300MW燃煤電廠污泥摻燒技術研究及應用
摘要：針對300MW燃煤電廠進行污泥摻燒過程中出現的關鍵問題進行了研究，提出了相應的解決措施，同時針對目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的問題進行了分析。研究結果表明:摻燒比例控制在10%以內，污泥摻燒對于煤的元素成分影響不大，對飛灰濃度影響不大，不會造成省煤器等受熱面磨損加劇;摻燒比例控制在10%以內，煙囪出口處粉塵濃度NOx和SO2都能滿足超低排放要求，脫硫石膏、脫硫廢水、脫硫漿液、飛灰和爐渣中重金屬滿足相關環保標準排放要求。建議定期開展來廠污泥成分化驗，定期監控飛灰、爐渣和脫硫石膏中重金屬成分。
引言
燃煤電廠耦合生物質發電是實現煤電低碳轉型，更大幅度降低二氧化碳排放的重要發展方向，而化石燃料燃燒產生碳排放導致氣候變化，造成極端天氣和災害日益嚴重，《巴黎協定》提出對全球氣溫升高需控制在2℃以內的要求，使得燃煤火電二氧化碳成為其發展最主要的制約因素。國家能源局和生態環境部于2018年6月28日批準全國84個燃煤火電廠生物質耦合發電的試點項目，包括300 MW亞臨界至1000 MW超超臨界燃煤電廠，預示著我國煤電企業開始在較大范圍內進行生物質耦合發電改造工作。
國內一些研究者開展了燃煤電廠污泥摻燒研究工作。張成等運用數值模擬技術開展了污泥摻燒技術研究，研究了不同摻燒比例、不同含水率下燃燒特性。朱天宇等開展了摻燒不同種類污泥鍋爐的燃燒特性的研究，以420 t/h四角切圓燃煤鍋爐進行了單煤燃燒和2種污泥在不同含水率的質量配比下的摻燒數值模擬研究，研究結果表明，采用EDM（渦耗散模型）能夠較好地模擬污泥配比和含水率對鍋爐燃燒及污染物排放特性的影響。
張一帆等進行了城市污泥焚燒過程中Pb和Cd遷移特性的研究。蔣志堅等進行了城市污泥流化床焚燒爐飛灰中重金屬遷移特性的研究，研究結果表明：Cd和As為易揮發性重金屬，在爐膛內揮發的Cd和As及其化合物蒸汽在503℃和475℃時幾乎全部富集于飛灰顆粒，Cr，Mn，Cu，Zn主要通過夾帶富集于飛灰顆粒，為難揮發性重金屬。聞哲等進行了城鎮污泥干化焚燒處置技術與工藝簡介研究，對直接熱干化、間接熱干化、直接-間接聯合熱干化技術的工作原理和優缺點進行了比較分析，研究結果表明，污泥干化焚燒技術類型是多樣，采用煙氣或者蒸汽對污泥進行干化都是可行的，將污泥干化后利用流化床焚燒爐進行單獨焚燒或者在電站鍋爐進行摻燒是最具有發展前景的技術路線，而污泥輸送、高效干化技術與設備開發及廠區臭氣治理等是有待進一步研究的問題。
曹通等開展了煤粉爐協同處置工業污泥現場試驗研究，利用熱電廠煤粉爐小比例摻燒工業污泥現場試驗，對摻燒后爐膛溫度、飛灰含碳量、鍋爐效率等參數的變化，對二噁英、SO2和NOx等主要污染物進行了現場監測，研究表明，隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛溫度降低，飛灰含碳梁增加，飛灰和爐渣中重金屬含量增加。
袁言言等利用Aspen plus軟件開展了污泥焚燒能量利用與污染物排放特性的研究。盛洪產等進行了循環流化床燃煤鍋爐摻燒造紙污泥的運行特性分析，對1臺130 t/h循環流化床鍋爐進行熱力平衡計算和煙風阻力計算，研究了不同污泥摻燒質量分數對鍋爐運行特性的影響，研究表明，隨著污泥摻燒質量分數的增大，爐膛出口煙氣溫度下降，排煙溫度升高，鍋爐效率降低，入爐干化污泥量大幅增加，而入爐煤量有減小，煙氣量和灰量增加，過熱器減溫水顯著增加，一次風空氣側阻力，二次風空氣側阻力和煙氣側阻力均增大。
葛江等進行了煙煤與污泥混燒過程中重金屬As，Zn和Cr的遷移規律和灰渣浸出特性的研究。殷立寶等開展了四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥燃燒與NOx排放特性的數值模擬研究，采用ANSYS FLUENT軟件對四角切圓燃煤鍋爐摻燒不同質量分數和不同含水率印染污泥燃燒特性和污染物排放特性進行了數值模擬，研究結果表明，隨著印染污泥摻燒質量分數的提高，爐膛整體溫度有下降，當含水率升高時，爐膛整體溫度水平下降；并結合爐膛燃燒和NOx排放，推薦摻燒質量分數和含水率分別為10%和40%的印染污泥技術是可行的。
劉蘊芳等進行了煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放特性研究。張成等開展了100 MW燃煤鍋爐污泥摻燒試驗與數值模擬研究，研究結果表明，在相同摻燒比例的情況下，降低污泥含水率，NOx排放有所增加；摻燒比例小于20%時，鍋爐燃燒特性與污染物排放NOx與單煤燃燒差異較小；當摻燒比例大于20%時，鍋爐燃燒效果變差，NOx排放大幅度上升。
魏礫宏等進行了污泥與煤混燒灰的結渣特性以及礦物質轉變規律的研究，研究結果表明，污泥和煤摻燒比例為20%時，爐內溫度達到1100℃，會引起輕微結渣；達到1200℃時，會引起嚴重結渣。
唐子君等進行了城市污水污泥與煤混燒的熱重試驗研究，獲得了城市污水污泥與煤混燒的特性。國內其它研究者利用數值模擬技術開展了燃燒特性及污染物生成規律的研究。
本文針對300 MW燃煤電廠開展污泥摻燒過程中出現的關鍵問題進行研究，提出了相應的解決措施，同時針對目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的問題進行分析，為準確評估污泥摻燒對燃煤電廠影響、現場開展燃煤耦合生物質摻燒技術改造和現場優化運行提供了重要的依據。
1 污泥摻燒相關環保標準
1.1 入廠污泥標準
由于我國并未制定專門的燃煤電廠協同處置污泥的技術規范及泥質標準，燃煤電廠摻燒污泥時，首先必須對進行摻燒的污泥泥質進行研究。污泥成分比較復雜，從污水廠來源劃分，一般分為生活污水廠污泥、工業污泥和危險廢物污泥，生活污泥有害成分較少，而工業污泥成分復雜，一般含有較多的重金屬等有害成分，具體有害成分與工廠工藝有關，每個污水廠特性不一樣，需要分別對待。進行工業污泥摻燒，要針對污泥進行化驗，確保泥質合格且有害成分可接受的前提下進行，避免摻燒量過大影響發電廠灰渣特性。危險廢物類污泥（含油污泥、有機溶劑污泥、表面處理廢物類污泥等）只能送到專門的危險廢物處置部門處理，不能在燃煤鍋爐進行摻燒。由于燃煤機組重金屬排放量比較少，國內沒有針對燃煤電廠制定重金屬排放指標，污泥一般含有較多重金屬，為了避免對環境造成影響，目前燃煤電廠開展污泥摻燒時參考GB 24188-2009《城鎮污水處理廠污泥泥質》、GB/T 24602-2009《城鎮污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質》制定入爐摻燒污泥的泥質標準，對于未達到入爐標準的污泥，將拒絕接收。
1.2 污泥煙氣監測標準
由于原煤中重金屬含量極低，現有燃煤電廠排放沒有關于重金屬排放的標準，然而污泥中含有較多重金屬，發電廠摻燒污泥時必須對煙氣中的重金屬進行檢測與控制。針對污泥重金屬特性，并參照燃煤電廠超低排放標準與垃圾發電廠GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》，按照標準從嚴的原則制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標準，并定期監測。表1為污泥摻燒后鍋爐煙氣監測建議的標準（單位已換算成標準狀態下），目前我國還沒有相關的標準，因此迫切需要進行燃煤電廠污泥摻燒煙囪排放口煙氣污染物監測標準的制定工作。
表1 鍋爐摻燒污泥的排放標準
2 污泥摻燒對機組運行影響分析
2.1 煤粉爐摻燒干化污泥的污染物排放
煤粉爐摻燒干化污泥后，由于污泥自身含有的重金屬元素種類和含量較燃煤有一定的差異，因此煤和污泥摻燒后灰渣中的重金屬含量以及煙氣中有害氣體的排放較單燒原煤時相比會有差異。通過檢測、比較污泥和煤及其不同摻混比例后的原樣及其灰渣中的重金屬含量，可以初步判斷樣品在燃燒后重金屬的遷徙轉換特征。表2為某燃煤電廠摻燒生活污泥時，對污泥重金屬進行化驗得到的結果，其中的標準為參考GB 24188-2009《城鎮污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質》表3、表4分別為對應煤質和污泥的工業分析和元素分析結果。
表2 污泥重金屬成分化驗結果 mg/kg
表3 污泥元素分析數據
通過實驗研究可以看出：污泥中的各種重金屬元素的含量比煤中重金屬含量偏高，但是由于摻燒比例最大8%，因此，燃料中重金屬總含量并不大。比較單煤和不同摻混比例后的混煤的灰渣中的重金屬含量，摻燒污泥后，灰渣中的重金屬含量較單燒單煤相比都有了一定幅度的升高，但是由于摻燒比例最大8%，整體上升幅度不大。
表4 原煤元素分析數據
摻燒污泥與燃燒單煤相比，CO和HCl及其他有機氣體排放濃度基本相同，SO2和NOx排放變化不大，由于摻混污泥后混煤的含碳量下降，因此CO2排放濃度略有降低。污泥灰分比較多，摻燒后產生的飛灰有所增加，但由于發電廠配置了靜電除塵和濕式電除塵設備，摻燒污泥后煙塵排放沒有發生變化。
總體來說，在最大8%摻燒比例下，與燃燒單煤相比，在污染物排放方面沒有產生明顯的變化，未發現由于摻燒污泥帶來明顯的有害氣體排放濃度顯著升高的狀況。
2.2 污泥摻燒對脫硝系統運行影響分析
污泥摻燒對脫硝系統運行的影響主要有煙氣流量增加和灰分變化對催化劑磨損的影響以及堿金屬中毒兩方面。堿金屬含量一類是活性堿，如氯化物、硫酸鹽及碳酸鹽等；另一類是非活性堿，主要存在于硅酸鹽礦物中。堿金屬引起催化劑中毒包括物理中毒和化學中毒，其中物理中毒是因為燃煤鍋爐SCR脫硝系統中，堿金屬通常不以液態形式存在，其鹽顆粒只是沉積在催化劑表面或堵塞催化劑的部分孔洞，阻礙NO和NH3向催化劑內部擴散，從而使催化劑中毒失活。若有水蒸汽在催化劑上凝結，堿金屬將引起化學中毒。
最大8%比例污泥摻燒后，煙氣流量略有增加，灰分略有增加，幅度也很小，但由于目前常用的印尼褐煤灰分遠低于設計煤種的灰分，因此對催化劑磨損影響較小。對于物理中毒，由于污泥灰中堿金屬成分和發電廠常用煤種堿金屬成分偏差不大，加上摻燒比例較低，基本沒有發生變化。并且通過有效的吹灰，不會發生大量沉積，因此不會因為摻燒污泥導致物理中毒趨勢增加。同樣，由于SCR（選擇性催化還原法）脫硝系統區域煙氣溫度控制較高，水蒸氣不會在SCR脫硝系統區域凝結，化學中毒趨勢也不會明顯變化？偟膩碚f摻燒最大8%污泥不會對鍋爐摻燒對SCR脫硝系統運行帶來明顯影響。
2.3 污泥摻燒對鍋爐結焦的影響分析
某發電廠常用煤種和摻燒的生活污泥的灰分情況見表5。
表5 電廠常用煤種和污泥的灰分情況%
從污泥和煤的灰成分分析可知，發電廠常用煤種和污泥的灰成分特性有一定差異。污泥灰成分與煤相比，污泥中有較高的磷化合物，P2O5含量在混泥灰中高達11.72%，而在煤中只有0.16%，Fe2O3含量在煤種高達14.98%，混泥灰中只有6.5%；SiO2和Al2O3含量在煤灰中分別為34.58%和11.29%，在混泥灰中分別占44.48%和22.29%，說明煤灰中的硅鋁酸鹽含量較泥灰中低；計算其結焦指數，發電廠常用煤種為3.98，生活污泥為2.11，污泥結焦指數都比常用煤種低，摻燒污泥有抑制常用印尼煤結焦的趨勢。
2.4 污泥摻燒對制粉系統運行影響分析
由于污泥干化后的硬度與污泥的來源，不同時間段污泥的性質有很大聯系。但相較于原煤污泥的物性還是偏軟的。污泥水分與發電廠原來燃煤的水分比較接近，制粉系統干燥出力基本能滿足要求，且摻燒比例只有最大8%，混合燃料熱值最大下降4%，制粉系統鍋爐燃料質量需要增加約4%，制粉系統出力基本沒有影響。
3 污泥摻燒鍋爐性能優化試驗
3.1 性能試驗目的
為了確保燃煤耦合污泥發電項目安全可靠運行，降低污泥摻燒過程中對機組原有的燃煤煤質和制粉系統的影響，降低對煤電機組運行安全、運行效率、負荷調節和經濟性影響，基于GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗規程》，開展了300 MW燃煤電廠污泥摻燒優化試驗。干化污泥摻燒試驗在220～330 MW多個負荷下進行，分別進行了干化污泥質量摻混比為3%，4%，5%和7%的多項試驗，整個試驗過程中，鍋爐燃燒穩定，制粉系統出力、鍋爐帶負荷能力滿足生產要求，鍋爐效率無明顯變化。
3.2 性能試驗結果
整個試驗過程中，鍋爐燃燒穩定，主、再熱汽溫基本達到設計值，制粉系統出力、鍋爐帶負荷能力滿足生產要求，試驗得出以下主要結論：
(1）在280 MW負荷下，進行了干化污泥質量摻混比分別為0%，3%，5%，7%的4個工況試驗，鍋爐熱效率分別為92.50%，92.51%，92.72%和92.68%，修正后鍋爐熱效率分別為92.65%，92.75%，92.93%和92.87%。從干化污泥摻燒前、后，以及不同干化污泥摻混比例的鍋爐熱效率來看，鍋爐熱效率未發生明顯變化，說明在目前試驗比例下，干化污泥摻燒并未造成鍋爐燃料燃盡率下降，未影響鍋爐熱效率。
(2）在220 MW負荷下，進行了干化污泥質量摻混比分別為0%，4%，7%的3個工況試驗，鍋爐熱效率分別為92.15%，92.20%和92.08%，修正后鍋爐熱效率分別為92.38%，92.42%和92.28%。與280 MW負荷摻燒試驗規律一致，220 MW負荷下干化污泥摻燒前、后鍋爐熱效率基本一致，說明在試驗期間，試驗比例下的干化污泥摻燒未影響鍋爐燃料燃盡率，未影響鍋爐熱效率。
4 結論
針對300 MW燃煤電廠開展污泥摻燒下，現場實際摻燒過程中出現的關鍵問題進行了研究，提出了相應的解決策略，同時針對目前燃煤電廠摻燒生活污泥需要注意的關鍵問題進行了分析，得出主要結論如下：
(1）污泥來源多樣，成分復雜，燃煤電廠環保設施缺少二噁英收集手段，建議發電廠摻燒污泥主要來源于生活污水處理廠，謹慎處置重金屬含量較大的工業污泥，禁止處置危廢類的污泥。
(2）國內沒有針對燃煤電廠摻燒污泥的泥質標準，發電廠需要根據國家相關標準制定出符合自身的泥質標準，定期進行化驗。燃煤電廠摻燒污泥建議參考GB 24188-2009《城鎮污水處理廠污泥泥質》與GB/T 24602-2009《城鎮污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質》，制定嚴格的污泥入爐標準，必須同時滿足以上2個國標要求的污泥才允許摻燒。
(3）由于原煤重金屬含量極低，國家沒有針對燃煤電廠重金屬排放制定標準，然而部分污泥重金屬含量較高，燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對重金屬排放進行監測。燃煤電廠摻燒污泥根據GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》制定燃煤電廠摻燒污泥煙氣排放標準，按照規定定期監測。
(4）燃煤電廠摻燒污泥，需要定期對灰渣進行化驗，確保飛灰、爐渣等副產品的品質不受影響。經過現場長時間摻燒試驗表明，燃煤電廠摻燒污泥比例在10%以內時，不會影響灰渣、石膏的品質。
(5）需要污泥摻燒對燃煤電廠鍋爐及附屬設備影響較少，經過現場長時間摻燒試驗表明，在10%摻燒比例下，不會影響鍋爐安全運行。
(6）由于污泥水分含量大，灰分大，熱值較低，污泥摻燒對爐膛熱負荷有一定影響，機組負荷在220 MW以上摻燒污泥，可以保證燃燒穩定。
(7）燃煤電廠摻燒污泥，在7%比例以內進行摻燒，對鍋爐效率有影響，造成鍋爐效率下降。
(8）燃煤電廠摻燒污泥，在8%比例以內進行摻燒，不會影響電廠煙氣超低排放。
本文研究成果為我國燃煤電廠污泥摻燒提供了重要的參考，具有重要的理論價值和工程應用效果。
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