300MW 燃煤鍋爐摻燒生活污泥試驗研究

劉炎南，李德波，闞偉民，陳兆立，余馮堅，陳智豪

(1.深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.南方電網電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3.中國南方電網有限責任公司，廣東 廣州 510663；4.廣東省節能中心，廣東 廣州 510030)

0 引 言

隨著經濟與社會的發展，我國生活污泥產量大幅增加[1]。根據《中國生態環境統計年報》的統計數據，2021 年國內生活污泥產生量已達4592.1 萬噸，平均每日產量為12.6 萬噸。燃煤電廠摻燒生活污泥能確保污泥被無害化處置，同時可以回收污泥中的能源，符合節能環保理念，因此成為目前研究熱點之一[2-3]。

國內部分學者已針對燃煤電廠摻燒生活污泥的燃燒過程開展了相關的研究工作。針對燃煤與污泥混合后的燃料，采用熱重分析等技術研究燃料特性[4-7]。孟濤等人[4]對淮南煤與三種含水量較高的濕污泥分別以10%、30%、50%的比例摻混，然后對得到的9 種混合燃料開展熱重分析研究，得到了混合燃料的燃料特性與動力學反應規律。張自麗等人[5]采用熱重傅里葉紅外聯用技術，研究了市政污泥與徐州煙煤摻燒的燃燒性能、交互作用及動力學特性，明確了燃料中元素N 與S 的賦存形態以及熱轉化規律，得到了NOX和SO2污染物生成過程機理。而采用Fluent 等軟件建立模型，則可以對污泥摻燒過程開展數值模擬研究[8-10]。Lou 等人[8]對廣東某電廠循環床鍋爐建立Fluent 三維模型，重點對爐內的磨損情況開展數值模擬研究，并進一步優化多種防磨損措施。王海川等人[10]針對某300MW 四角切圓鍋爐煤粉摻燒污泥運行情況，采用Fluent 軟件建立模型，對鍋爐爐膛內的煙氣流動、燃燒過程和污染物NOX排放進行數值模擬研究。蔣孟宴等人[11]在0.3MWth 循環流化床中試裝置開展研究，研究了不同摻燒比例、一次風與二次風比例、過量空氣系數等參數對燃燒效率和氣態污染物排放的影響規律，重點討論煤與污泥中氮、硫的賦存形態及其轉化特性，分析煤與污泥摻燒過程中飛灰組分及熔融特性。相比于中試試驗，在燃煤電廠開展現場試驗得到的數據更具有參考價值[12-16]。李博等人[12]基于某電廠240t/h 高壓循環流化床燃煤鍋爐，對比分析了濕污泥直接入爐摻燒和濕污泥干化后摻燒兩種技術方案，并開展濕污泥直接入爐摻燒試驗，發現摻燒污泥對循環流化床鍋爐的運行床溫、氧量、爐膛出口負壓值均有明顯影響，但對NOX排放影響較小。部分學者還針對具體的摻燒工藝過程展開細致的研究，重點是針對污泥的儲存、輸送、干化過程等[17-20]。

在現有鍋爐設備摻燒污泥是經濟、環保、合理的處置方式之一，未來發展前景廣闊。本文依托廣東某燃煤電廠現有燃煤、超低排放設施等，開展摻燒污泥現場試驗研究，分析污泥摻燒對鍋爐運行的影響，為以后工業化應用提供參考。

1 鍋爐設備概況

廣東省某燃煤電廠，共有6 臺燃煤機組，總裝機容量為1960MW。選取其中一臺300MW 燃煤機組，開展污泥摻燒試驗研究。所選燃煤機組的鍋爐型號為HG-1025/17.55-YM15 亞臨界、一次中間再熱汽包爐，燃燒方式為正壓直吹、四角切圓擺動式。在BMCR 工況下，鍋爐的主要熱力設計參數如表1 所示。

表1 試驗鍋爐主要熱力設計參數

2 試驗工況設置

基于廣東某燃煤電廠的現有鍋爐設備和煙氣凈化工藝，開展污泥摻燒試驗研究。針對該300MW 燃煤鍋爐，分別研究其在50%負荷和滿負荷工況下，不摻燒污泥、摻燒10%污泥、摻燒15%污泥六種工況的運行情況。分別對燃料特性、鍋爐系統燃燒、附屬系統運行、煙氣污染物排放等方面進行研究，試驗工況設置如表2 所示。

表2 污泥摻燒試驗工況設置

3 試驗結果及分析

3.1 燃料特性

燃煤和污泥的工業分析和元素分析結果如表3 所示，與燃煤相比，污泥含水量高，可燃燒的成分含量較低，灰分含量較高，因此熱值遠低于燃煤。燃煤樣品的真密度低于污泥樣品的真密度，隨著污泥摻燒比率的增加，混合燃料熱值降低。

表3 燃煤與污泥的燃料特性

污泥中灰分含量比燃煤高，而重金屬是灰分的重要組成部分之一，樣品重金屬化驗結果如表4 所示。

表4 燃煤與污泥樣品的重金屬化驗結果

分析表4 可知，污泥中各種重金屬的含量均高于燃煤，則在摻燒污泥后，入爐燃料的重金屬含量會隨著摻燒比例增大而提高。而重金屬對人體和環境都有較大的危害，因此有必要研究摻燒污泥后的重金屬遷移規律及其在燃燒產物中的分布特性，避免造成二次污染。

摻燒污泥后入爐燃料的重金屬含量提高會增加積灰結渣風險。分析表5 可知，污泥的灰熔點高于試驗原煤的灰熔點，神華煤的軟化溫度為1410℃，污泥的軟化溫度大于1500℃。原煤摻入10%污泥的混合樣品軟化溫度為1330℃，原煤摻入15%污泥的混合樣品軟化溫度為1310℃，結果顯示混合樣品的灰熔點高于原煤的灰熔點，說明摻燒污泥沒有增加結渣的風險。

表5 灰熔融特性分析

3.2 鍋爐系統

由于污泥的水分含量高和熱值較低的特點，摻燒后會對鍋爐燃燒造成不利的影響。

首先研究摻燒污泥后對燃燒溫度的影響，測量得到各試驗工況的爐膛溫度如表6 所示。分析表6 可知摻燒污泥對爐膛溫度的影響不大，未對燃燒穩定性造成影響。而且各摻燒工況最低爐膛溫度均大于900℃，平均爐膛溫度約為1200℃，鍋爐在此溫度條件下燃燒不易產生二噁英。

表6 各摻燒工況的爐膛溫度測量結果(℃)

摻燒污泥還會對鍋爐熱效率造成影響，在50%負荷和滿負荷條件下，不同摻燒比例的鍋爐熱效率，如表7 和表8 所示?？紤]到試驗期間氣溫變化較大，本文主要關注送風修正后的熱效率數據。

表7 150MW 負荷工況效率測試主要結果

表8 300MW 負荷工況效率測試主要結果

在鍋爐50%負荷工況下，不摻燒污泥時鍋爐效率為94.33%；摻燒10%污泥后鍋爐效率為93.98%，比不摻燒工況下降0.35%；摻燒15%污泥后鍋爐效率為93.89%，比不摻燒工況下降0.44%，摻燒工況的平均熱效率為93.93%，與不摻燒工況相比下降0.4%。

在鍋爐300MW 負荷工況下，不摻燒污泥時鍋爐效率為94.27%；摻燒10%污泥后鍋爐效率為94.07%，比不摻燒工況下降0.19%；摻燒15%污泥后鍋爐效率為94.03%，比不摻燒工況下降0.24%，摻燒工況的平均熱效率為94.05%，與不摻燒工況相比下降0.22%。

整體上，摻燒污泥對鍋爐效率的影響，在可接受范圍內。

3.3 風煙系統

風煙系統是鍋爐的主要附屬系統，會受到污泥摻燒的影響。為了評估污泥摻燒對風煙系統的影響，選擇一組對比工況（工況2 和工況6）的煙氣量進行實地測量，具體位置為煙囪入口煙道，結果見表9。由表9 可知，300MW 不摻燒工況煙氣量為1337300m3/h，摻燒15%污泥工況煙氣量為1377600m3/h，煙氣量略有增加。

表9 工況2 和工況6 的煙氣量對比

煙氣量的變化會導致風機耗電量的變化。試驗期間檢測發現，工況2 期間引風機的最大電流為215.9/220.7A，一次風機的最大電流為74.7/74.0A，二次風機的最大電流為36.6/36.2A；工況6 期間引風機的最大電流為223.2/238.4A，一次風機的最大電流為73.8/73.3A，二次風機的最大電流為36.8/36.7A。對比可見摻燒污泥對一次風機、二次風機電流無明顯影響，引風機電流略有增加，鍋爐各風機均可穩定運行。

3.4 煙氣污染物

3.4.1 NOX

圖1 為不同工況下，煙囪處測量得到的NOX排放平均濃度數據，分析可知，各個試驗工況的NOX排放濃度相近，且均小于超低排放標準要求的50mg/m3?？梢?，摻燒污泥后，燃煤鍋爐的NOX排放能滿足排放要求。

圖1 NOX 排放情況(6%O2)

3.4.2 SO2

圖2 為不同工況下，煙囪處測量得到的SO2排放平均濃度數據。分析可知，各個摻燒工況的SO2排放濃度與污泥的摻燒比例沒有明顯相關性，但都小于超低排放標準要求的35mg/m3?？梢?，摻燒污泥后，燃煤鍋爐的SO2排放能滿足排放要求。

圖2 SO2 排放情況(6%O2)

3.4.3 粉塵

圖3 為不同工況下，煙囪處測量得到的粉塵排放平均濃度數據。分析可知，各個摻燒工況的粉塵排放濃度與污泥的摻燒比例沒有明顯相關性，但都小于超低排放標準要求的5mg/m3?？梢?，摻燒污泥后，燃煤鍋爐的粉塵排放能滿足排放要求。

圖3 粉塵排放情況(6%O2)

3.4.4 二噁英

在工況5 和工況6 試驗過程中，監測二噁英排放情況，具體結果如表10 所示，分析可知，工況5 的二噁英排放量平均值為0.0023ng TEQ/m3，工況6 的二噁英排放量平均值為0.0035ng TEQ/m3，兩個工況的二噁英排放濃度均低于(GB 18485-2014)生活垃圾焚燒污染控制標準，即廢氣二噁英排放限值為0.1ng TEQ/m3,滿足環保要求。

表10 工況5 和工況6 的二噁英排放情況(ng TEQ/m3)

3.4.5 汞

煙氣中的汞是關注較多的重金屬類污染物，在煙囪入口對煙氣采樣檢測其中的汞含量。檢測結果發現，工況5 實測汞排放濃度分別為5.48μg/m3，工況6 實測汞排放濃度分別為0.86μg/m3，可見汞的排放情況既能滿足垃圾焚燒電廠的大氣污染物排放要求（75μg/m3），也能滿足火電廠的大氣污染物排放要求（30μg/m3）。

4 結論與建議

本文在廣東某燃煤電廠300MW 燃煤機組開展污泥摻燒試驗，研究50%負荷和滿負荷下摻燒不同比例污泥的影響，得到的以下結論：

(1)綜合各試驗工況下摻燒污泥的試驗結果可知，300MW 和150MW 負荷摻燒比例在15%以下，鍋爐各系統運行穩定，各參數均在正常范圍內，300MW 和150MW 負荷時摻燒污泥鍋爐熱效率平均下降0.22%和0.4%，不影響鍋爐正常運行。

(2)摻燒≤15%污泥對爐膛溫度的影響不大，未對燃燒穩定性造成影響，各摻燒工況測到的最低爐膛溫度均大于900℃，平均爐膛溫度約為1200℃。污泥在此溫度條件下燃燒不易產生二噁英。

(3)摻燒≤15%污泥對鍋爐的安全穩定運行影響很小，鍋爐環保系統、煙風系統等有足夠裕量，完全可滿足污泥摻燒要求。