市政污泥与煤配伍(磨制)焚烧特性试验

贾子秀,王志超,屠竞毅,杜智华,李宇航,周广钦,张喜来,姚 伟,谭厚章

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院 热能工程系,陕西 西安 710054;2.西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710054;3.陕西省燃煤电站锅炉环保工程技术研究中心,陕西 西安 710049)

0 引 言

我国市政污泥产量随城镇化水平提高而不断上升,由于污泥内大量病原菌、多环芳烃、重金属等有害物质,其合理处置也愈发受重视。污泥处置方式大体包括填埋、土地利用、建材、焚烧等[1]。其中,焚烧因对污泥有害物质的无害化处置,减小污泥体积,成为最具发展前景的处置方式之一[2]。

燃煤耦合污泥发电作为焚烧处置的典型技术,具有处理量大、适应性强等特点,一定程度上解决了城市污泥处理难题。国家及地方相关主管部门相继出台了一系列相关鼓励政策,包括且不限于电价补贴[3-5]。

国内外学者针对污泥与煤混烧开展了广泛研究,苏胜等[6]利用热重法探究污泥及其与煤混烧的失重过程和燃烧特性,认为混烧特性在某些方面优于污泥与煤单烧,混烧方式可行。污泥燃煤耦合发电会对电站锅炉运行产生一定影响:吕清刚等[7-8]在CFB锅炉上开展混烧试验,污泥混烧率增加,炉内NO生成量增加,对N2O影响较小,适当提高炉膛温度,可降低N2O生成量,对NO生成量影响较小;降低污泥水分可提高燃烧效率,减少燃煤损耗;田甲蕊等[9]在CFB锅炉上掺烧印染污泥,结果表明,污泥质量比增加1%,炉温下降5.12 ℃,锅炉热效率降低0.78%,脱硫效率平均增加1.72%,烟气NOx减少1.93%,烟气中HCl增加3.33%,各排放指标均在合格范围,灰渣中重金属含量增加,建议掺烧比不超过20%;张成等[10]、朱天宇[11]、刘永付等[12]开展污泥与煤混烧的现场掺烧试验与数值模拟,结果表明,掺烧一定比例的污泥对煤粉锅炉正常运行影响较小,一定比例内混合燃料燃烧特性与煤的性质相近,大比例掺烧会导致入炉水分大幅增加,使炉膛温度降低,飞灰含碳量上升,燃料燃尽变差,NOx一定程度增加;狄万丰等[13]、魏林清[14]对掺烧污泥时机组运行参数进行优化,结果表明,燃煤电站掺烧污泥需严格控制污泥含水量(污泥比例),避免因入炉燃料水分过高导致磨煤机干燥出力不足、输煤系统堵塞、炉膛温度降低,影响机组安全稳定运行。

此外,城镇污泥中的毒害重金属,如Hg、As、Cd、Cr等,在掺烧过程中不易挥发的成分会聚集在大渣中排出,易挥发的成分会聚集在飞灰中或随烟气排出[15-16]。重金属元素分布在锅炉不同位置的灰渣中浓度不同。其中,Hg、As、He因其易挥发特性,燃用后以气态形式出现在烟气中,Pb、Cu、Cr、Ni沸点较高,更易留在大渣中, Cd沸点较低,大部分聚集在飞灰中,少部分在大渣中。与污泥相比,灰渣中的重金属元素并没有更强的浸出性和毒性,因此可进一步资源化利用[17-18]。

从实验室角度出发,分析不同污泥掺烧比例对原煤磨制特性、燃烧特性的影响,结合现场掺烧试验,更加系统全面地研究掺烧污泥对煤粉锅炉各系统的影响,为后续现场开展更高比例的污泥掺烧提供依据与参考。

1 研究方法

在磨煤机试验台上对掺烧污泥后混合样品磨制特性展开研究,在着火温度测试试验台上研究污泥掺入比例对着火特性的影响,基于一维火焰炉试验台分析掺入不同比例污泥对混合燃料燃尽特性、结渣特性的影响;随后在现场开展污泥掺烧验证试验,对燃煤电厂输煤系统、制粉系统、燃烧系统、汽水参数、锅炉效率、辅机运行、灰、渣与石膏的再利用、污染物生成等方面展开系统研究。

2 混合燃料燃烧特性

2.1 试验燃料

选取电厂常用劣质烟煤,与污泥掺混后进行相关试验研究。污泥来自污水处理厂,污泥样品全水为83.56%。磨制试验台为无干燥热源的试验钢球磨,污泥磨制前需进行晾晒处理,将干燥污泥与燃煤掺混后进行试验。

烟煤、干燥污泥的煤质指标见表1,所选燃煤为中等热值、中高挥发分、低灰分烟煤。干燥后污泥为中等灰分,高挥发分、低热值燃料[19]。干燥污泥掺入后,燃料中灰分升高、挥发分升高、硫分升高、热值降低。

表1 燃料的工业分析与元素分析

将燃煤与干燥污泥进行掺混,目前已掺烧污泥的电厂,掺烧比例通常不高于10%,考虑到试验代表性,试验样品中污泥占比分别设定为0、5%、10%、20%。

2.2 磨制特性试验

试验装置采用小型钢球磨,混样晾晒后放入磨中进行磨制。通过磨制相同时间后测试不同样品的煤粉细度(R200与R90),分析污泥掺入对煤样可磨性的影响。

混合样品磨制特性试验结果如图1和2所示,在钢球磨中磨制90 min,掺入污泥比例越高,煤粉细度越粗。

图1 掺配样品R200变化Fig.1 Change of mixed sample R200

图2 掺配样品R90变化Fig.2 Change of mixed sample R90

将掺入污泥后的样品继续研磨,磨至与原煤相近的细度,煤粉细度与均匀性见表2(n为煤粉均匀性指数),在磨制相近细度下,污泥掺入比例对煤粉均匀性影响较小。掺入比例越高,混合燃料可磨性降低,磨制相同细度燃料能耗增加。

表2 各比例下煤粉的细度与均匀性

2.3 燃烧特性试验

燃料燃烧分为着火、燃烧和燃尽3个过程,着火、燃尽对燃煤机组锅炉安全和经济运行尤为重要,是新机组设计和已运行机组掺烧的重要参考依据[20]。

2.3.1 试验装置

利用着火温度测试试验台测试混合样品的着火温度,通过一维火焰炉试验台测试混样的燃尽率[21]与结渣特性[22]。

着火温度测试试验台如图3所示,包括炉体、送风机、引风机、给粉机、除尘器及控制系统组成,系统配有空气流量、压力、温度监测。

图3 着火温度测试炉及系统示意Fig.3 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system

一维火焰炉燃烧测试平台包括给料装置、送引风装置、炉本体、除尘器、控制系统等,如图4所示。

图4 TPRI煤粉燃烧一维火焰炉试验台Fig.4 One-dimensional flame furnace combustion test bench of TPRI pulverized coal

2.3.2 试验条件

试验样品试验前为空干基状态,煤粉细度R90(%)按如下标准控制:

(1)

2.3.3 试验混样燃烧特性

根据测定的样品着火温度判断样品着火性能标准见表3。

表3 着火性能分级

不同比例混样的着火温度如图5所示,原煤着火温度为460 ℃,属极易着火煤种。掺入污泥后,样品着火温度随污泥比例提高而升高,污泥比例5%、10%、20%、100%样品着火温度分别为483、494、496、518 ℃。

图5 掺配样品着火温度变化Fig.5 Ignition temperature change of mixed sample

向燃料中掺入污泥,污泥的高灰分对燃料着火具有阻燃作用,使燃料着火温度升高、着火特性变差。

2.3.4 试验混样燃尽特性

在一维火焰炉上测定煤种的燃尽性能,燃尽性能的计算、评价方法见GB/T 39833—2021《煤的燃烧特性测定方法 一维炉法》。

一维火焰炉测试燃尽率结果见表4,原煤燃尽率为99.35%,属极易燃尽煤种,掺入污泥后,混合燃料燃尽率呈下降趋势。掺入20%的污泥,混合燃料燃尽等级由极易变为易。

表4 样品燃尽率

掺入干燥污泥,混合燃料挥发分较原煤略有提升,挥发分的提升有助于燃料燃尽率的提高。但掺入高灰分污泥,灰分在燃烧初期对燃煤剧烈燃烧具有减速降温作用,大比例掺烧污泥一定程度上会降低燃料燃尽率。

2.3.5 试验混样结渣特性测试

试验采用一维炉结渣工况,结渣性能的计算、评价方法见DL/T 1106—2009《煤粉燃烧结渣特性和燃尽率一维火焰炉测试方法》[23]。

为区分探针表面结渣程度,测试其表面附着灰渣黏结紧密程度,从强到弱分为熔融、黏熔、强黏聚、黏聚、弱黏聚、微黏聚与附着灰7个形态。根据煤粉结渣特性评价指标Sc对试验煤种进行结渣性能判别,Sc判别评价指标见表5,计算公式如式(3)、(4)。

表5 一维炉判定煤粉结渣特性分级

(3)

(4)

式中,Nmax为结渣最重渣型赋值,Tmax为结渣最严重等级渣棒对应的烟温,如果等级相同,取最低温度;T2为结渣次高等级渣棒对应烟温,如果等级相同,取最较高温度。

当结渣最严重与次严重的渣型相差1个等级时,采用式(3),当结渣等级相差2个及以上等级时,计算采用式(4)。其中N取值见表6。

表6 N取值

图6为各煤种渣棒表面结渣形态对比,渣棒从左到右对应炉膛的顶部到底部测点。各样品在1 200 ℃左右均出现熔融渣型,试验时的烟温与渣型、各煤种结渣指数Sc见表7。

表7 样品结渣温度与渣型

根据Sc结渣判别标准,以上4种煤结渣指标Sc均大于0.65,属于严重结渣倾向。掺入污泥会加重燃料结渣倾向,掺入比例越高,混合燃料结渣倾向越严重。

与纯煤相比,随污泥比例提高,混合燃料的灰分升高,沉积到结渣探针表面的灰渣量增加,飞灰浓度升高,结渣倾向加重,掺烧污泥时需关注高比例掺烧带来的结渣问题。

3 现场试验

3.1 试验燃料

在江阴某电厂锅炉(SG-420/13.7-M417A超高压自然循环汽包锅炉)上开展了污泥掺烧试验。外供污泥经过简单脱水处理后入厂,水分在40%,目前电厂缺少干化设备,故以直掺方式进行试验。

掺配试验时维持锅炉蒸发量不变,掺烧比例从6%开始,对系统各部分设备适应性进行评估,如对正常运行有较大影响,立即停止试验;设备适应性良好则加大污泥掺烧量。试验过程中掺烧量增至10%,基于生产安全考虑以及10%掺烧量已完全满足现阶段污泥处理量要求,故不再进一步增加比例。

现场掺烧试验条件下,不同污泥掺烧比例下的入炉煤质见表8。可知随污泥比例增大,水分、灰分、挥发分、全硫均升高,热值下降。热值变化导致入炉煤量变化,掺烧10%污泥,煤量增加8.46%。

3.2 对输煤系统的影响

拟掺烧污泥全水40%,为颗粒状,可直接在煤场或上煤过程中掺混。不同污泥掺烧比例下给煤机输送带输煤状态如图7所示。在试验污泥掺烧比例条件下,输煤带上煤流均呈松散状态,未出现煤流黏聚成团或水分过大引起的输送不畅现象,整个输煤带、煤仓、落煤管、给煤机等均未出现堵塞现象。

图7 掺入污泥后给煤机输送带状态Fig.7 Status of coal feeder belt after adding sludge

3.3 对制粉系统的影响

在现场掺烧试验中,制粉系统采用抽炉烟混合干燥方案,其主要运行参数见表9(甲、乙为锅炉风机设备编号)。在试验范围内,随污泥掺烧比例提高,入磨燃料水分增加,为维持磨煤机出口温度在安全范围并留有一定余量,磨煤机进口风温逐渐上升,磨煤机出口风温、电流、压差、粉仓温度等都在正常水平。综合来看,试验范围内制粉系统能够正常运行。

表9 制粉系统运行参数

锅炉制粉系统对掺烧6%、8%和10%比例的污泥整体上适应。污泥掺烧对制粉系统的主要影响在于以下2方面:① 污泥水分偏高影响制粉系统干燥出力;② 污泥热值低造成入炉燃料总量增加影响制粉系统研磨出力。

3.4 对锅炉效率的影响

现场掺烧试验见表10。 现场掺烧试验表明,掺烧6%、8%和10%污泥,修正后的锅炉效率分别提高0.56%、0.73%、0.58%。说明污泥掺烧比例小于10%,对锅炉燃烧效率影响较小,试验过程中并未出现影响锅炉燃烧稳定性的情况。

表10 锅炉主要运行指标

3.5 对汽水参数的影响

不同掺烧比例下的锅炉汽水参数见表11。锅炉主、再热蒸汽参数均可达正常值,过热器、再热器减温水量(开度)随污泥掺烧比例的提高而增加,主要原因是由于污泥热值低,掺烧后燃料量增加,烟气量增加,使对流换热增强。

表11 汽水系统参数

3.6 对燃烧和结渣的影响

不同污泥掺烧比例下的炉膛温度如图8所示。炉内高温区主要集中在燃烧器区域,该位置也最易结渣。由于污泥热值较燃煤偏低,因此掺烧污泥后炉内燃烧强度下降,与空白试验相比,掺烧污泥后炉膛不同标高温度均有所降低。与空白试验相比,掺烧10%污泥的最大温度降低约60 ℃。

图8 炉膛温度随掺烧比例的变化Fig.8 Change of furnace temperature with the proportion of mixed combustion

3种污泥掺烧比例下的屏区状况如图9所示。可见在3种掺烧比例下,屏区管子均清晰可见,干净无渣。燃烧器区水冷壁状况无法肉眼观测,但从炉膛温度测试结果分析,未出现明显的结渣加剧。综合分析,掺烧10%以内的污泥,对炉内燃烧基本无影响,不会引起炉内结渣加重等情况。

从灰分角度来看,在实验室掺入20%干污泥,相当于40%水分的污泥掺烧比例达到30%,掺入比例较高,实验室结果变化较明显。同时,由于水分的影响,现场燃用过程中炉温降低,掺入10%的污泥,未观察到明显的结渣加重现象。

3.7 对锅炉辅机运行的影响

分别掺烧6%、8%、10%污泥后,计算得到总烟气量分别变化0.996%、-2.500%、-2.100%,掺烧10%左右比例污泥对一次风机、送风机、引风机基本无影响,一次风机、送风机、引风机基本不需要考虑污泥掺烧带来的影响。

污泥直接送入锅炉燃烧,污泥中的有毒有害物质在高温条件下基本完全分解,燃烧后的烟气中H2S和NH3浓度非常小,不会对送风机的叶片造成腐蚀。因此不会对送风机叶片安全运行造成威胁,但需加强对送风机叶片的定期检查工作。

3.8 对飞灰、大渣、石膏的影响

分别取掺烧6%、8%、10%污泥后的飞灰、大渣、石膏样品进行检测,飞灰、大渣、脱硫石膏中检测的氰根离子及烷基汞结果见表12,银、钡、铍、镉、铬、镍、铅、铜、锌、六价铬、硒、砷、汞、氟离子等的检测结果见表13。

表12 飞灰、大渣、石膏中氰根离子及烷基汞含量

表13 飞灰、大渣、石膏浸出毒性检测结果

飞灰、大渣、石膏中所含固废及危废含量都在排放限值以内,满足国家标准要求。因此,本项目掺烧10%左右比例的污泥不会影响飞灰、大渣和石膏的品质和利用。

3.9 对锅炉污染物生成的影响

污泥掺烧对污染物生成的影响,在现场掺烧试验中,分别取掺烧6%、8%、10%比例污泥前后的污染物排放进行检测,见表14。

表14 污染物排放指标

与掺烧前相比,锅炉掺烧6%、8%、10%比例污泥后的情况为:

1)脱硝入口NOx生成浓度基本无变化、甚至略有降低。

2)脱硫入口SO2生成浓度随着污泥掺烧比例的增加逐渐升高。

3)烟气中的二噁英毒性当量最高为0.038 ng/m3(11% O2,以TEQ计),远低于GB18484—2001《危险废物焚烧污染控制标准》规定的0.5 ng/m3(11% O2,以TEQ计)以及GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定的0.1 ng/m3(11% O2,以TEQ计)二噁英排放标准。

4)烟气中HCL、HF最高值为2.5、0.23 mg/m3,均远低于GB 18484—2001《危险废物焚烧污染控制标准》以及GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定的排放标准。

5)从排放浓度看,烟尘≤10 mg/m3,SO2≤35 mg/m3,NOx≤50 mg/m3,可达到《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》中规定的超低排放标准要求。二噁英、HCl、HF排放浓度要求也都在相关国家标准规定的限值以内。

因此,在试验范围内,掺烧污泥后烟气NOx、SO2、烟尘、二噁英、HCl、HF排放浓度均满足国家标准要求。

4 结 论

1)向原煤中掺入干污泥,掺入比例越高,入炉燃料可磨性越低。现场掺入比例10%及以下污泥,制粉系统受到影响较小。

2)随干污泥掺入比例提高燃料着火温度升高,燃尽率下降,掺入20%干污泥,燃料燃尽率下降1.5%;随掺烧比例提高,燃料结渣倾向加重。现场掺烧试验,掺入10%及以下污泥,炉内燃烧稳定,炉温降低,对于燃料燃烧性能影响较小,未出现严重的炉内结渣情况。

3)污泥现场掺烧试验,掺烧比例10%及以下时,机组的输煤系统、制粉系统能够正常安全稳定运行,对锅炉运行效率整体影响不大,不影响锅炉燃烧稳定性,锅炉的汽水参数正常,辅机运行正常;飞灰、大渣和石膏的重金属浸出毒性检测均远低于排放限值,污泥的掺烧不会影响飞灰、大渣和石膏的品质和利用;烟气中NOx、SO2、烟尘、二噁英、HCl、HF浓度均满足国家标准要求。

4)污泥小比例掺烧在现役机组上应用较广,对机组整体运行影响较小。进一步提高污泥掺烧比例时,仍需注意制粉系统的干燥出力与研磨出力核算,以满足出力裕量要求;同时需监测炉膛烟温变化及管壁结渣情况、污染物排放情况,合理安全地解决市政污泥处置问题。