火力发电厂污泥掺烧技术应用！
［摘 要］利用火力发电厂掺烧的方式处置城市污泥是目前公认最具前景的途径。为了考察掺烧污泥时锅炉的燃烧稳定性，本文以 2 台 300 MW 容量等级、亚临界蒸汽参数、四角切圆燃烧方式的煤粉炉为试验对象，进行污泥掺烧试验，分别在不同负荷和不同掺烧比例的条件下，对比了炉膛温度、锅炉效率和 NOx质量浓度的变化。试验结果显示：随着掺烧污泥比例的增加，炉膛温度下降，NOx 质量浓度有所增加；在 10%的掺烧比例范围内，锅炉效率无明显变化。本文研究结果可为电厂污泥掺烧技术的发展提供借鉴。
随着我国城镇化的发展，各城市的污泥存量及增量都在急剧增加。据统计，2017 年我国污水处理厂产生的污泥量为 4 000 万 t，预计在 2020 年突破6 000 万 t。国家在近十年相继出台了污泥处置的相关文件，“十三五”规划要求城市污泥处理率达到90%。城市污泥处理处置市场潜力巨大。由于成分复杂及高含水率的特性，污泥的处置成本高，且易造成二次污染。而通过火力发电厂掺烧的方式处置污泥，即可利用电厂已有的烟气处理设备避免二次污染，也能实现污泥的资源化利用，是我国提倡的污泥处置方向。由于污泥热值低，含水率高，掺烧时锅炉的燃烧稳定性是电厂所面对的最直接问题。本文即以燃烧稳定性为重点，对 2 台 300 MW 机组掺烧城市污泥进行试验研究，同时关注污染物排放值和锅炉效率的变化情况，为电厂污泥掺烧技术的发展提供经验数据。
1 试验概况
1.1 试验设备
本文 2 台试验机组均为亚临界参数自然循环汽包炉，四角切圆燃烧方式，配备 5 套正压直吹式制粉系统，分别对应 ABCDE 共 5 层燃烧器。试验设备主要参数见表 1，污泥及煤质特性见表 2。为保证燃烧的稳定性，本文所掺烧的污泥均为含水率在30%左右的脱水干化污泥。
1.2 试验设计
污泥掺烧试验应以炉膛燃烧安全稳定性为前提。本文从 3 方面保证燃烧的稳定性。首先，确定安全的污泥与原煤的掺混比例。根据煤质与污泥成分数据分析，同时结合工程经验，认为污泥与原煤的掺混应以保证混合燃料低位发热量不低于15 MJ/kg 为原则，此时 w(污泥):w(原煤)=1:3。其次，采用皮带输送的方式将污泥送至原煤皮带上，再经煤斗中转、混合，落入给煤机，确保污泥与原煤的掺混均匀，避免试验过程中由于掺混不均造成某一时刻入炉燃料中污泥比例过高，危及燃烧稳定性。最后，确定燃烧混合燃料的燃烧器层。由于混合燃料热值低，在不采取其他需要增加运行成本的助燃方式情况下，利用燃烧器层与层之间的燃烧支持是最经济且可行的。综上所述，本文以 w(污泥):w(原煤)=1:3 的掺混比例、皮带掺混、上层燃烧器掺烧的方式开展污泥掺烧试验。
由于掺混污泥对燃烧稳定性已造成不利影响，因此试验负荷不宜设计过低，本文以 70%BMCR（锅炉最大连续出力工况）为最低试验机组负荷。试验过程中，通过调整掺烧污泥的制粉系统给煤量来改变总的污泥掺烧占比，并以现场炉膛燃烧温度为依据，决定是否继续增加污泥掺烧比例。炉膛燃烧温度以红外测温仪通过各观火孔现场测量。
2 结果分析
2.1 炉膛温度的变化
图 1 为试验设备 1 在 2 个负荷下炉膛温度随污泥掺烧比例的变化情况。试验设备 1 的观火孔位于2 层燃烧器之间，试验中采用 D 层燃烧器掺烧污泥。 图 1 中 1 号—4 号角为 DE 层间 4 个角的烟气温度。
由图 1 可知，在 280 MW 负荷下，当掺烧 7%的污泥后，DE 层平均烟气温度由 1 380 ℃下降为1 210 ℃，4 个角的炉膛温度均有一定幅度的下降。
现场观察火焰也能明显看到 D 层燃烧器由于掺烧污泥的原因着火距离延长，不过从烟气温度测量值来看仍在 1 100 ℃以上，燃烧稳定性良好。同样采用 D 层燃烧器掺烧污泥，220 MW 负荷下的试验结果显示，掺烧层烟气温度随污泥掺烧比例的增加而下降，在掺烧比例达到 10%时，4 个角的烟气温度差异较大，2 号、4 号角的烟气温度下降明显，且 4 号角的烟气温度已降至 990 ℃，表明燃烧稳定性较差。可认为在该试验条件下，10%的污泥掺烧比例已达到上限，这与文献[14]所得结论相似。
图 2 为试验设备 2 在 2 个负荷下相应燃烧器层4 个角的烟气温度平均值随污泥掺烧比例变化情况。试验设备 2 的观火孔与燃烧器喷口在同一标高，因此测量到的烟气温度更大程度上反映的是燃料着火初期的温度。
从图 2 可以看出：2 个试验负荷下，掺烧层、掺烧层之上和掺烧层之下均有随着污泥掺烧比例增加而下降的趋势；290 MW 负荷下的烟气温度比220 MW 负荷平均高 10~30 ℃；220 MW 负荷下掺烧 10%比例时，烟气温度已经低于 1 000 ℃，且现场可观察到着火距离延长现象。虽然总体上各个试验工况下炉膛燃烧状态良好，但仍建议掺烧比例不大于 10%，与试验设备 1 所得结论一致。
2.2 锅炉效率变化
本文参照《电站锅炉性能试验规程》计算锅炉效率，结果见表 3。
由表 3 可以看出，从飞灰含碳量及排烟温度这 2 个影响效率的主要因素看，掺烧污泥带来的影响不大，且 2 台设备在掺烧污泥前后锅炉效率也未发生明显变化。可见，在本文试验所掺烧的污泥比例范围内，掺烧污泥不会对锅炉效率产生负面的影响。
总体而言，NOx 排放质量浓度随污泥掺烧比例的增加而上升，负荷为 290、220 MW 时分别由未掺烧时的 203、177 mg/m3（标准状态，下同）增加到 266、195 mg/m³。分析认为，掺烧污泥后，由于污泥水分高，为了保证制粉系统干燥出力，维持同样的磨煤机出口温度，需要通入更多热风，导致燃烧区域氧量增加，NOx生成量增加。此外，290 MW负荷时，7%和 10%的污泥掺烧比例工况下，由于总入炉煤量增大，增加了最上层燃烧器的投运，相当于缩短了主燃区域与燃尽风区域的距离，NOx 质量浓度上升明显。
3 结 论
1）随着污泥掺烧比例的增加，炉膛温度随之下降。当掺烧比例增加至 10%时，炉膛燃烧状态变化明显，表现为烟气温度下降或是燃烧火焰延长。因此，建议控制掺烧比例不大于 10%，并尽量采用上层燃烧器进行污泥掺烧。
2）在试验掺烧比例范围内，掺烧污泥后锅炉效率无明显变化。
3）掺烧污泥后，由于主燃区氧量增加，以及主燃区与燃尽区距离缩短，炉膛出口污染物 NOx 质量浓度随污泥掺烧比例的增加而增加。
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