300MW燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)研究及應(yīng)用
- 摘要：針對(duì)300MW燃煤電廠進(jìn)行污泥摻燒過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的解決措施，同時(shí)針對(duì)目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的問題進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:摻燒比例控制在10%以內(nèi)，污泥摻燒對(duì)于煤的元素成分影響不大，對(duì)飛灰濃度影響不大，不會(huì)造成省煤器等受熱面磨損加劇;摻燒比例控制在10%以內(nèi)，煙囪出口處粉塵濃度NOx和SO2都能滿足超低排放要求，脫硫石膏、脫硫廢水、脫硫漿液、飛灰和爐渣中重金屬滿足相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)排放要求。建議定期開展來廠污泥成分化驗(yàn)，定期監(jiān)控飛灰、爐渣和脫硫石膏中重金屬成分。
引言
燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是實(shí)現(xiàn)煤電低碳轉(zhuǎn)型，更大幅度降低二氧化碳排放的重要發(fā)展方向，而化石燃料燃燒產(chǎn)生碳排放導(dǎo)致氣候變化，造成極端天氣和災(zāi)害日益嚴(yán)重，《巴黎協(xié)定》提出對(duì)全球氣溫升高需控制在2℃以內(nèi)的要求，使得燃煤火電二氧化碳成為其發(fā)展最主要的制約因素。國(guó)家能源局和生態(tài)環(huán)境部于2018年6月28日批準(zhǔn)全國(guó)84個(gè)燃煤火電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電的試點(diǎn)項(xiàng)目，包括300 MW亞臨界至1000 MW超超臨界燃煤電廠，預(yù)示著我國(guó)煤電企業(yè)開始在較大范圍內(nèi)進(jìn)行生物質(zhì)耦合發(fā)電改造工作。
國(guó)內(nèi)一些研究者開展了燃煤電廠污泥摻燒研究工作。張成等運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)開展了污泥摻燒技術(shù)研究，研究了不同摻燒比例、不同含水率下燃燒特性。朱天宇等開展了摻燒不同種類污泥鍋爐的燃燒特性的研究，以420 t/h四角切圓燃煤鍋爐進(jìn)行了單煤燃燒和2種污泥在不同含水率的質(zhì)量配比下的摻燒數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，采用EDM（渦耗散模型）能夠較好地模擬污泥配比和含水率對(duì)鍋爐燃燒及污染物排放特性的影響。
張一帆等進(jìn)行了城市污泥焚燒過程中Pb和Cd遷移特性的研究。蔣志堅(jiān)等進(jìn)行了城市污泥流化床焚燒爐飛灰中重金屬遷移特性的研究，研究結(jié)果表明：Cd和As為易揮發(fā)性重金屬，在爐膛內(nèi)揮發(fā)的Cd和As及其化合物蒸汽在503℃和475℃時(shí)幾乎全部富集于飛灰顆粒，Cr，Mn，Cu，Zn主要通過夾帶富集于飛灰顆粒，為難揮發(fā)性重金屬。聞?wù)艿冗M(jìn)行了城鎮(zhèn)污泥干化焚燒處置技術(shù)與工藝簡(jiǎn)介研究，對(duì)直接熱干化、間接熱干化、直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，研究結(jié)果表明，污泥干化焚燒技術(shù)類型是多樣，采用煙氣或者蒸汽對(duì)污泥進(jìn)行干化都是可行的，將污泥干化后利用流化床焚燒爐進(jìn)行單獨(dú)焚燒或者在電站鍋爐進(jìn)行摻燒是最具有發(fā)展前景的技術(shù)路線，而污泥輸送、高效干化技術(shù)與設(shè)備開發(fā)及廠區(qū)臭氣治理等是有待進(jìn)一步研究的問題。
曹通等開展了煤粉爐協(xié)同處置工業(yè)污泥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，利用熱電廠煤粉爐小比例摻燒工業(yè)污泥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)摻燒后爐膛溫度、飛灰含碳量、鍋爐效率等參數(shù)的變化，對(duì)二噁英、SO2和NOx等主要污染物進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究表明，隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛溫度降低，飛灰含碳梁增加，飛灰和爐渣中重金屬含量增加。
袁言言等利用Aspen plus軟件開展了污泥焚燒能量利用與污染物排放特性的研究。盛洪產(chǎn)等進(jìn)行了循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒造紙污泥的運(yùn)行特性分析，對(duì)1臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行熱力平衡計(jì)算和煙風(fēng)阻力計(jì)算，研究了不同污泥摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鍋爐運(yùn)行特性的影響，研究表明，隨著污泥摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，爐膛出口煙氣溫度下降，排煙溫度升高，鍋爐效率降低，入爐干化污泥量大幅增加，而入爐煤量有減小，煙氣量和灰量增加，過熱器減溫水顯著增加，一次風(fēng)空氣側(cè)阻力，二次風(fēng)空氣側(cè)阻力和煙氣側(cè)阻力均增大。
葛江等進(jìn)行了煙煤與污泥混燒過程中重金屬As，Zn和Cr的遷移規(guī)律和灰渣浸出特性的研究。殷立寶等開展了四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥燃燒與NOx排放特性的數(shù)值模擬研究，采用ANSYS FLUENT軟件對(duì)四角切圓燃煤鍋爐摻燒不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同含水率印染污泥燃燒特性和污染物排放特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，隨著印染污泥摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，爐膛整體溫度有下降，當(dāng)含水率升高時(shí)，爐膛整體溫度水平下降；并結(jié)合爐膛燃燒和NOx排放，推薦摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率分別為10%和40%的印染污泥技術(shù)是可行的。
劉蘊(yùn)芳等進(jìn)行了煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放特性研究。張成等開展了100 MW燃煤鍋爐污泥摻燒試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，在相同摻燒比例的情況下，降低污泥含水率，NOx排放有所增加；摻燒比例小于20%時(shí)，鍋爐燃燒特性與污染物排放NOx與單煤燃燒差異較��；當(dāng)摻燒比例大于20%時(shí)，鍋爐燃燒效果變差，NOx排放大幅度上升。
魏礫宏等進(jìn)行了污泥與煤混燒灰的結(jié)渣特性以及礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究，研究結(jié)果表明，污泥和煤摻燒比例為20%時(shí)，爐內(nèi)溫度達(dá)到1100℃，會(huì)引起輕微結(jié)渣；達(dá)到1200℃時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重結(jié)渣。
唐子君等進(jìn)行了城市污水污泥與煤混燒的熱重試驗(yàn)研究，獲得了城市污水污泥與煤混燒的特性。國(guó)內(nèi)其它研究者利用數(shù)值模擬技術(shù)開展了燃燒特性及污染物生成規(guī)律的研究。
本文針對(duì)300 MW燃煤電廠開展污泥摻燒過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的解決措施，同時(shí)針對(duì)目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的問題進(jìn)行分析，為準(zhǔn)確評(píng)估污泥摻燒對(duì)燃煤電廠影響、現(xiàn)場(chǎng)開展燃煤耦合生物質(zhì)摻燒技術(shù)改造和現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行提供了重要的依據(jù)。
1 污泥摻燒相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)
1.1 入廠污泥標(biāo)準(zhǔn)
由于我國(guó)并未制定專門的燃煤電廠協(xié)同處置污泥的技術(shù)規(guī)范及泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠摻燒污泥時(shí)，首先必須對(duì)進(jìn)行摻燒的污泥泥質(zhì)進(jìn)行研究。污泥成分比較復(fù)雜，從污水廠來源劃分，一般分為生活污水廠污泥、工業(yè)污泥和危險(xiǎn)廢物污泥，生活污泥有害成分較少，而工業(yè)污泥成分復(fù)雜，一般含有較多的重金屬等有害成分，具體有害成分與工廠工藝有關(guān)，每個(gè)污水廠特性不一樣，需要分別對(duì)待。進(jìn)行工業(yè)污泥摻燒，要針對(duì)污泥進(jìn)行化驗(yàn)，確保泥質(zhì)合格且有害成分可接受的前提下進(jìn)行，避免摻燒量過大影響發(fā)電廠灰渣特性。危險(xiǎn)廢物類污泥（含油污泥、有機(jī)溶劑污泥、表面處理廢物類污泥等）只能送到專門的危險(xiǎn)廢物處置部門處理，不能在燃煤鍋爐進(jìn)行摻燒。由于燃煤機(jī)組重金屬排放量比較少，國(guó)內(nèi)沒有針對(duì)燃煤電廠制定重金屬排放指標(biāo)，污泥一般含有較多重金屬，為了避免對(duì)環(huán)境造成影響，目前燃煤電廠開展污泥摻燒時(shí)參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》、GB/T 24602-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》制定入爐摻燒污泥的泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于未達(dá)到入爐標(biāo)準(zhǔn)的污泥，將拒絕接收。
1.2 污泥煙氣監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
由于原煤中重金屬含量極低，現(xiàn)有燃煤電廠排放沒有關(guān)于重金屬排放的標(biāo)準(zhǔn)，然而污泥中含有較多重金屬，發(fā)電廠摻燒污泥時(shí)必須對(duì)煙氣中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)與控制。針對(duì)污泥重金屬特性，并參照燃煤電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)與垃圾發(fā)電廠GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，按照標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)的原則制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，并定期監(jiān)測(cè)。表1為污泥摻燒后鍋爐煙氣監(jiān)測(cè)建議的標(biāo)準(zhǔn)（單位已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），目前我國(guó)還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，因此迫切需要進(jìn)行燃煤電廠污泥摻燒煙囪排放口煙氣污染物監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
表1 鍋爐摻燒污泥的排放標(biāo)準(zhǔn)
2 污泥摻燒對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響分析
2.1 煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放
煤粉爐摻燒干化污泥后，由于污泥自身含有的重金屬元素種類和含量較燃煤有一定的差異，因此煤和污泥摻燒后灰渣中的重金屬含量以及煙氣中有害氣體的排放較單燒原煤時(shí)相比會(huì)有差異。通過檢測(cè)、比較污泥和煤及其不同摻混比例后的原樣及其灰渣中的重金屬含量，可以初步判斷樣品在燃燒后重金屬的遷徙轉(zhuǎn)換特征。表2為某燃煤電廠摻燒生活污泥時(shí)，對(duì)污泥重金屬進(jìn)行化驗(yàn)得到的結(jié)果，其中的標(biāo)準(zhǔn)為參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》表3、表4分別為對(duì)應(yīng)煤質(zhì)和污泥的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果。
表2 污泥重金屬成分化驗(yàn)結(jié)果 mg/kg
表3 污泥元素分析數(shù)據(jù)
通過實(shí)驗(yàn)研究可以看出：污泥中的各種重金屬元素的含量比煤中重金屬含量偏高，但是由于摻燒比例最大8%，因此，燃料中重金屬總含量并不大。比較單煤和不同摻混比例后的混煤的灰渣中的重金屬含量，摻燒污泥后，灰渣中的重金屬含量較單燒單煤相比都有了一定幅度的升高，但是由于摻燒比例最大8%，整體上升幅度不大。
表4 原煤元素分析數(shù)據(jù)
摻燒污泥與燃燒單煤相比，CO和HCl及其他有機(jī)氣體排放濃度基本相同，SO2和NOx排放變化不大，由于摻混污泥后混煤的含碳量下降，因此CO2排放濃度略有降低。污泥灰分比較多，摻燒后產(chǎn)生的飛灰有所增加，但由于發(fā)電廠配置了靜電除塵和濕式電除塵設(shè)備，摻燒污泥后煙塵排放沒有發(fā)生變化。
總體來說，在最大8%摻燒比例下，與燃燒單煤相比，在污染物排放方面沒有產(chǎn)生明顯的變化，未發(fā)現(xiàn)由于摻燒污泥帶來明顯的有害氣體排放濃度顯著升高的狀況。
2.2 污泥摻燒對(duì)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行影響分析
污泥摻燒對(duì)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的影響主要有煙氣流量增加和灰分變化對(duì)催化劑磨損的影響以及堿金屬中毒兩方面。堿金屬含量一類是活性堿，如氯化物、硫酸鹽及碳酸鹽等；另一類是非活性堿，主要存在于硅酸鹽礦物中。堿金屬引起催化劑中毒包括物理中毒和化學(xué)中毒，其中物理中毒是因?yàn)槿济哄仩tSCR脫硝系統(tǒng)中，堿金屬通常不以液態(tài)形式存在，其鹽顆粒只是沉積在催化劑表面或堵塞催化劑的部分孔洞，阻礙NO和NH3向催化劑內(nèi)部擴(kuò)散，從而使催化劑中毒失活。若有水蒸汽在催化劑上凝結(jié)，堿金屬將引起化學(xué)中毒。
最大8%比例污泥摻燒后，煙氣流量略有增加，灰分略有增加，幅度也很小，但由于目前常用的印尼褐煤灰分遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)煤種的灰分，因此對(duì)催化劑磨損影響較小。對(duì)于物理中毒，由于污泥灰中堿金屬成分和發(fā)電廠常用煤種堿金屬成分偏差不大，加上摻燒比例較低，基本沒有發(fā)生變化。并且通過有效的吹灰，不會(huì)發(fā)生大量沉積，因此不會(huì)因?yàn)閾綗勰鄬?dǎo)致物理中毒趨勢(shì)增加。同樣，由于SCR（選擇性催化還原法）脫硝系統(tǒng)區(qū)域煙氣溫度控制較高，水蒸氣不會(huì)在SCR脫硝系統(tǒng)區(qū)域凝結(jié)，化學(xué)中毒趨勢(shì)也不會(huì)明顯變化�？偟膩碚f摻燒最大8%污泥不會(huì)對(duì)鍋爐摻燒對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行帶來明顯影響。
2.3 污泥摻燒對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響分析
某發(fā)電廠常用煤種和摻燒的生活污泥的灰分情況見表5。
表5 電廠常用煤種和污泥的灰分情況%
從污泥和煤的灰成分分析可知，發(fā)電廠常用煤種和污泥的灰成分特性有一定差異。污泥灰成分與煤相比，污泥中有較高的磷化合物，P2O5含量在混泥灰中高達(dá)11.72%，而在煤中只有0.16%，F(xiàn)e2O3含量在煤種高達(dá)14.98%，混泥灰中只有6.5%；SiO2和Al2O3含量在煤灰中分別為34.58%和11.29%，在混泥灰中分別占44.48%和22.29%，說明煤灰中的硅鋁酸鹽含量較泥灰中低；計(jì)算其結(jié)焦指數(shù)，發(fā)電廠常用煤種為3.98，生活污泥為2.11，污泥結(jié)焦指數(shù)都比常用煤種低，摻燒污泥有抑制常用印尼煤結(jié)焦的趨勢(shì)。
2.4 污泥摻燒對(duì)制粉系統(tǒng)運(yùn)行影響分析
由于污泥干化后的硬度與污泥的來源，不同時(shí)間段污泥的性質(zhì)有很大聯(lián)系。但相較于原煤污泥的物性還是偏軟的。污泥水分與發(fā)電廠原來燃煤的水分比較接近，制粉系統(tǒng)干燥出力基本能滿足要求，且摻燒比例只有最大8%，混合燃料熱值最大下降4%，制粉系統(tǒng)鍋爐燃料質(zhì)量需要增加約4%，制粉系統(tǒng)出力基本沒有影響。
3 污泥摻燒鍋爐性能優(yōu)化試驗(yàn)
3.1 性能試驗(yàn)?zāi)康?/strong>
為了確保燃煤耦合污泥發(fā)電項(xiàng)目安全可靠運(yùn)行，降低污泥摻燒過程中對(duì)機(jī)組原有的燃煤煤質(zhì)和制粉系統(tǒng)的影響，降低對(duì)煤電機(jī)組運(yùn)行安全、運(yùn)行效率、負(fù)荷調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)性影響，基于GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，開展了300 MW燃煤電廠污泥摻燒優(yōu)化試驗(yàn)。干化污泥摻燒試驗(yàn)在220～330 MW多個(gè)負(fù)荷下進(jìn)行，分別進(jìn)行了干化污泥質(zhì)量摻混比為3%，4%，5%和7%的多項(xiàng)試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中，鍋爐燃燒穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)出力、鍋爐帶負(fù)荷能力滿足生產(chǎn)要求，鍋爐效率無明顯變化。
3.2 性能試驗(yàn)結(jié)果
整個(gè)試驗(yàn)過程中，鍋爐燃燒穩(wěn)定，主、再熱汽溫基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，制粉系統(tǒng)出力、鍋爐帶負(fù)荷能力滿足生產(chǎn)要求，試驗(yàn)得出以下主要結(jié)論：
(1）在280 MW負(fù)荷下，進(jìn)行了干化污泥質(zhì)量摻混比分別為0%，3%，5%，7%的4個(gè)工況試驗(yàn)，鍋爐熱效率分別為92.50%，92.51%，92.72%和92.68%，修正后鍋爐熱效率分別為92.65%，92.75%，92.93%和92.87%。從干化污泥摻燒前、后，以及不同干化污泥摻混比例的鍋爐熱效率來看，鍋爐熱效率未發(fā)生明顯變化，說明在目前試驗(yàn)比例下，干化污泥摻燒并未造成鍋爐燃料燃盡率下降，未影響鍋爐熱效率。
(2）在220 MW負(fù)荷下，進(jìn)行了干化污泥質(zhì)量摻混比分別為0%，4%，7%的3個(gè)工況試驗(yàn)，鍋爐熱效率分別為92.15%，92.20%和92.08%，修正后鍋爐熱效率分別為92.38%，92.42%和92.28%。與280 MW負(fù)荷摻燒試驗(yàn)規(guī)律一致，220 MW負(fù)荷下干化污泥摻燒前、后鍋爐熱效率基本一致，說明在試驗(yàn)期間，試驗(yàn)比例下的干化污泥摻燒未影響鍋爐燃料燃盡率，未影響鍋爐熱效率。
4 結(jié)論
針對(duì)300 MW燃煤電廠開展污泥摻燒下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際摻燒過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的解決策略，同時(shí)針對(duì)目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，得出主要結(jié)論如下：
(1）污泥來源多樣，成分復(fù)雜，燃煤電廠環(huán)保設(shè)施缺少二噁英收集手段，建議發(fā)電廠摻燒污泥主要來源于生活污水處理廠，謹(jǐn)慎處置重金屬含量較大的工業(yè)污泥，禁止處置危廢類的污泥。
(2）國(guó)內(nèi)沒有針對(duì)燃煤電廠摻燒污泥的泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電廠需要根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定出符合自身的泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，定期進(jìn)行化驗(yàn)。燃煤電廠摻燒污泥建議參考GB 24188-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》與GB/T 24602-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》，制定嚴(yán)格的污泥入爐標(biāo)準(zhǔn)，必須同時(shí)滿足以上2個(gè)國(guó)標(biāo)要求的污泥才允許摻燒。
(3）由于原煤重金屬含量極低，國(guó)家沒有針對(duì)燃煤電廠重金屬排放制定標(biāo)準(zhǔn)，然而部分污泥重金屬含量較高，燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對(duì)重金屬排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)。燃煤電廠摻燒污泥根據(jù)GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，按照規(guī)定定期監(jiān)測(cè)。
(4）燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對(duì)灰渣進(jìn)行化驗(yàn)，確保飛灰、爐渣等副產(chǎn)品的品質(zhì)不受影響。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間摻燒試驗(yàn)表明，燃煤電廠摻燒污泥比例在10%以內(nèi)時(shí)，不會(huì)影響灰渣、石膏的品質(zhì)。
(5）需要污泥摻燒對(duì)燃煤電廠鍋爐及附屬設(shè)備影響較少，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間摻燒試驗(yàn)表明，在10%摻燒比例下，不會(huì)影響鍋爐安全運(yùn)行。
(6）由于污泥水分含量大，灰分大，熱值較低，污泥摻燒對(duì)爐膛熱負(fù)荷有一定影響，機(jī)組負(fù)荷在220 MW以上摻燒污泥，可以保證燃燒穩(wěn)定。
(7）燃煤電廠摻燒污泥，在7%比例以內(nèi)進(jìn)行摻燒，對(duì)鍋爐效率有影響，造成鍋爐效率下降。
(8）燃煤電廠摻燒污泥，在8%比例以內(nèi)進(jìn)行摻燒，不會(huì)影響電廠煙氣超低排放。
本文研究成果為我國(guó)燃煤電廠污泥摻燒提供了重要的參考，具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用效果。
