掺烧生化药渣对循环流化床锅炉热效率的影响分析

刘 刚，罗 凯，杨 杰，罗俊俊

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

医药产业是关系国计民生的重要产业，是人民健康和社会稳定的重要保障，对构建和谐社会意义重大，医药制造行业是其重要的组成部分［1］。近年来，我国生化医药制造行业呈现出持续快速增长的态势，但其产生的生化制药污泥和菌渣（简称“生化药渣”）不仅气味难闻、而且富集了重金属、难以降解的物质和潜在的致病性微生物［2-3］，其处置已受到社会及科学界的广泛重视。生化药渣属于《国家危险废物名录》中HW02医药废物类［4］，堆肥、填埋和焚烧是目前处置的常用方法［5-9］，由于生化药渣污染物含量较高，同时土地资源日益紧张，堆肥和填埋方式受到一定的限制，焚烧法具有减量化、资源化等优势，逐渐成为污泥和菌渣处置的主流方式［10-14］。根据采用的焚烧装置不同，焚烧处理主要又可分为炉排炉焚烧、流化床焚烧、回转式燃烧炉燃烧、电站锅炉掺烧［15-16］。循环流化床锅炉具有燃料适应性广、氮氧化物排放低、易于实现灰渣利用等特点［17-18］，可以实现大型工程化焚烧处理生化药渣固废［19-20］。

生化药渣水分高、热值低、成分复杂，某循环流化床锅炉掺烧生化药渣后出现灰渣含碳量升高、排烟温度升高等问题，并最终导致锅炉效率下降，因此开展掺烧生化药渣对循环流化床锅炉热效率的影响分析具有现实意义。

1 锅炉设备特性

某300 MW发电机组配置锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产制造的亚临界循环流化床锅炉，采用一次中间再热、单汽包自然循环、单炉膛、平衡通风、汽冷式旋风分离器、露天布置，型号为DG1100/17.4-Ⅱ。原锅炉设计最大连续蒸发量为1 100 t/h，扩容改造后最大连续蒸发量为1 136 t/h，额定工况下过热器蒸汽出口温度为540 ℃，再热器蒸汽出口温度为540 ℃，给水温度276.5 ℃。锅炉采用炉内喷钙脱硫，石灰石从回料器给入，炉外无脱硫；脱硝采用SNCR 氨水脱硝，除尘采用布袋式除尘器。经浓缩脱水后的生化药渣通过2台柱塞泵从锅炉炉顶中部靠后墙处送入炉膛进行燃烧。

锅炉整体支吊在锅炉钢架上，主要由一个膜式水冷壁炉膛，3台汽冷式旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井（HRA）三部分组成。炉膛内前墙布置有12片屏式过热器管屏、6片屏式再热器管屏，后墙布置2片水冷蒸发屏。锅炉共布置有8个给煤口，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室，水冷风室两侧布置有一次热风道，进风型式为平行于布风板从风室两侧进风。一次风道内分别布置两台点火燃烧器，炉膛密相区水冷壁前后墙上分别各设置了4支床上点火油枪。4个排渣口布置在炉膛后水冷壁下部，分别对应4 台滚筒式冷渣机。炉膛与尾部竖井之间，布置有3台汽冷式旋风分离器，其下部各布置1台“J”阀回料器，回料器为一分为二结构。尾部采用双烟道结构，前烟道布置3组低温再热器，后烟道从上到下依次布置有2组高温过热器、2组低温过热器，向下前后烟道合二为一，其中布置有两组螺旋鳍片管式省煤器和卧式空气预热器，空气预热器采用光管式，一二次风道分开布置，沿炉宽方向四回程双进双出。过热器系统中设有两级喷水减温器，再热器系统中布置有事故喷水减温器和微量喷水减温器。锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数Table 1 Main design parameters of boiler

2 生化药渣和燃煤特性

2.1 生化药渣特性分析

生化药渣由经过板框压滤的生化污泥、物化处理污泥和生产车间提取产品后发酵培养基产生的发酵菌渣（简称菌渣）3 种固体废弃物组成，按质量比例约3：1：6 混合均匀。生化药渣所含3 种固体废弃物的特性分析数据如表2所示。

表2 生化药渣特性分析数据Table 2 Characteristic analysis data of biochemical residue

从以上特性分析数据可以看出，生化药渣水分非常高，灰分低，干燥无灰基挥发分极高，热值极低。

2.2 燃料特性分析

锅炉原设计煤种为贫煤，实际常用燃用煤种为烟煤。机组300 MW额定负荷工况下，生化药渣正常掺烧量约为20 t/h，锅炉实际燃煤量约为120 t/h。设计煤种、实际常用煤种、生化药渣与煤按质量比1︰6掺配混合样的燃料特性分析数据如表3所示。与纯燃煤工况相比，掺烧生化药渣后的混和燃料全水明显上升，热值明显下降，灰分明显上升，这都会对锅炉热效率带来不利影响。

表3 燃料特性分析数据Table 3 Characteristic analysis data of fuel

3 热效率试验

锅炉热效率试验依据《DL/T 964-2005 循环流化床锅炉性能试验规程》进行，混合燃料的元素分析值、工业分析值和低位发热量按原煤和生化药渣占总燃料质量消耗量份额的加权进行取样混合后通过试验室分析得出［21］（煤质分析数据见表3），灰渣比例按7︰3进行计算。

热效率试验选择纯燃煤工况和掺烧药渣工况条件进行对比试验。试验期间燃煤为常用煤种并维持煤质稳定，生化药渣掺烧量维持20 t/h，机组维持额定负荷300 MW正常稳定运行。

3.1 热效率试验结果

不同试验工况下，热效率试验结果如表4所示。

表4 热效率试验结果Table 4 Results of thermal efficiency test

3.2 试验期间锅炉主要运行参数

不同试验工况下，通过DCS进行数据采集，试验期间锅炉主要运行参数的统计平均值如表5所示。

4 影响分析

4.1 对锅炉负荷的影响

掺烧生化药渣后对物料循环及锅炉带负荷能力无明显影响，锅炉能带额定负荷正常运行；对锅炉主蒸汽和再热蒸汽的汽温及汽压不会产生明显影响，气温均能达到额定值。

4.2 对排烟热损失的影响

掺烧生化药渣工况相比纯燃煤工况，锅炉空预器出口通过网格线法实测的排烟温度提高7.5 ℃。从试验期间DCS 显示的锅炉主要运行参数可见，当占总燃料量约14%的生化药渣在炉内与床料混合掺烧时，床温下降8～10 ℃，炉膛出口烟温下降13 ℃，分离器出口烟温下降14 ℃，而省煤器入口烟温上升5.5 ℃，空预器入口烟温上升4～6 ℃，排烟温度上升6～7 ℃。生化药渣水分高、热值低，掺烧药渣会导致床温和高温受热面烟温降低，为满足锅炉出力则需要更多的热量输入并产生更大的烟气量，从而最终导致低温段受热面和排烟温度上升。排烟温度上升和烟气量增加都导致排烟热损失增加。

4.3 对固体未完全燃烧损失的影响

掺烧生化药渣工况相比纯燃煤工况，床温和高温受热面烟温均降低，燃料燃烬率下降，取样化验的飞灰可燃物由5.62%升至7.54%，底渣可燃物由5.57%升至6.13%。药渣和煤混合样的工业分析与纯煤相比，收到基灰分由13.56% 升至19.01%，低位发热量由24 680 kJ/kg 降至20 257 kJ/kg。计算得出的固体未完全燃烧损失明显增大，由1.93%增加至3.57%。

表5 锅炉主要运行参数Table 5 Main operation parameters of boiler

4.4 对灰渣物理热损失的影响

掺烧生化药渣导致燃料灰分明显增加，单位燃料产生的灰渣量也明显增加，由于排烟温度上升，灰渣物理热损失也相应增大。

4.4 对锅炉热效率的影响

纯燃煤工况锅炉计算热效率为91.44%，修正后热效率为90.63%。掺烧生化药渣工况锅炉计算热效率为89.64%，修正后热效率为89.24%，分别下降1.8%和1.39%。相同锅炉出力情况下入炉煤量从117 t/h上升至122.3 t/h，增加5.3 t/h。掺烧生化药渣工况，造成锅炉效率降低的主要原因在于药渣水分高、灰分高、热值低，从而导致烟气量增大、排烟温度升高、灰渣排量增大、灰渣燃烬率下降，相应的计算热效率各项损失中排烟热损失增大0.09%、固体未完全燃烧热损失增大1.64%、灰渣物理热损失增大0.14%，其中固体未完全燃烧热损失增大尤为明显。

5 结语

生化药渣水分高、灰分高、热值低，循环流化床锅炉掺烧生化药渣会导致烟气量增大、排烟温度升高、灰渣排量增大、灰渣燃烬率下降，相应排烟热损失、固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失均增大，其中固体未完全燃烧热损失增大尤为明显。掺烧生化药渣后对物料循环及锅炉带负荷能力无明显影响，锅炉能带额定负荷正常运行；对锅炉主蒸汽和再热蒸汽的汽温及汽压不会产生明显影响，气温均能达到额定值。循环流化床锅炉掺烧生化药渣对于医药固废的无害化处理具有现实的生产意义，但是对锅炉热效率会产生不利影响，生化药渣入炉前的干化处理是后续可开展的研究方向。

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