燃煤鍋爐協同燃燒污泥對受熱面影響的研究

李明明, 侯 波

(國能龍源環保有限公司, 北京 100039)

隨著“雙碳”目標的推進、新型電力系統的構建、電力市場化改革的深入,以及能源保供壓力的增加,發電行業既有新的發展和機遇,又有新的風險和挑戰。燃煤電廠耦合生物質發電是實現燃煤機組向低碳化轉型,以及更大幅度地降低二氧化碳(CO2)排放的發展方向,這種方式不僅實現了污泥的“無害化、減量化、資源化”的處置原則,還減少了化石燃料的使用。

近年來,各地對污泥造成的環境風險和危害認知不斷清晰,國家和地方的政策、法規、規劃陸續出臺,正逐漸形成“泥水并重”的態勢[1],同時燃煤電廠協同污泥焚燒處置工藝得到了社會的認可。國內已有多家電廠對40%含水率的污泥進行了摻燒試驗,其中機組容量包括300 MW、600 MW、1 000 MW。但從燃煤電廠協同污泥焚燒處置的安全性考慮,燃煤電廠摻燒污泥對鍋爐的影響也應得到重視和研究[2]。

筆者對承德、福州、常州的城市污泥進行工業分析及元素分析,以常州某電廠2臺630 MW燃煤機組的鍋爐為對象,研究不同污泥摻燒比對受熱面磨損、結渣、沾污和腐蝕的影響。同時,檢測摻燒6%的常州污泥后壁面還原性氣體含量的變化,進而分析燃煤電廠協同污泥焚燒處置對鍋爐水冷壁高溫腐蝕的理論影響。

1 試驗方案

1.1 機組概況及試驗樣品

該電廠鍋爐為超臨界參數變壓運行直流燃煤鍋爐,型號為HG-1913/25.4-YM7,采用П形布置、螺旋水冷壁、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架全懸吊結構。

設計煤種為煙煤,對承德、福州、常州的城市污泥分別進行工業和元素分析(見表1),以及混合燃料灰成分分析(煙煤與不同比例污泥摻混,見表2),并且根據理論計算得出不同污泥摻燒比(2%、6%、10%,文中均為質量分數)下混合燃料的元素分析結果(見表3)[3]。

表1 城市污泥與設計煤種的工業分析及元素分析結果

表2 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混的灰成分分析

1.2 現場試驗內容

基于承德、福州、常州的城市污泥的工業分析、元素分析和混合燃料灰成分檢測結果,分析不同摻燒比對燃煤鍋爐受熱面結渣特性、沾污特性,以及積灰導致的腐蝕性能的影響。同時,對摻燒污泥前后鍋爐爐膛、過熱器受熱面周邊的還原性氣體含量進行檢測,根據檢測結果分析摻燒污泥前后鍋爐受熱面受到還原性氣氛變化對水冷壁高溫腐蝕的影響。溫度和還原性氣體檢測位置見圖1。

圖1 溫度和還原性氣體檢測位置

2 結果與討論

2.1 受熱面磨損

鍋爐受熱面磨損主要發生在對流受熱面(過熱器對流受熱面、省煤器對流受熱面)。對流受熱面的磨損主要與煙氣流速和煙氣含灰量有關,在其他條件相同的情況下,對流受熱面的磨損率與煙氣流速的三次方和煙氣含灰質量濃度的一次方成正比。摻入污泥后對流受熱面磨損變化率的計算公式為:

(1)

式中:km為摻燒污泥后對流受熱面磨損變化率;v0、vc分別為未摻燒污泥和摻燒污泥后的煙氣流速;ρ0、ρc分別為未摻燒污泥和摻燒污泥后的煙氣含灰質量濃度。

因為污泥中的灰含量高于煤,所以隨著污泥摻燒比的升高,飛灰量和爐渣量會相應地增加,存在尾部后豎井煙道對流受熱面磨損加快的風險。通過污泥、燃煤的檢測結果可以計算出燃料的單位煙氣容積,同時由于鍋爐的爐膛界面不變,燃料的煙氣流速比即為對應的燃料單位煙氣容積比,因此可以定量計算出摻燒污泥后對流受熱面磨損率的變化情況。

表4為摻燒污泥前后的煙氣流速和含灰量(燃料單位煙氣容積以設計煤種為基準進行計算)。摻燒比在10%以內,隨著摻燒比的增加,煙氣量的增加幅度大于生成灰量的增加幅度,導致爐膛出口煙氣含灰量隨著摻燒比的增加而減少。污泥摻燒比為10%時,摻燒后對流受熱面磨損變化率增至未摻燒污泥時的1.021倍,增幅僅為2.1%。同時,張全斌等[4]研究發現若污泥摻燒比不大于6%,鍋爐受熱面磨損變化率測算的增加幅度不超過4%。需要注意的是,計算時未考慮燃料熱值降低對鍋爐效率的影響,理論上當80%含水率的污泥的摻燒比為10%時,鍋爐效率最大降低約0.35%[5]。

表4 摻燒污泥前后的煙氣流速和含灰量

污泥摻燒比≤10%時,煙氣流速略微增大,含灰量變小,總體考慮受熱面的磨損率增幅很小,因此在實際運行中污泥摻燒對鍋爐受熱面的磨損可以忽略不計。

2.2 受熱面結渣和沾污

2.2.1 摻燒污泥對燃料結渣特性的影響

將3種城市污泥分別按照2%、6%、10%摻燒比摻混煙煤,得到摻混后燃料的結渣指數見表5,其中:結渣指數>1 343 ℃對應不結渣;結渣指數為1 149～1 343 ℃對應中等結渣;結渣指數<1 149 ℃對應嚴重結渣。由表5可得:福州污泥結渣指數為1 202 ℃,為中等結渣;常州污泥、承德污泥和煙煤結渣指數均小于1 149 ℃,均屬于嚴重結渣。承德污泥在摻燒比為10%時,混合燃料結渣等級為中等結渣;常州污泥在摻燒比為6%～10%時,混合燃料結渣等級為中等結渣;福州污泥的添加未改變煙煤的結渣等級,仍為嚴重結渣。由此可見,某些城市的城市污泥結渣指數優于煙煤,在煙煤中適當摻燒城市污泥有可能優化其結渣特性。

表5 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混結渣指數

2.2.2 摻燒污泥對燃料沾污特性的影響

將3種城市污泥按照摻燒比分別為2%、6%、10%摻混煙煤,得到摻混后燃料的沾污指數見表6,其中:沾污指數<0.2對應輕微沾污;沾污指數為0.2～0.5對應中等沾污;沾污指數為0.5～11.0對應強沾污;沾污指數>11.0對應嚴重沾污。3種污泥按照不同摻燒比進行摻混后的燃料沾污指數均在4.0～5.0,相比于煙煤的沾污指數(5.07),其變化不大。對于不同摻燒比的混合燃料,其沾污指數隨污泥摻燒比的增大而減小,但是沾污指數總體上變化不明顯。

表6 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混沾污指數

混合燃料的沾污特性更接近于煙煤,這是因為混合燃料中污泥的摻燒比較小,對燃料的燃燒特性不會產生明顯的影響。多數煙煤均屬于嚴重沾污的燃料,某些城市的污泥的沾污指數優于煙煤,在煙煤中適當摻燒沾污指數較小的城市污泥可以降低其沾污特性。

2.2.3 摻燒污泥對受熱面的影響

針對常州電廠的燃煤鍋爐,在不同污泥摻燒比工況下對爐膛煙氣溫度和排煙溫度進行檢測,結果分別見表7。鍋爐在630 MW負荷的運行條件下,摻燒比為6%時,爐膛部分區域溫度略有降低,同時摻燒期間空氣預熱器出口排煙溫度均值為130 ℃(修正值),同工況下未摻燒污泥排煙溫度均值為129.2 ℃(修正值),摻燒污泥后排煙溫度升高不大于1 K,即表明摻燒污泥(摻燒比在6%以下)對鍋爐受熱面吸熱影響較小,可忽略不計。間接體現了電廠燃煤鍋爐在摻燒較少的城市污泥時,對鍋爐受熱面結渣特性的和沾污特性的影響不大,可忽略不計。

表7 630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的爐膛煙氣溫度測量結果

2.3 受熱面腐蝕

鍋爐受熱面腐蝕分為管內腐蝕和管外腐蝕,污泥摻燒過程主要影響管外腐蝕。管外腐蝕主要包括酸露點腐蝕、積灰導致的腐蝕、還原性氣氛腐蝕。

2.3.1 污泥摻燒對酸露點腐蝕的影響

鍋爐中燃料燃燒時會生成二氧化硫(SO2),其中少部分SO2在灰分和金屬氧化物等物質的催化作用下生成三氧化硫(SO3),SO3與煙氣中的水分結合生成硫酸,硫酸在處于露點溫度以下的金屬表面凝結并腐蝕金屬。

摻燒比較低時,混合燃料和煤中的含硫量相差很小,因此污泥摻燒對酸露點腐蝕的影響主要是污泥中的含水量較高,使煙氣中水蒸氣的分壓力和露點溫度發生變化。在鍋爐低負荷(440 MW)運行條件下,研究污泥摻燒比分別為2%、6%、10%時混合燃料產生煙氣的露點溫度的變化(見表8)。雖然污泥中硫含量低于煤中硫含量,但由于摻燒污泥后混合燃料水分含量增加,混合燃料產生煙氣的露點溫度相應提高。從表8可以看出:污泥摻燒比低于10%時,煙氣酸露點溫度不會明顯提高,進而不會對空氣預熱器造成酸露點腐蝕。

表8 污泥摻燒前后煙氣露點溫度的變化

2.3.2 污泥摻燒對積灰導致的腐蝕的影響

在高溫條件下,爐灰中的一些低熔點化合物凝結在鍋爐受熱面表面而形成熔融層,破壞了受熱面表面原有的氧化層保護膜,從而加速了鍋爐受熱面材料的氧化過程。積灰導致的腐蝕是過熱器和再熱器等高溫受熱面常見的腐蝕形式。

污泥和煤混合后,礦物質的組成、含量發生變化,以及二者之間存在的相互影響、相互制約的作用,改變了混合燃料的灰熔融特性。此外,污泥與煤混合后燃燒生成的煤灰還可能生成共熔體,也會使混合樣品的灰熔點發生變化。對多種城市污泥及其摻混后燃料的灰熔融特性進行實驗分析,以判斷污泥摻燒對受熱面積灰導致的腐蝕的影響。經過測試,多種城市污泥與煤按照不同摻燒比進行摻混后的燃料的灰熔融性及特征溫度見表9。

表9 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混后的灰熔融性及特征溫度

由表9可得:當污泥摻燒比不高于10%時,隨著污泥摻燒比的增加,變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度4個特征溫度均未呈現明顯降低的趨勢。摻燒城市污泥在一定程度上提高了燃料的變形溫度和軟化溫度,改善了燃料的灰熔融特性。因此,適當摻燒城市污泥不會惡化燃煤的灰熔融特性,甚至起到一定的改善作用,不會加劇過熱器和再熱器等高溫受熱面積灰導致的腐蝕。

2.3.3 污泥摻燒對還原性氣氛腐蝕的影響

當鍋爐內的燃料燃燒不充分時,會形成還原性氣氛,進而導致形成高溫硫酸化合物。這些硫酸化合物在高溫下氣化,遇到水冷壁鍋爐受熱面后在其表面液化,將鍋爐受熱面表面的氧化層保護膜溶解,從而使受熱面表面不斷受到氧化腐蝕。

通過在現場摻燒常州污泥并進行檢測,得到630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的壁面還原性氣氛含量測量結果(見表10)。對于爐膛燃燒區(對應5～6層測點位置),摻燒常州污泥后,氧氣(O2)含量降低,還原性氣氛含量略有增加;對于冷灰斗上部(4層測點位置),摻燒6%常州污泥后,貼壁區域的還原性氣體含量變化不大。根據設計經驗,鍋爐受熱面附近還原性氣氛的設計允許范圍一般為:在O2體積分數大于1%的前提下,H2S體積分數在200 μL/L以下或CO體積分數在10 000 μL/L以下。摻燒污泥前后,4層及5層B2測點的還原性氣體含量均超出了經驗值,因此需要重點關注該區域的還原性氣氛腐蝕的情況。

表10 630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的壁面還原性氣體測量結果

3 結語

基于常州某電廠燃煤機組鍋爐的基礎數據,通過計算設計煤種(煙煤)分別按照不同摻燒比(2%、6%、10%)摻燒承德、福州、常州的城市污泥時的混合燃料參數,理論結合試驗分析了摻燒污泥對燃煤鍋爐受熱面磨損和酸露點腐蝕的影響,同時對摻燒6%常州污泥時的爐膛煙風溫度、排煙溫度和燃煤鍋爐各部位還原性氣氛含量的檢測數據進行了分析。具體的分析結果如下:

(1) 承德、福州、常州的城市污泥結渣指數優于煙煤,污泥摻燒比低于10%時,可以通過摻燒污泥優化燃料的結渣特性,同時對污泥摻燒比為6%時的排煙溫度進行監測,證明鍋爐在此摻燒比下運行,其結渣特性和沾污特性受到的影響不大。

(2) 摻燒污泥后,煙氣流速略微增大,煙氣中含灰量減小,鍋爐對流受熱面計算磨損變化率的增加幅度很小。因此,在污泥摻燒比低于10%時,摻燒污泥對鍋爐受熱面磨損的影響可以忽略不計。

(3) 在污泥摻燒比低于10%時,摻燒城市污泥不會惡化燃料的灰熔融特性,同時可以起到一定的改善作用,不會加劇過熱器和再熱器等高溫受熱面積灰導致的腐蝕;根據實際檢測,在常州污泥的摻燒比為6%時,壁面還原性氣氛含量略有升高,但是上升幅度不大,除部分測點還原性氣體含量超過經驗值外,摻燒污泥對水冷壁高溫腐蝕的影響基本上在設計允許范圍內。