煤粉锅炉耦合城市污泥发电方式对电厂系统的影响

胡信韬，陈雨欢，王 操，彭义林

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430000)

1 机组概况

某热电厂13#、14#机组锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的HG-1125/25.4-YM型超临界参数变压运行直流炉、单炉膛、前后墙对冲燃烧、一次再热、平衡通风、露天布置、固态除渣，全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，采用中速磨正压直吹式制粉系统，每台炉配5台中速磨煤机，保证出力45.1 t/h，在BMCR工况下，4运1备。汽轮机为东方汽轮机有限公司生产C350/307-24.2/4.0/0.4/566/566型超临界、一次中间再热、双缸(高中压合缸)双排汽单轴、双抽汽凝汽式汽轮机。发电机为东方电气集团东方电机有限公司提供的产品。每台锅炉BMCR工况下蒸发量1 125 t/h，耗煤量151.5 t/h。

2 污泥处置项目概况

根据武汉市环保局的统一规划，某电厂为武汉市污泥无害化处置单位之一，以解决污泥填埋生成的二次污染问题。本次污泥处置项目建设3×100 t/天80%含水率污泥干化线和3×67 t/天60%含水率污泥干化线，将来自武汉市城市排水发展有限公司的含水率80%的自来水厂污泥通过蒸汽圆盘干燥机干化成含水率40%的污泥，将武汉汉西污水处理有限公司的含水率60%的自来水厂污泥通过热风干燥机干化成含水率40%的污泥，本工程40%含水率的干污泥产量为9.7 t/h，干污泥与燃煤均匀混合后输送至煤斗，经给煤机输送进入中速磨制粉后进入锅炉燃烧，污泥得到减量化、稳定化、无害化处理。

蒸汽圆盘干燥机、热风干燥机产生的尾气冷凝后，不凝气通过乏气风机送入废气引风机入口母管， 与湿、半干污泥坑、干化车间、废水处理系统、2#刮板机、3#刮板机抽气合并，通过2台废气引风机出口的厂区乏气母管送至两台锅炉的四台送风机出口管道，进入锅炉助燃，同时除掉乏气中的有机气体。

本工程装置年利用小时数6 500 h。

3 煤粉锅炉耦合城市污泥发电方式对电厂系统的影响

13#、14#机组两台锅炉掺烧污泥量约为9.7 t/h(日运行按24 h计算)。两台锅炉总耗煤量303 t/h，为了使分析更贴近于实际，机组年利用小时数取2018年湖北省火电年利用小时数4 500 h，在干化设备年运行小时数6 500 h下，按照负荷率估算，锅炉负荷取性能数据表中的75%THA工况负荷：两台锅炉总耗煤量209.8 t/h，单台锅炉耗煤量104.9 t/h，则单台锅炉污泥的掺烧比例约为4.6%。

3.1 对锅炉本体的影响

氯元素的存在可能会导致锅炉受热面的腐蚀，但根据经验，我国煤炭中氯含量一般为0.1%～0.2%(取平均值0.105%)，掺烧污泥(含水率40%)氯含量取为0.006%，污泥掺烧后混合燃料中氯含量约为0.099%，氯含量相对降低，并低于煤粉锅炉对氯含量的控制上限0.3%。因此，燃煤锅炉的高温腐蚀处于正常可控范围。

由于污泥中的氯含量低于煤，因此若增大污泥处理量，不会造成锅炉的高温腐蚀。

3.2 对电厂送风机的影响

某电厂13#和14#锅炉的送风机TB点流量为479 534 m3/h，运行小时数取6 500 h时，风机机运行流量为331 985 m3/h，本项目两台废气引风机出口总流量TB点为94 200 m3/h，设计工况下废气进入2台炉的4台送风机出口，占每台送风机风量比例为7%；校核工况下废气进入1台炉的2台送风机出口，占每台送风机风量比例为14%。

13#、14#炉4台送风机为动叶可调轴流风机，当乏气进入送风机出口风道后，可以在DCS上通过调节动叶角度来降低风机入口风量，保证锅炉风量平衡、燃烧稳定。废气引风机全压头9 300 Pa，已充分考虑送风机出口背压的影响。

在校核工况下，废气进入1台炉的2台送风机，依据已投运的项目经验，动叶可调轴流风机能够在动叶开度22%左右稳定运行。在此风门开度下，两台送风机风量为210 994 m3/h，则两台废气引风机出口总流量最大为748 073 m3/h，即掺烧77 t/h的40%含水率的干污泥，乏气管道尺寸为Φ3 420 mm×3 mm，至老厂的乏气管道布置会变得极为困难。因此污泥处理量与乏气管道布置需要平衡。

根据锅炉厂提供的热力计算汇总表，锅炉最低稳定运行工况为50%THA工况，在该工况下空预器进口二次风量为542.7 t/h，风温23 ℃。因此50%THA工况下，单台送风机出口风量为227 451 m3/h。此时，送风机动叶开度为59%。因此，在50%THA工况下，污泥干化系统对锅炉送风系统运行无影响。

3.3 对电厂制粉系统的影响

本工程为2×350MW机组，采用中速磨煤机正压冷一次风机直吹式制粉系统。每台锅炉设 5 台长春发电设备有限责任公司提供的MPS170HP-II 型中速磨煤机。

对于煤粉锅炉中污泥的最高掺烧比例，《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》明确为：“在现有热电厂协同处置污泥时，入炉污泥的掺入量不宜超过燃煤量的 8%”。当污泥掺烧设施设计日处理能力为233 t(含水率在40%左右的干化污泥)，系统按日利用时间24 h设计，则每小时约需要掺烧约9.7 t的干化污泥。本项目干化污泥若同时掺烧至两台炉时，污泥掺烧比例约为4.6%；若一台机组停机，干化污泥掺烧至单台炉时，污泥掺烧比例约为9.2%。掺烧比例略高于8%。

部分文献如《300MW亚临界燃煤锅炉污泥掺烧性能试验研究》[3]、《700MW燃煤发电厂污泥掺烧技术应用分析》[4]提出污泥掺烧比例增加到10%，对煤质成分、锅炉燃烧稳定性、锅炉热效率等影响不大，主要污染物满足相关排放标准要求。

若按照每小时两台锅炉掺烧约9.7 t的干化污泥，根据热值折算，则单台锅炉燃料(煤+干化污泥)耗量约从原来的 104.9 t/h 增大为 108.4 t/h。本工程有 5 台磨煤机(4 运 1 备)，按照增加的燃料量约3.5 t/h平均到4台磨煤机，每台磨煤机出力约为27.1 t/h。机组采用的MPS170HP-II型磨煤机，设计时其保证出力45.1 t/h，磨煤机研磨出力可以满足要求。同时，由于污泥可燃，能够代替部分燃煤，因此掺烧9.7 t/h的干化污泥可以节约设计煤种1.4 t/h。

若增大污泥处理量，则混煤的水分提高，热值下降，这将影响制粉系统的热平衡计算。建议污泥掺烧比例不超过10%，即掺烧22.5 t/h的40%含水率的干污泥，若超过10%，首先需要将混煤煤质提交锅炉厂、磨煤机厂，重新配合进行干燥计算，确定新的磨煤机入口热风风温、风量。运行方面，可减少调温冷风的量来提高进入磨煤机热一次风温。必要时需要对锅炉进行改造，比如对锅炉空预器进行改造或对锅炉省煤器进行改造，目的是提高空预器出口一次热风温度，同时应在一次风机裕量范围内，否则需同步更换一次风机；其次应协调磨煤机厂按照混煤煤质重新进行磨煤机保证出力计算。

3.4 对电厂除尘、脱硫系统的影响

掺烧污泥对电厂现有环保设施的影响是电厂的重要关注点。

根据热值折算，本项目污泥的百分比为4.6%。对于该问题，分为以下几个步骤：

(1)确定污泥的成分，本课题的污泥成分来自环境影响报告书。根据污泥所占比例，得出混煤的成分分析。

(2)根据现场搜集到的青山热电厂提供的锅炉热力计算汇总表，编制燃烧计算书，分别得出现有煤质原始粉尘、二氧化硫排放浓度。

(3)根据环评报告中实测的原电厂粉尘、二氧化硫排放浓度进行线性折算，求出混煤的粉尘、二氧化硫排放浓度。

掺烧污泥后的混煤煤质及燃烧计算汇总表如表1所示。

表1 煤质分析数据

混煤后，根据燃烧计算，得出干态、标态下混煤的空预器出口PM浓度、SO2浓度。在环保措施不变的情况下，经过线性折算，可以得出混煤的粉尘排放值为5.01 mg/m3(标准)、SO2排放值23.03 mg/m3(标准)，比掺烧污泥前略有上升，但依然可以满足排放要求。

因此，已有的粉尘、SO2污染物处理设施能够满足混煤燃烧的排放物要求，不需要额外增设粉尘、SO2环保处理设施。

若增大污泥处理量，掺烧583.4 t/h的40%含水率的干污泥，污泥掺烧比例加至94%，计算结果显示SO2排放仅为31 mg/m3(标准)，粉尘排放为10 mg/m3(标准)，粉尘排放浓度将会超标，SO2排放浓度依然在环保限值以内。

3.5 对电厂脱硝系统的影响

参照《燃煤电厂掺烧市政污泥工程大气污染分析》[5]一文对国内某电厂掺烧污泥前后的在线监测 NOx排放浓度对照结果：随着污泥掺烧率从0%提高至7.35%，4#锅炉NOx排放浓度从34 mg/m3(标准)下降至26 mg/m3(标准)；随着污泥掺烧率从0%提高至3.63%，3#锅炉NOx排放浓度从41 mg/m3(标准)下降至35 mg/m3(标准)。NOx排放浓度的降低可能与污泥中存在的少量尿素、氨水等物质的吸收作用和灰尘微孔吸附有关。

参照《700 MW燃煤发电厂污泥掺烧技术应用分析》[4]一文中，700 MW燃煤电厂掺烧50%含水率污泥时，随着污泥掺烧率从0%提高至10%，烟囱出口处测得的NOx排放浓度从23.8 mg/m3(标准)下降至21.3 mg/m3(标准)。

现有项目脱硝工艺为SCR脱硝，青山热电厂2015年对烟气环保设备进行了升级改造，在原有脱硝系统2层催化剂的基础上，再增加一层催化剂。根据青山电厂 13#、14#机组锅炉烟气在线监测，现有燃煤锅炉烟气中氮氧化物排放浓度在 35mg/m3上下波动，本次NOx保守按照维持35 mg/m3不变，不需要额外增设脱硝环保设施。

若继续加大污泥处理量，由于NOx排放浓度随污泥量的增大而减小，因此对脱硝系统几乎没有影响。

3.6 对电厂二英排放的影响

六项对电厂系统影响的边界条件如表2所示。

表2 各项影响因素的边界条件 t/h

从表2可以看出，制粉系统是掺烧污泥量的重要限制因素，若需提高掺烧污泥量，则需要与锅炉厂、磨煤机厂进行深度配合。

4 结 论