相互配合，機械化程度較低，效率偏低。

4.4 摻燒污泥對機組環保指標的影響

通過超凈排放改造后，煙氣處理系統還有相當大的裕度，煙氣排放水平遠低于環保部門規定值，見圖2。

圖2 超凈排放改造后機組排放水平

摻燒污泥產生的污染物完全可以通過現有的環保設備處理達標后排放。在污泥試摻燒過程中，全程委托具有資質的第三方環境檢測公司對污染物排放進行了檢測并出具檢測報告，結論如下：

（1）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，總排放口的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度均小于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，汞及其他化合物小于0.03 mg/m3，滿足《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB31/963-2016）的限值要求。

（2）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，總排放口的氯化氫、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、二噁英類、一氧化碳的排放濃度均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485-2014）的限值要求。

（3）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的工況下，爐渣中汞、總鉻、六價鉻、鎘、鉛、砷、鎳、銅、鋅、二噁英的質量濃度滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)的要求。

（4）檢測期間，在#2機組摻燒污泥比例分別為7.3%、6.5%和未摻燒污泥的三種工況下，各污染因子的排放濃度無明顯變化，均符合相關標準。

5 結論

經過歷時8個月的污泥摻燒試驗，積累了大量利用百萬等級燃煤機組直吹式、大容量、高一次風壓、高干燥出力的磨煤機作為污泥干燥設備直接摻燒城市生活污泥的經驗，結論如下：

（1）在污泥摻燒比例較低時，爐膛溫度略有降低，但仍處于安全穩定區間。

（2）摻燒少量污泥會使鍋爐效率略有降低，污泥含水量越高，鍋爐效率越低。

（3）雙路摻配的效果最均勻，對鍋爐運行穩定性影響最小，但影響兩臺機組的其他燃料配給。

（4）單路摻配的效果較差，鍋爐混煤入爐燃燒后，爐膛溫度及主、再蒸汽溫度波動明顯，對相鄰機組的正常燃料配給無影響。

（5）單路人工摻配的摻配效果較差，鍋爐混煤入爐燃燒后，爐膛溫度及主、再蒸汽溫度波動明顯，對本機組及相鄰機組的正常燃料配給無影響。

（6）百萬千瓦等級燃煤機組原有環保設備完全可處理在超凈排放摻燒少量污泥產生的污染物。