大型洗选煤中心废弃物综合利用分析

寇建玉，刘 丰，王振华

(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

神华万利川布尔台洗选中心位于地域辽阔、资源丰富的鄂尔多斯，年生产能力3100万t，洗选中心于2007年7月投产，2009年达到设计产量；是神华能源股份有限公司万利分公司为其所属寸草塔一、二煤矿、小柳塔煤矿和布尔台煤矿配套建设的群矿选煤厂。

洗煤厂一旦投产，在生产高品质精煤的同时，也会源源不断地产生废弃物—煤泥和煤矸石；布尔台洗选中心排出的废弃物占入选煤量的35%，其中煤矸石22%、煤泥13%(含水约22%)。初步统计，该洗选中心年排出煤泥约400万t、煤矸石约680万t。到目前为止，该洗煤厂排出的煤泥、煤矸石采用运送至空闲场地堆放的方式处置。

煤矸石弃置不用不仅占用大片土地，其中的硫化物逸出或浸出还会污染大气、农田和水体。矸石山自燃轻则产生一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体，造成大气污染；重则发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。

煤泥由煤炭、矸石与粘土混合组成，一般浓度(含固量)为72%～77%，颗粒直径小于0.5mm，产量约为入洗原煤的10%～20%，是一种高浓度、高粘度的粘稠物料。其堆积形态极不稳定，自流而不成形，露天堆放会对周区环境造成“遇水流失、遇风飞扬”的二次污染；同时煤泥还具有水分大、颗粒细、粘度大的特点，运输困难、不易储存。

布尔台洗选中心投产已两年多，煤泥和煤矸石越堆越多，对周边环境的影响也日益凸现；煤矸石虽然有多种综合利用去向，但综合考虑煤泥的特点并兼顾业主方的意见，认为将煤矸石和煤泥就地作为锅炉燃料用于发电和供热具有明显的经济效益和社会、环境效益，是最好的综合利用去向。

2 燃料特性

神华能源股份有限公司万利分公司布尔台群矿洗煤厂入选的原煤和产生的废弃物—煤泥、煤矸石的成分分析和灰分析见表1。

3 机组选型

煤泥水分高、粘性大、颗粒细、易结团，大量进入炉膛后，难以合理的组织燃烧。煤矸石灰分高、发热量低、磨损性强，锅炉以煤矸石为单一燃料着火难、不容易达到稳定、高效燃烧。各大锅炉厂经过多年的研发，已取得了在大型CFB机组上掺烧煤矸石的成功案例，如蒙西电厂、神华准能煤矸石电厂；同时掺烧煤矸石和煤泥的300MW CFB机组也有了生产和投运业绩，如宁东电厂和徐矿电厂正在建设中，淮北临涣电厂1#机组于2009年3月通过168h联合试运转。洗选中心煤泥经过适度干燥可以降低水分、提高发热量；东方锅炉厂认为只要煤粉细度适合、发热量高于3400 Kcal/kg，锅炉可以100%烧煤泥。因此，布尔台洗选中心的废弃物可以选择CFB和煤泥干燥 + 煤粉炉两种方案实现综合利用。

鉴于350MW、600MW 超临界CFB技术尚处于起步和试验阶段，本文采用330MW亚临界机组进行方案比较。

3.1 方案拟定原则

⑴ 国家发展和改革委员会办公厅文件(发改办能源[2004]864号)《国家发展改革委办公厅关于加强煤矸石发电项目规划和建设管理工作的通知》。

⑵ 机组的年燃煤量中消耗的煤泥和煤矸石量等于选煤厂全年的煤泥(400万t)和煤矸石(680万t)产量。

表1 煤质分析及灰分析

⑶ 机组的二氧化硫、氮氧化物、粉尘等污染物的排放浓度控制在同一水平。

3.2 方案拟定

3.2.1 燃料配比

全厂采用CFB机组，锅炉燃料中煤泥和煤矸石的比例完全按照洗煤厂排出比例确定，即：原煤∶煤泥∶煤矸石=22∶29∶49。

煤粉炉无法混烧矸石，为了保证入炉煤的发热量在14.6MJ/kg以上，拟定混煤比例如下：原煤∶煤泥=10∶90。为消耗掉煤矸石，厂内仍需配置CFB机组；混烧原煤和煤矸石的CFB机组混煤比例为原煤：煤矸石=35∶65。

3.2.2 装机方案

1176t/h亚临界CFB/煤粉锅炉 + 330MW亚临界、一次中间再热直接空冷凝汽式汽轮发电机组。

锅炉主要技术规范：

过热蒸汽流量 1176 t/h

过热蒸汽出口压力 17.6 MPa.g

过热蒸汽出口温度 540 ℃

锅炉保证热效率(按低位发热量)：

90 %/91.5 %(CFB/煤粉锅炉)

3.2.3 燃料输送系统

3.2.3.1 CFB 方案

原煤和煤矸石采用常规带式输送机系统进行输送，带式输送机系统内分别设置一级粗碎，一级细碎对原煤及矸石进行破碎处理，以满足CFB锅炉燃料入炉粒度要求；粒度合格的原煤和矸石输送至炉前煤斗，再通过给煤机输送至炉膛中燃烧。

煤泥在洗煤厂洗选车间经过处理后，通过独立于电厂输煤系统的煤泥管道输送系统，直接将煤泥输送到循环流化床锅炉顶部或中部密相区中进行燃烧。

3.2.3.2 煤泥干燥 + 煤粉炉方案

方案的核心在于煤泥烘干系统。烘干系统将煤泥的含水率从22%降低至15%～17%后，与原煤混合；然后通过带式输送机系统输送至电厂。根据煤质分析，适于采用中速磨直吹式制粉系统；燃烧系统与常规煤粉炉相同。

3.2.4 污染物排放

3.2.4.1 CFB 方案

CFB的燃烧温度在850-950℃之间，属于低温燃烧，可以有效抑制热力型NOx的生成；同时锅炉采用分级燃烧，能够在燃烧过程中有效控制NOx和SO2的产生。通常情况下CFB的NOx生成量仅为煤粉锅炉的1/3-1/4，NOx的排放浓度低于200-300mg/Nm3。此外，CFB在燃烧过程中可以实现炉内脱硫，脱硫效率达90%以上。

CFB在抑制NOx和SO2生成方面的优势，使CFB机组不需要配置炉外脱硫和脱硝系统就可以满足国家NOx和SO2的排放标准；当然，由于没有设置湿法脱硫系统，CFB机组需配置更高除尘效率的除尘设备以弥补煤粉炉方案由于安装湿法脱硫装置带来的50%的洗尘效果。

3.2.4.2 煤泥干燥 + 煤粉炉方案

采用常规的石灰石—石膏湿法脱硫系统和SCR脱硝工艺以满足SO2和NOx的排放要求，除尘器的除尘效率低于CFB 方案。

4.技术经济比较

4.1 技术比较

尽可能的消耗掉布尔台洗选中心生产排出的煤泥及矸石是本工程进行锅炉选型和配置的基本原则，由于煤泥和矸石的产量非常可观，使燃料预处理和输送系统较普通燃煤锅炉电厂更为庞大和复杂。

同时掺烧煤矸石和煤泥的300MW CFB机组如宁东电厂和徐矿电厂正在建设中，淮北临涣电厂1#机组已经投运；但以煤泥作为单一燃料的大型CFB和煤粉炉机组的建设尚未启动,还处于理论研究阶段。

如采用煤泥干燥 + 煤粉炉方案，锅炉和燃料预处理及输送系统是技术重点和难点，须进行充分的调研和技术论证，以尽可能的降低技术风险。

另外，煤泥颗粒细、水分高、挥发分高、粘度大，即使进行了必要的干燥，煤仓堵煤的可能性依然存在。采用双曲线小煤斗、加大煤斗傾角、内衬高分子材料、设置疏松装置等防堵煤措施，可以在一定程度上降低原煤仓堵煤的可能性；但由于煤泥结团的特性不明确，充分的调研和现场试验对保证机组安全、稳定运行仍然是必要的。虽然从煤质分析看，选用中速磨煤机是适宜的；但鉴于煤泥的特殊性，磨煤机的选型建议通过试磨最终确定。

4.2 经济比较

4.2.1 2×330MW亚临界CFB机组与煤粉炉机组比较

不考虑洗煤厂煤泥及煤矸石产量的情况，在机组容量相同、锅炉污染物排放要求(脱硫系统设备按90%脱硫效率计列，脱硝系统设备按50%脱硝效率计列)相同的情况下，对CFB和煤粉锅炉两种的装机方案的初投资和燃料费用等进行综合经济比较，比较结果见表2。

表2 设备初投资和燃料费用综合经济比较

从表2可以看出，虽然CFB的造价高于煤粉锅炉，但CFB方案节约了磨煤机、送粉管道、脱硫系统、脱硝系统、燃料预处理系统等方面的投资，其总投资较煤泥干燥+煤粉炉方案低16815万元。CFB方案采用原煤、煤泥、煤矸石掺烧，三者配比为22∶29∶49；而煤粉炉方案采用原煤和煤泥掺烧，掺烧比例为10∶90；由于煤矸石和煤泥价格相当，原煤的价格远远高于煤矸石和煤泥，CFB方案的年燃料费用也高出煤粉炉方案很多。CFB方案对洗选中心废弃物的消耗比较均衡，煤矸石和煤泥均有消耗，但总量少于煤粉炉方案；煤粉炉方案只消耗了煤泥，但煤泥的消耗量大于CFB方案对废弃物的消耗总量。

可见，CFB方案在初投资和废弃物的均衡消耗方面有优势，而煤粉炉方案在年燃料费用和废弃物消耗总量方面有优势。

4.2.2 多台330MW亚临界CFB机组与煤粉炉机组比较

消耗掉洗选中心产生的全部煤泥和煤矸石，采用单一炉型—CFB，需要建设10台CFB机组；采用CFB+煤粉炉机组的方案，需要建设4台煤粉锅炉和8台CFB锅炉。表3就不同的装机方案，在锅炉污染物排放要求(脱硫系统设备按90%脱硫效率计列，脱硝系统设备按50%脱硝效率计列)相同的条件下，对全厂设备初投资和燃料费用等进行综合经济比较，比较结果见表3。

表3 设备初投资和燃料费用综合经济比较

5 未考虑设备运行及折旧费用

从表3可以看出，除CFB机组在系统设置和煤粉锅炉的差异外，由于机组数量较多，煤粉炉+CFB方案的初投资和年燃料费用均高于CFB方案；煤粉炉+CFB方案的年发电量高于CFB方案，单位千瓦时燃料费用也高于CFB方案。

6 结论

目前已有掺烧煤矸石的大型CFB机组投运，如蒙西电厂等；同时掺烧煤矸石和煤泥的大型CFB电厂—淮北临涣电厂已经投运，宁东电厂和徐矿电厂正在建设中，因此CFB无论是掺烧煤矸石还是同时掺烧煤矸石和煤泥在技术上都比较成熟。煤粉炉采用干燥后的煤泥作为单一燃料，在理论上也是可行的；但由于没有运行经验，技术上仍存在原煤仓易堵煤，锅炉组织燃烧、燃料预处理及输送、磨煤机出粉情况难以预测等风险。

无论是采用CFB还是煤粉炉消耗煤泥和煤矸石，都会给洗选中心带来可观的经济效益；两台330MW亚临界CFB机组(掺烧煤泥和煤矸石)和两台同参数、容量的煤粉炉(单纯烧煤泥)机组相比，CFB机组在初投资和废弃物的均衡消耗方面优于煤粉炉，而煤粉炉机组在年燃料费用和废弃物消耗总量方面有优势。

规模较大的洗煤厂如布尔台洗选中心，如果要消耗掉每年产生的全部煤泥及煤矸石，需要建设多台机组。单一炉型火力发电厂较炉型多样化电厂，无论运行管理还是检修维护都简单容易得多；而且从表3可以看出，无论初投资还是燃料费用，只建设CFB机组的方案较CFB+煤粉炉方案更有优势。因此，建设大型洗煤厂的同时同步建设容量相当的多台大容量CFB机组是洗煤厂废弃物—煤泥和煤矸石实现综合利用的不错途径；如果废弃物产量过高，考虑到机组台数过多、建设周期过长的问题，建议同时考虑煤泥及煤矸石外运或分厂址建设CFB机组等方案。