［摘 要］利用火力發(fā)電廠摻燒的方式處置城市污泥是目前公認(rèn)最具前景的途徑。為了考察摻燒污泥時鍋爐的燃燒穩(wěn)定性，本文以 2 臺 300 MW 容量等級、亞臨界蒸汽參數(shù)、四角切圓燃燒方式的煤粉爐為試驗對象，進(jìn)行污泥摻燒試驗，分別在不同負(fù)荷和不同摻燒比例的條件下，對比了爐膛溫度、鍋爐效率和 NOx質(zhì)量濃度的變化。試驗結(jié)果顯示：隨著摻燒污泥比例的增加，爐膛溫度下降，NOx 質(zhì)量濃度有所增加；在 10%的摻燒比例范圍內(nèi)，鍋爐效率無明顯變化。本文研究結(jié)果可為電廠污泥摻燒技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，各城市的污泥存量及增量都在急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，2017 年我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥量為 4 000 萬 t，預(yù)計在 2020 年突破6 000 萬 t。國家在近十年相繼出臺了污泥處置的相關(guān)文件，“十三五”規(guī)劃要求城市污泥處理率達(dá)到90%。城市污泥處理處置市場潛力巨大。由于成分復(fù)雜及高含水率的特性，污泥的處置成本高，且易造成二次污染。而通過火力發(fā)電廠摻燒的方式處置污泥，即可利用電廠已有的煙氣處理設(shè)備避免二次污染，也能實現(xiàn)污泥的資源化利用，是我國提倡的污泥處置方向。由于污泥熱值低，含水率高，摻燒時鍋爐的燃燒穩(wěn)定性是電廠所面對的最直接問題。本文即以燃燒穩(wěn)定性為重點，對 2 臺 300 MW 機(jī)組摻燒城市污泥進(jìn)行試驗研究，同時關(guān)注污染物排放值和鍋爐效率的變化情況，為電廠污泥摻燒技術(shù)的發(fā)展提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備

本文 2 臺試驗機(jī)組均為亞臨界參數(shù)自然循環(huán)汽包爐，四角切圓燃燒方式，配備 5 套正壓直吹式制粉系統(tǒng)，分別對應(yīng) ABCDE 共 5 層燃燒器。試驗設(shè)備主要參數(shù)見表 1，污泥及煤質(zhì)特性見表 2。為保證燃燒的穩(wěn)定性，本文所摻燒的污泥均為含水率在30%左右的脫水干化污泥。



1.2 試驗設(shè)計

污泥摻燒試驗應(yīng)以爐膛燃燒安全穩(wěn)定性為前提。本文從 3 方面保證燃燒的穩(wěn)定性。首先，確定安全的污泥與原煤的摻混比例。根據(jù)煤質(zhì)與污泥成分?jǐn)?shù)據(jù)分析，同時結(jié)合工程經(jīng)驗，認(rèn)為污泥與原煤的摻混應(yīng)以保證混合燃料低位發(fā)熱量不低于15 MJ/kg 為原則，此時 w(污泥):w(原煤)=1:3。其次，采用皮帶輸送的方式將污泥送至原煤皮帶上，再經(jīng)煤斗中轉(zhuǎn)、混合，落入給煤機(jī)，確保污泥與原煤的摻混均勻，避免試驗過程中由于摻混不均造成某一時刻入爐燃料中污泥比例過高，危及燃燒穩(wěn)定性。最后，確定燃燒混合燃料的燃燒器層。由于混合燃料熱值低，在不采取其他需要增加運(yùn)行成本的助燃方式情況下，利用燃燒器層與層之間的燃燒支持是最經(jīng)濟(jì)且可行的。綜上所述，本文以 w(污泥):w(原煤)=1:3 的摻混比例、皮帶摻混、上層燃燒器摻燒的方式開展污泥摻燒試驗。

由于摻混污泥對燃燒穩(wěn)定性已造成不利影響，因此試驗負(fù)荷不宜設(shè)計過低，本文以 70%BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力工況）為最低試驗機(jī)組負(fù)荷。試驗過程中，通過調(diào)整摻燒污泥的制粉系統(tǒng)給煤量來改變總的污泥摻燒占比，并以現(xiàn)場爐膛燃燒溫度為依據(jù)，決定是否繼續(xù)增加污泥摻燒比例。爐膛燃燒溫度以紅外測溫儀通過各觀火孔現(xiàn)場測量。

2 結(jié)果分析

2.1 爐膛溫度的變化

圖 1 為試驗設(shè)備 1 在 2 個負(fù)荷下爐膛溫度隨污泥摻燒比例的變化情況。試驗設(shè)備 1 的觀火孔位于2 層燃燒器之間，試驗中采用 D 層燃燒器摻燒污泥。 圖 1 中 1 號—4 號角為 DE 層間 4 個角的煙氣溫度。


由圖 1 可知，在 280 MW 負(fù)荷下，當(dāng)摻燒 7%的污泥后，DE 層平均煙氣溫度由 1 380 ℃下降為1 210 ℃，4 個角的爐膛溫度均有一定幅度的下降。

現(xiàn)場觀察火焰也能明顯看到 D 層燃燒器由于摻燒污泥的原因著火距離延長，不過從煙氣溫度測量值來看仍在 1 100 ℃以上，燃燒穩(wěn)定性良好。同樣采用 D 層燃燒器摻燒污泥，220 MW 負(fù)荷下的試驗結(jié)果顯示，摻燒層煙氣溫度隨污泥摻燒比例的增加而下降，在摻燒比例達(dá)到 10%時，4 個角的煙氣溫度差異較大，2 號、4 號角的煙氣溫度下降明顯，且 4 號角的煙氣溫度已降至 990 ℃，表明燃燒穩(wěn)定性較差。可認(rèn)為在該試驗條件下，10%的污泥摻燒比例已達(dá)到上限，這與文獻(xiàn)[14]所得結(jié)論相似。 

圖 2 為試驗設(shè)備 2 在 2 個負(fù)荷下相應(yīng)燃燒器層4 個角的煙氣溫度平均值隨污泥摻燒比例變化情況。試驗設(shè)備 2 的觀火孔與燃燒器噴口在同一標(biāo)高，因此測量到的煙氣溫度更大程度上反映的是燃料著火初期的溫度。


從圖 2 可以看出：2 個試驗負(fù)荷下，摻燒層、摻燒層之上和摻燒層之下均有隨著污泥摻燒比例增加而下降的趨勢；290 MW 負(fù)荷下的煙氣溫度比220 MW 負(fù)荷平均高 10~30 ℃；220 MW 負(fù)荷下?lián)綗?10%比例時，煙氣溫度已經(jīng)低于 1 000 ℃，且現(xiàn)場可觀察到著火距離延長現(xiàn)象。雖然總體上各個試驗工況下爐膛燃燒狀態(tài)良好，但仍建議摻燒比例不大于 10%，與試驗設(shè)備 1 所得結(jié)論一致。

2.2 鍋爐效率變化

本文參照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》計算鍋爐效率，結(jié)果見表 3。


由表 3 可以看出，從飛灰含碳量及排煙溫度這 2 個影響效率的主要因素看，摻燒污泥帶來的影響不大，且 2 臺設(shè)備在摻燒污泥前后鍋爐效率也未發(fā)生明顯變化?？梢?，在本文試驗所摻燒的污泥比例范圍內(nèi)，摻燒污泥不會對鍋爐效率產(chǎn)生負(fù)面的影響。

總體而言，NOx 排放質(zhì)量濃度隨污泥摻燒比例的增加而上升，負(fù)荷為 290、220 MW 時分別由未摻燒時的 203、177 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）增加到 266、195 mg/m3。分析認(rèn)為，摻燒污泥后，由于污泥水分高，為了保證制粉系統(tǒng)干燥出力，維持同樣的磨煤機(jī)出口溫度，需要通入更多熱風(fēng)，導(dǎo)致燃燒區(qū)域氧量增加，NOx生成量增加。此外，290 MW負(fù)荷時，7%和 10%的污泥摻燒比例工況下，由于總?cè)霠t煤量增大，增加了最上層燃燒器的投運(yùn)，相當(dāng)于縮短了主燃區(qū)域與燃盡風(fēng)區(qū)域的距離，NOx 質(zhì)量濃度上升明顯。

3 結(jié) 論 

1）隨著污泥摻燒比例的增加，爐膛溫度隨之下降。當(dāng)摻燒比例增加至 10%時，爐膛燃燒狀態(tài)變化明顯，表現(xiàn)為煙氣溫度下降或是燃燒火焰延長。因此，建議控制摻燒比例不大于 10%，并盡量采用上層燃燒器進(jìn)行污泥摻燒。

2）在試驗摻燒比例范圍內(nèi)，摻燒污泥后鍋爐效率無明顯變化。

3）摻燒污泥后，由于主燃區(qū)氧量增加，以及主燃區(qū)與燃盡區(qū)距離縮短，爐膛出口污染物 NOx 質(zhì)量濃度隨污泥摻燒比例的增加而增加。