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摘 要： [摘 要]為了研究燃煤機(jī)組摻燒污泥后對鍋爐運(yùn)行的影響，針對某電廠 330 MW 等級燃煤機(jī)組，以能量守恒定律為基礎(chǔ)，通過熱力校核計(jì)算分析了機(jī)組在 330、280、180、80 MW 電負(fù)荷時，分別摻燒含水率為 82%、60%、35%和 10%的污泥對鍋爐熱效率、燃煤量、排煙溫度及減溫水量等
[摘 要]為了研究燃煤機(jī)組摻燒污泥后對鍋爐運(yùn)行的影響，針對某電廠 330 MW 等級燃煤機(jī)組，以能量守恒定律為基礎(chǔ)，通過熱力校核計(jì)算分析了機(jī)組在 330、280、180、80 MW 電負(fù)荷時，分別摻燒含水率為 82%、60%、35%和 10%的污泥對鍋爐熱效率、燃煤量、排煙溫度及減溫水量等參數(shù)的影響。結(jié)果表明：在摻燒污泥的含水率一定時，對鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響隨負(fù)荷降低而增大;而在鍋爐負(fù)荷一定時，對鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響隨污泥含水率的增大而增大;在 80 MW 電負(fù)荷下?lián)綗?82%含水率污泥時影響最大，其鍋爐熱效率降低 0.89 個百分點(diǎn);污泥摻燒對鍋爐燃煤量的影響不定，在今后的工程評價(jià)與實(shí)踐中應(yīng)區(qū)別對待，具體核算。
[關(guān) 鍵 詞]燃煤鍋爐;污泥;摻燒;含水率;熱效率;燃煤量;排煙溫度;減溫水量
隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，如何處理污水處理廠產(chǎn)生的廢棄污泥逐漸成為日益增長的難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年我國每天產(chǎn)生的污泥量達(dá)到 2.1×105 t [1-2]，且呈逐年遞增趨勢。污泥有機(jī)物易腐爛，有強(qiáng)烈的臭味，并且含有寄生蟲卵、病原微生物和銅、鋅、鉻、汞等重金屬，以及多氯聯(lián)苯、二惡英、放射性核素等難降解的有害物質(zhì)[3]，如不加以妥善處理，將會對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。
焚燒處理是有效處理污泥的一種主要方法[4]。目前，國內(nèi)外在污泥單獨(dú)干化焚燒方面的應(yīng)用較多，但是由于建設(shè)和運(yùn)行原因適用于單獨(dú)焚燒污泥的焚燒廠費(fèi)用巨大，而且效果不佳[5-6]。借助現(xiàn)役燃煤電廠系統(tǒng)進(jìn)行干化污泥耦合發(fā)電，既可實(shí)現(xiàn)煤電燃料靈活性，提升非化石能源消費(fèi)比重和化石能源替代比例，又可發(fā)揮清潔高效煤電污染物集中治理的平臺優(yōu)勢，推進(jìn)大氣、水和土壤污染防治，從而實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化和規(guī)模化處置[7-8]。
陳大元等[9]研究了 3 種燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝，建立了污泥摻燒的物理模型，分析了其對鍋爐機(jī)組的影響情況，并對摻燒方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。吳劍等[10]研究了污泥摻燒對燃煤鍋爐機(jī)組的影響，指出了污泥摻混量對鍋爐的著火燃盡、積灰結(jié)渣以及煙氣成分等參數(shù)的影響，在實(shí)際鍋爐機(jī)組中應(yīng)嚴(yán)格控制污泥的摻混比例。馬睿等[11]對摻燒含水率為 20%的干化污泥時，不同污泥摻燒比例對燃煤電站鍋爐排煙溫度、排煙熱損失和鍋爐熱效率等參數(shù)的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了不同摻混量對鍋爐的影響情況。殷立寶等[12]對印染污泥與四角切圓煤粉鍋爐摻燒的 NOx 排放等進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明隨污泥含水率的增加，鍋爐 NOx 排放體積分?jǐn)?shù)略有增加，爐膛燃燒溫度略有降低。李鍔[13]對300 MW等級燃煤電站鍋爐污泥摻燒進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明摻燒 5%、10%的干化污泥對鍋爐煙氣排放主要污染物指標(biāo)以及飛灰的重金屬成分幾乎無影響。
本文針對某電廠 330 MW 等級燃煤機(jī)組鍋爐，以能量守恒定律為基礎(chǔ)，結(jié)合鍋爐燃燒理論，在 330、280、180、80 MW 負(fù)荷，鍋爐分別摻燒含水率為 82%、60%、35%、10%污泥對鍋爐熱效率、燃煤量、減溫水量及排煙溫度等參數(shù)的影響進(jìn)行了熱力計(jì)算與分析[14]，揭示了不同含水率的污泥在鍋爐不同負(fù)荷下進(jìn)行摻燒時對鍋爐運(yùn)行的影響規(guī)律，并對該影響的評價(jià)給出了定量化的結(jié)論。
1 鍋爐概況
某電廠 330 MW 等級燃煤機(jī)組鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，最大連續(xù)負(fù)荷(BMCR)工況為設(shè)計(jì)參數(shù)，最大連續(xù)蒸發(fā)量 1 100 t/h，過熱器蒸汽出口溫度 541 ℃，再熱器蒸汽出口溫度 541 ℃。鍋爐截面為 14 048 mm×14 019 mm，燃燒器共 4 層，采用四角布置切向燃燒，可上下 ±30°擺動以調(diào)節(jié)蒸汽溫度。鍋爐主要性能參數(shù)見表 1，鍋爐布置示意如圖 1 所示。
鍋爐采用Π型布置，在爐膛上部，沿?zé)煔饬鞒蹋来尾贾糜袎κ捷椛湓贌崞鳌⒎指羝吝^熱器、后屏過熱器、前屏一次再熱器、末級再熱器和末級過熱器，至尾部豎井煙道由上到下依次布置有立式低溫過熱器、水平低溫過熱器和省煤器。
過熱器采用常規(guī)噴水調(diào)溫，共設(shè)兩級四點(diǎn)噴水，第一級噴水設(shè)在低溫過熱器出口到分隔屏過熱器入口的連接管道上，作為粗調(diào);第二級噴水設(shè)在后屏過熱器出口到末級過熱器入口間的連接管道上，作為細(xì)調(diào)。再熱器采用典型的擺動燃燒器方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2 煤質(zhì)及污泥設(shè)計(jì)參數(shù)
煤質(zhì)取自電廠常用煤質(zhì)，具體參數(shù)見表 2。污泥取自污水處理廠處理過的擬摻燒污泥，具體參數(shù)見表 3。根據(jù)污水處理廠的建設(shè)規(guī)模，目前的日均產(chǎn)生污泥量為 200 t/d，含水率為 82%。經(jīng)干化處理后的污泥含水率可達(dá)到 60%，遠(yuǎn)期干化設(shè)備建設(shè)完成后，經(jīng)進(jìn)一步干化處理，含水率可達(dá)到 35%
3 數(shù)學(xué)模型
對該電廠 330 MW 一次再熱鍋爐進(jìn)行污泥摻燒熱力計(jì)算，其數(shù)學(xué)模型主要包括污泥摻燒模型與熱力計(jì)算模型。
3.1 污泥摻燒模型
污泥摻燒模型的建立以現(xiàn)有工況下的校核計(jì)算為基礎(chǔ)，主要步驟如下：
1)對原工況進(jìn)行熱力校核計(jì)算，得到輸入鍋爐總熱量;
2)根據(jù)擬摻入的污泥量和污泥熱值，假設(shè)輸入鍋爐總熱量不變，由能量守恒原則，計(jì)算得到燃煤量 DC(i)，然后以該燃煤量與污泥量進(jìn)行摻混，加權(quán)得到混合燃料組分與熱值等參數(shù)，輸入熱力計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算;
3)根據(jù)摻混后的計(jì)算結(jié)果，由新的燃料量 DH(i) 與燃料熱值 QH(i)計(jì)算得到該狀態(tài)下的輸入鍋爐總 熱量 MH(i);
4)根據(jù)污泥摻入熱量，結(jié)合新的輸入鍋爐總熱量 MH(i)，計(jì)算得到新的燃煤量 DC(j);
5)比較新得到的燃煤量 DC(j)與燃煤量 DC(i)，當(dāng)二者之差小于 0.01 t 時，認(rèn)為該結(jié)果滿足要求，否則，由新的燃煤量 DC(j)與污泥量再次進(jìn)行摻混，依次進(jìn)行迭代計(jì)算，直到輸出的結(jié)果滿足精度要求后結(jié)束。
污泥摻燒的計(jì)算模型如圖 2 所示。
3.2 熱力計(jì)算模型
本項(xiàng)目熱力計(jì)算流程如圖 3 所示。首先建立工程文件與計(jì)算任務(wù)，包括燃料、爐型、熱平衡參數(shù)等;其次，分別建立受熱面煙氣側(cè)流程、受熱面工質(zhì)側(cè)流程以及受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中主受熱面特性參數(shù)開始為系統(tǒng)默認(rèn)，而后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符合;最后進(jìn)行汽溫調(diào)節(jié)與計(jì)算控制，包括減溫水量、燃燒器擺角等。計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際值進(jìn)行比對，當(dāng)滿足要求時輸出計(jì)算結(jié)果，否則對主受熱面特性參數(shù)和汽溫調(diào)節(jié) 2 個界面上的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至計(jì)算結(jié)果滿足要求為止，輸出計(jì)算結(jié)果[15]。
4 計(jì)算結(jié)果與分析
對鍋爐在 330、280、180、80 MW 電負(fù)荷下?lián)綗煌实奈勰噙M(jìn)行熱力校核計(jì)算，結(jié)果見表 4—表 7。
由計(jì)算結(jié)果可以看到，摻燒污泥后，因污泥熱值較低，鍋爐的熱效率均有不同程度下降;鍋爐燃煤量的變化由污泥含水率與鍋爐負(fù)荷共同影響;此外，因摻燒污泥后鍋爐整體煙氣量增大，因此排煙溫度與過、再熱器減溫水量增加。
4.1 對熱效率的影響
摻燒污泥對鍋爐熱效率的影響如圖 4 所示。由圖 4 可以看出：在摻燒含水率分別為 82%、60%、35%、 10%的污泥時，在 330 MW 電負(fù)荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.21 百分點(diǎn)、0.07 百分點(diǎn)、0.02 百分點(diǎn)、 0.01 百分點(diǎn);在 280 MW 電負(fù)荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.27 百分點(diǎn)、0.08 百分點(diǎn)、0.03 百分點(diǎn)、0.01 百分點(diǎn);在 180 MW 電負(fù)荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.36 百分點(diǎn)、0.12 百分點(diǎn)、0.04 百分點(diǎn)、0.01 百分點(diǎn);在 80 MW 電負(fù)荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.89 百分點(diǎn)、0.42 百分點(diǎn)、0.25 百分點(diǎn)、0.18 百分點(diǎn)。
計(jì)算結(jié)果表明，鍋爐熱效率隨摻燒污泥而降低，其降低幅度在同一負(fù)荷下隨含水率的增加而增加，在不同負(fù)荷下隨負(fù)荷的降低而增加。由于污泥含水率高，因此摻燒污泥使得煙氣量增加，排煙損失增加;同時，污泥的熱值較低，摻燒后也會使得鍋爐熱效率降低。污泥含水率越高，煙氣量增加越大，排煙損失越高;負(fù)荷越低，污泥的摻混質(zhì)量占比越高，熱效率降低越多。
4.2 對燃煤量的影響
摻燒污泥對鍋爐燃煤量的影響如圖 5 所示。由圖 5 可以看出，在 330 MW 電負(fù)荷下，摻燒污泥含水率為 82%時，鍋爐燃煤量增加 0.52 t/h，摻燒污泥含水率為 60%、35%、10%時，鍋爐燃煤量降低 0.38、 0.86、1.19 t/h。由此得出，摻燒污泥對鍋爐的燃煤量影響具有不確定性。當(dāng)摻燒污泥含水率較高時，污泥摻燒所引起的鍋爐熱效率下降更明顯，而高含水率的污泥熱值較低，其摻燒所帶入的熱量不足以達(dá)到鍋爐熱效率降低后所需要的額外熱量，因此，最終結(jié)果使得鍋爐的燃煤量增加。當(dāng)污泥含水率較低時，其摻燒所引起的鍋爐熱效率下降較小，因此，摻燒污泥所帶入的熱量能夠彌補(bǔ)熱效率降低后所需要的額外熱量，進(jìn)而最終結(jié)果使得鍋爐的燃煤量降低。
由圖 5 還可以看出：在 280 MW 電負(fù)荷下，摻燒污泥含水率為 82%時，鍋爐燃煤量增加 0.61 t/h，摻燒污泥含水率為 60%、35%、10%時，鍋爐燃煤量降低 0.29、0.78、1.09 t/h;在 180 MW 電負(fù)荷下，摻燒污泥含水率為 82%時，鍋爐燃煤量增加 0.78 t/h，摻燒污泥含水率為 60%、35%、10%時，鍋爐燃煤量降低 0.13、0.58、0.86 t/h;在 80 MW 電負(fù)荷下，摻燒污泥含水率為 82%、60%、35%時，鍋爐燃煤量增加 1.42、0.38、0.04 t/h，摻燒污泥含水率為 10%時，鍋爐燃煤量降低 0.12 t/h。這幾種工況下的結(jié)論分析與 330 MW 工況相同。但是，在 80 MW 電負(fù)荷時，摻燒污泥所帶來的鍋爐熱效率降低更多，鍋爐所需要的輸入熱量更多，而摻燒污泥所帶入的熱量不足以達(dá)到鍋爐熱效率降低后所需要的額外熱量，因此，最終結(jié)果使得鍋爐在摻燒較高含水率(82%、60%、35%)的污泥時，燃煤量均有所增加。計(jì)算結(jié)果表明，鍋爐燃煤量的變化與摻燒污泥含水率及鍋爐負(fù)荷大小有關(guān)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷一定時，污泥的含水率越大，則摻燒污泥引起的燃煤量增加越大;而當(dāng)負(fù)荷不同時，其對鍋爐的影響程度隨負(fù)荷的降低而增大，鍋爐負(fù)荷越低，則摻燒污泥引起的燃煤量增加越大。
4.3 對排煙溫度的影響
摻燒污泥對鍋爐排煙溫度的影響如圖 6 所示。由圖 6 可以看出：在 330 MW 電負(fù)荷下，摻燒含水率分別為 82%、60%、35%、10%的污泥時，鍋爐排煙溫度分別升高 2.1、0.8、0.2、0.1 ℃;在 280 MW 電負(fù)荷下，鍋爐排煙溫度分別升高 3.0、1.0、0.3、 0.2 ℃;在 180 MW 電負(fù)荷下，鍋爐排煙溫度分別升高 3.7、1.3、0.4、0.3 ℃;在 80 MW 電負(fù)荷下，鍋爐排煙溫度分別升高 8.1、3.8、2.1、1.4 ℃。
計(jì)算結(jié)果表明，鍋爐排煙溫度隨摻燒污泥而增加，其增加幅度在同一負(fù)荷下隨含水率的增加而增加，在不同負(fù)荷下隨負(fù)荷的降低而增加。由于污泥含水率高，因此摻燒污泥使得煙氣量增加，排煙溫度增加;負(fù)荷越低，污泥的摻混質(zhì)量占比越高，煙氣量增加幅度越大，排煙溫度越高。
4.4 對減溫水量的影響
污泥摻燒后對鍋爐減溫水量的影響見表 4—表 7。由于污泥含水率高，因此摻燒后鍋爐煙氣量增加，各受熱面對流換熱增強(qiáng)，減溫水量增加，其增加幅度在同一負(fù)荷下隨含水率的增加而增加，在不同負(fù)荷下隨負(fù)荷的降低而增加。
在摻燒含水率分別為 82%、60%、35%、10%的污泥時，不同電負(fù)荷下減溫水量的變化如下：在 330 MW 電負(fù)荷下，過熱減溫水量分別增加 4.0、 2.5、1.0、0.5 t/h，再熱減溫水量分別增加 1.5、0.5、 0.2、0 t/h;在 280 MW 電負(fù)荷下，過熱減溫水量分別增加 5.0、2.5、1.5、1.0 t/h，再熱減溫水量分別增加 2.0、1.0、0.5、0 t/h;在 180 MW 電負(fù)荷下，過熱減溫水量分別增加 3.7、2.0、1.0、0.5 t/h，再熱減溫水量分別增加 2.0、1.0、0.5、0.4 t/h;在 80 MW 電負(fù)荷下，過熱減溫水量分別增加 3.0、1.8、1.3、 1.0 t/h，再熱減溫水量分別增加 1.3、0.8、0.6、0.5 t/h。
5 結(jié) 論
1)摻燒污泥會引起鍋爐熱效率的下降、排煙溫度的升高、減溫水量的增加，其變化幅度在同一負(fù)荷下隨含水率的增加而增加，在不同負(fù)荷下隨負(fù)荷的降低而增加。
2)在機(jī)組 330 MW 電負(fù)荷下，摻燒含水率為 82%、60%、35%、10%的污泥時，鍋爐熱效率分別下降 0.21 百分點(diǎn)、0.07 百分點(diǎn)、0.02 百分點(diǎn)、0.01 百分點(diǎn);燃煤量在摻燒含水率為 82%的污泥時增加 0.52 t/h，其他分別降低 0.38、0.86、1.19 t/h;排煙溫度分別升高 2.1、0.8、0.2、0.1 ℃;減溫水量變化范圍 0.5~5.5 t/h。
3)在機(jī)組 280 MW 電負(fù)荷下，摻燒含水率為 82%、60%、35%、10%的污泥時，鍋爐熱效率分別下降 0.27 百分點(diǎn)、0.08 百分點(diǎn)、0.03 百分點(diǎn)、0.01 百分點(diǎn);燃煤量在摻燒含水率為 82%的污泥時增加 0.61 t/h，其他分別降低 0.29、0.78、1.09 t/h;排煙溫度分別升高 3.0、1.0、0.3、0.2 ℃;減溫水量變化范圍 1.0~7.0 t/h。
4)在機(jī)組 180 MW 電負(fù)荷下，摻燒含水率為 82%、60%、35%、10%的污泥時，鍋爐熱效率分別下降 0.36 百分點(diǎn)、0.12 百分點(diǎn)、0.04 百分點(diǎn)、 0.01 百分點(diǎn);燃煤量在摻燒含水率為 82%的污泥時增加 0.78 t/h，其他分別降低 0.13、0.58、0.86 t/h;排煙溫度分別升高 3.7、1.3、0.4、0.3 ℃;減溫水量變化范圍 1.0~5.7 t/h。
5)在機(jī)組80 MW電負(fù)荷下，摻燒含水率為82%、 60%、35%、10%的污泥時，鍋爐熱效率分別下降 0.89 百分點(diǎn)、0.42 百分點(diǎn)、0.25 百分點(diǎn)、0.18 百分點(diǎn);燃煤量在摻燒含水率為 82%、60%、35%的污泥時分別增加 1.42、0.38、0.04 t/h，摻燒含水率為 10% 污泥時降低 0.12 t/h;排煙溫度分別升高 8.1、3.8、 2.1、1.4 ℃;減溫水量變化范圍 1.5~4.3 t/h。
6)摻燒污泥會引起鍋爐熱效率的降低，排煙溫度的升高以及減溫水量的增加，但對鍋爐燃煤量的影響不定，這由摻燒污泥的含水率及鍋爐的負(fù)荷共同決定，因此在今后的工程評價(jià)與實(shí)踐中應(yīng)區(qū)別對待，具體核算。——論文作者：周凌宇 1，王一坤 1，陳 鋼 2，成汭珅 1，解 冰 1，張廣才 1，柳宏剛 1
[參 考 文 獻(xiàn)]
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