300MW亚临界燃煤锅炉污泥掺烧性能试验研究

文_韩俊刚 山西晋环科院环境资源科技有限公司

近几年，国内关于燃煤电厂污泥掺烧进行了许多研究，但由于目前国内燃煤耦合污泥发电技术还处于试点阶段，缺乏实际不同污泥掺烧比例对锅炉经济性、安全性的影响研究，因此本文基于广州某电厂污泥掺烧锅炉性能试验，研究2个机组高、低负荷下（70%、100%），不同掺烧比（0%、5%、7%、10%）对300MW亚临界燃煤锅炉实际运行情况和污染物排放情况的影响，为同类型燃煤锅炉掺烧污泥提供了借鉴。

1 污泥掺烧试验

1.1 试验燃料

试验煤种采用山西大同烟煤，掺烧污泥来自广州及新塘周边生活污水处理厂，污泥初始含水率在40%左右。

1.2 试验系统

该电厂330MW机组锅炉是东方锅炉厂设计制造的DG1080/17.4-II6型锅炉。锅炉型式为亚临界参数、汽包自然循环、四角切圆燃烧、直吹式制粉系统、一次中间再热、摆动燃烧器调温、平衡通风、单炉膛“π”型布置、全钢架全悬吊结构、紧身封闭、炉顶带金属防雨罩、固态排渣煤粉炉。该电厂330MW机组脱硫系统采用“单塔双循环石灰石-石膏湿法”脱硫技术，采用“低氮燃烧+SCR”脱硝工艺，采用“两层催化剂+一层催化剂”的方式；除尘系统采用“2电+2袋+湿式电除尘器”。

1.3 试验方法

1.3.1 试验内容

本次试验依据《电站锅炉性能试验规程》（GB/T10184-2015）进行，分别进行了锅炉70%、100%机组负荷下，污泥掺烧比例（总质量占比）为0%、5%、7%、10%的多项试验。试验工况见表1。

表1 试验工况一览表

1.3.2 检测内容

本次试验主要测试掺烧前污泥和烟煤成分、热值，掺烧时环境参数、机组主要运行参数、烟气温度和成分，掺烧后炉渣、飞灰、石膏成分。试验前2h在输煤皮带上、煤场污泥堆放处（对应即将掺混到烟煤中的污泥位置）进行烟煤、污泥取样，取样量不小于4kg。试验中，采用干湿球温度计和膜盒式大气压力计在送风机入口附近每20min测量1次环境参数；采用表盘记录方式每15min测量1次机组主要运行参数，主要包括机组电负荷、过热蒸汽流量、过热蒸汽压力、过热蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、给水流量、给水压力、给水温度、过热器减温水量、再热器减温水量等；在SCR入口及空气预热器进、出口烟道上安装烟气取样管和热电偶，采用Ⅰ级K型热电偶每10min测量1次烟气温度；采用橡胶管将每个取样枪取得的烟气样经烟气混合器混合后，送烟气分析仪进行O2、CO、CO2等成分分析，每10～15min测量1次，网格法测量；采用等速取样装置在空气预热器出口烟道飞灰取样测点按网格法取样，每点采样5min；炉渣取样在炉底出渣口进行，试验开始后每30min取样1次。取样有效时间与锅炉试验工况时间相等。

2 试验结果分析

2.1 锅炉燃烧特性分析

2.1.1 污泥掺烧后对煤质成分的影响

随着污泥掺烧比例的增加，混煤低位发热量、分析基碳分含量呈现逐渐降低趋势，分析基灰分含量呈现逐渐增加趋势。总体上看，将干化污泥掺烧比例控制在10%以内，污泥掺烧对煤的煤质成分影响不大。

2.1.2 污泥掺烧后对炉膛燃烧温度的影响

结合图1和图2，对比不同掺烧比例下各层燃烧器区域温度，发现在高负荷下，污泥掺烧比例为5%时，比未掺烧污泥高了26～81K，相对来说温度变化较小；7%、10%污泥掺烧比例下，主燃烧器区域温度整体上比未掺烧污泥时高。在低负荷下，当污泥掺烧比例为5%、10%时，各层燃烧器区域温度整体上比掺烧比例为0%、7%时高，分别比未掺烧污泥高了32～145K、50～144K；7%掺烧比例下，各层燃烧器区域温度变化最大，在D层燃烧器区域温度出现明显下降。

从测量结果上看，高负荷下，当掺烧污泥比例为5%时，ABC这3台磨的给煤量大于未掺烧污泥，一次风压也随之增加，使得燃烧器区域的燃烧强度增加，烟气温度有所增加。在燃尽风区域DE层处，由于掺烧污泥后燃料挥发分成分高，较易燃烧，燃料提前燃烧导致后期燃料不足，且随着掺烧比例的增大燃料热值逐渐减少，导致烟气温度下降，7%、10%掺烧比例温度下降幅度比5%掺烧比例下降幅度大。

低负荷下，当燃烧比例为7%时，掺烧污泥的D磨给煤量大，达到31t/h，大于其余未掺烧磨煤机的给煤量，下三层燃烧器对D磨的燃烧支持较少，掺烧污泥的D磨对应的燃烧器着火稳定性相对较差，但是炉膛火检强度没有大的闪动，炉膛负压波动幅度也较小，炉内的燃烧仍然是稳定的。

综上所述，当掺烧干化污泥比例控制在10%以内，污泥燃烧特性引起的烟气温度变化较小，对锅炉燃烧稳定性影响较小。

2.1.3 污泥掺烧后对飞灰和炉渣含碳量的影响

实验发现，在高负荷下，不掺烧污泥时飞灰和炉渣含碳量（质量分数，下同）分别为2.1%和5.8%，随着污泥掺烧比例增加至5%、7%、10%时，飞灰含碳量分别降低至1.2%、0.6%、0.8%，同时炉渣含碳量分别降低至3.8%、2.1%、1.3%。按照GB/T10184-2015规定的灰平衡比率（炉渣占比为10%，飞灰占比为90%）折算含碳量（见图3），可以看出试验期间小比例污泥掺烧后，随着污泥掺烧比例的增加，有助于促进炉膛内燃料充分燃烧，提高燃料的燃尽率，从而减少飞灰和炉渣中未燃尽的碳含量。

在低负荷下，不掺烧污泥时飞灰和炉渣含碳量分别为1.1%和4.0%，随着污泥掺烧比例增加至5%、7%、10%时，飞灰含碳量分别降低至0.4%、0.8%、0.7%，同时炉渣含碳量先降低至2.9%，随着升高至6.8%，而后又降低至3.8%（见图4）。从图4可以看出掺烧比为7%时，炉渣中的可燃物含量略高于0%、5%、10%掺烧比例，这是因为7%污泥掺烧比例下，下层燃烧器对掺烧污泥对应的燃烧器支持力度小，燃烧器区域温度降低，燃烧滞后导致燃尽率略微下降。

整体上，试验期间锅炉在试验工况下进行小比例污泥掺烧，灰渣中可燃物含量变化较小，对锅炉的整体燃烧效果影响较小。

图1 100%负荷下各层燃烧温度分布图

图2 70%负荷下各层燃烧温度分布图

图3 100%负荷下飞灰、炉渣含碳量分布图

图4 70%负荷下飞灰、炉渣含碳量分布图

2.1.4 污泥掺烧后对锅炉热效率的影响

在高负荷下，当污泥掺烧比为0%、5%、7%、10%时，锅炉热效率锅分别为94.06%，93.96%，94.03%和 94.30%，修正后的锅炉热效率分别为 94.32%、94.38%、94.62 和 94.79%（见图5）。总体上，锅炉热效率变化幅度很小，在0%～0.47%之间，基本没有区别，说明当干化污泥掺烧比例控制在10%以内，高负荷下污泥掺烧未造成燃料燃尽率的下降，未影响锅炉热效率。

在低负荷下，当污泥掺烧比为0%、5%、7%、10%时， 锅炉热效率锅分别为94.11%、94.30%、94.21%和 94.15%，修正后的锅炉效率分别为 94.52%、94.75%、94.74%和 94.60%（见图5）。综合而言，污泥掺烧前、后，锅炉热效率基本一致。说明当干化污泥掺烧比例控制在10%以内，低负荷下污泥掺烧未造成燃料燃尽率的下降，未影响锅炉热效率。

图5 各工况下锅炉热效率（修正后）变化规律示意图

2.2 污染物排放特征

2.2.1 常规气体污染物的排放情况

将废气处理设施处理前，烟气中SO2、NOX的实测浓度通过计算转化为含氧量为6%时的数值。当进行污泥掺烧时，SO2排放量会有增加的趋势，但是随着污泥掺烧比的继续增加，由于污泥中的Pb含量较高带来的自脱硫效果导致SO2的生成浓度开始下降。当进行污泥掺烧时，NOX排放量会有增加的趋势，但是随着污泥掺烧比的继续增加时，燃料比（固态碳/挥发分）降低，影响燃料中N的释放，造成的总体NOX生成浓度下降。从测量结果上看，混煤中含氯和氟的有机物和无机物含量较少，HF、HCl产生浓度较低，污泥掺烧后对HF、HCl生成浓度影响不大。

2.2.2 二噁英排放情况

从试验期间污泥掺烧后二噁英的产生浓度来看，远低于我国GB18485-2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定的0.1ngTEQ·m-3，能够实现达标排放。

2.2.3 重金属排放情况

重金属在掺烧后，主要分布于底渣、飞灰、石膏及随着处理后烟气进入大气环境中。对比底渣、飞灰、石膏及处理后烟气中重金属含量发现，燃料中的重金属主要富集在底渣及飞灰中，烟气处理后重金属排放浓度满足GB18485-2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中的要求。

3 结论

①干化污泥具有热值低、固定碳含量低、灰分含量高的特点，将污泥掺烧比控制在10%以内，对煤质成分影响不大。

②试验期间，随着污泥掺烧比从0%、5%、7%、10%逐渐增加过程中，未对锅炉燃烧稳定性产生明显影响，飞灰和炉渣含碳量有小幅度降低，锅炉热效率未发生明显变化，说明试验期间对锅炉燃烧特性影响小。

③4个不同污泥掺混比下，SO2和NOx生成浓度呈现先略微上升后下降的趋势，变化幅度较小，HF、HCl生成浓度未发生明显化变化，二噁英生成浓度有所增加，经过废气处理设施处理后其排放均符合相关标准。

④污泥掺烧后，燃料中的重金属主要富集在底渣及飞灰中，烟气处理后重金属排放浓度满足国家标准要求。