300_MW循环流化床锅炉掺烧高水分污泥试验研究_张杨鑫.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering1文章编号：1005-006X(2023)04-0001-05300 MW 循环流化床锅炉掺烧高水分污泥试验研究*张杨鑫1黄 中2*韩志刚1张国庆2陈嘉霖3张 飞3刘 磊4段国海4苑 鹏4武 琪4（1.清华大学山西清洁能源研究院，2.清华大学能源与动力工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室，3.云南省能源投资集团有限公司，4.云南能投红河发电有限公司）摘要：依托某 300 MW 循环流化床锅炉开展了高水分污泥掺烧试验，通过对入炉煤、污泥、飞灰、底渣和烟气等样品的测试分析，掌握了掺烧高水分污泥对锅炉运行的影响规律。结果显示，掺烧 1%、3%、5%高水分污泥后锅炉运行稳定，炉内温度场分布、飞灰及底渣可燃物含量变化较小，灰渣中重金属及有害物含量均低于国家相关标准要求，烟气 NOx、SO2和粉尘排放浓度符合国家及地方排放标准要求，汽水侧参数基本无变化，风机电耗无明显增加，当污泥掺烧比为 5%时，锅炉热效率为 90.57%。循环流化床锅炉可以直接掺烧高水分污泥，环境效益和社会效益显著，应用前景广阔。关键词：循环流化床锅炉；高水分污泥；掺烧；测试；试验研究中图分类号：TK16文献标识码：AExperimental Study on Mixing High Moisture Sludge in 300MW CFB BoilerZHANG Yang-xin1,HUANG Zhong2*,HAN Zhi-gang1,et al.(1.ShanxiResearchInstituteforCleanEnergyTsinghuaUniversity,2.KeyLaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringofMinistryofEducation,DepartmentofEnergyandPowerEngineering,TsinghuaUniversity,3.YunnanProvince EnergyInvestmentGroupCo.,Ltd.,4.YunnanEnergyInvestmentHonghePowerGenerationCo.,Ltd.)Abstract：The mixed combustion experiments of high moisture sludge was carried out on a 300 MW circulating fluidizedbed boiler.Through the experiments and analysis of coal,sludge,fly ash,bottom slag and flue gas,the influence ofblending high moisture sludge on boiler operation was mastered.The results showed that the boiler operated stably aftermixing and burning 1%,3%and 5%high moisture sludge and the temperature field in the furnace and the content ofcombustibles in fly ash and bottom slag changed less.The content of heavy metals and harmful substances in the ash andslag was lower than the requirements of relevant national standards.The emission concentration of NOx,SO2and dust inthe flue gas satisfied requirements of national and local emission standards.The steam water side parameters werebasically unchanged and the power consumption of the fan was not significantly increased.When the sludge mixing andburning ratio was 5%,the thermal efficiency of the boiler was 90.57%.Circulating fluidized bed boiler can directly burnhigh moisture sludge,which has significant environmental and social benefits and broad application prospects.Key words:circulating fluidized bed boiler;high moisture sludge;mixed combustion;testing;experimental study城市污泥是污水处理厂中污水处理后的附属产品，其含水率高，含有有机物、重金属、病原菌等成分，物理、化学性质很不稳定，处理不当存在环境污染风险1。随着城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，污水厂的污泥产量也急剧增加，住建部统计数据显示2，2020 年全国污泥产量约为6000 万吨（以含水率 80%计），亟需对污泥进行减量化、资源化、无害化处理。常见的污泥处理及利用工艺按照程度及步骤可分为污泥处理和处置两步36，污泥处理是指如浓缩、脱水、干燥等前序处理工艺，以便更好地进行后续处置；污泥处置是指如填埋、堆肥、发酵、焚烧等各种处置工艺，处置后污泥对环境的危害大幅降低。对比污泥稳定填埋、堆肥和焚烧等方法78，收稿日期：2022-09-08*通信作者：黄中张杨鑫(1994-)，男，硕士，助理工程师。山西太原，030032*国家重点研发计划项目(2020YFB0606303)资助污泥填埋方法会造成土壤、地下水等的二次污染；污泥堆肥占地面积大，可能会造成土壤和植物的重金属超标；而污泥焚烧方法因其适应性强、处理速度快、处理彻底等特点被认为是最有效的处理方法之一911。污泥焚烧包括单独焚烧和掺烧两种方式，污泥单独焚烧主要利用专用的污泥焚烧炉进行，污泥掺烧主要通过锅炉进行，由于可以直接利用已有设施，处置成本低且能够控制污染物排放1214。因此国家能源局等行业主管部门颁布的相关政策15中明确提出“优先选取热电联产煤电机组，布局燃煤耦合垃圾及污泥发电技改项目”。循环流化床锅炉因其独特的燃料适应性和运行稳定性在国内得到了广泛应用1619，将其用作掺烧污泥的技术手段，具有燃烧效率高、运行费用低、工艺流程简单等优点，污泥掺烧与循环流化床锅炉相结合，一方面实现了污泥的无害化处理，另一方2电站系统工程2023 年第 39 卷面还能使火电企业获得污泥的处置补贴，提高企业效益，是最具发展潜力的燃煤耦合污泥技术2021。Jang 等人22在中试实验系统中进行了 CFB 污泥焚烧实验，分析了在富氧燃烧条件下的温度、床压以及灰渣、烟气组分等的变化规律。曹通等人23采用Fluent数值模拟了在CFB锅炉中污泥掺烧的燃烧过程，发现采用 CFB 锅炉焚烧不同种类的污泥时，锅炉运行参数变化较小。柯希玮等人24利用一维 CFB数学模型对某 330 MWe 亚临界 CFB 锅炉掺烧污泥后的物料平衡特性进行预测和分析，讨论了掺烧对锅炉性能的影响，结果表明掺烧少量污泥有利于改善 CFB 锅炉物料循环性能。张自丽等人25研究了污泥和福建无烟煤在 CFB 锅炉中的掺烧特性和可行性，讨论其飞灰含碳量和燃烧效率。李博26分析比选了 CFB 锅炉污泥掺烧技术方案，研究了湿污泥直接入炉掺烧对锅炉运行情况的影响，当污泥掺烧比例达到 12%时，对锅炉的床温、氧量、炉膛出口负压等影响较大。JIN 等人27研究了煤燃烧掺烧脱水污泥比例对燃烧特性和重金属的影响，结果显示当脱水污泥比例低于 20%时，对煤的燃烧特性几乎无影响，煤和污泥的特性以及重金属的挥发性对重金属的分布有很大影响。杨春等人28进行了 CFB 锅炉污泥掺烧试验，分析了掺烧污泥燃料后对燃烧工况、热工性能、经济运行及烟气治理等方面的影响。孟庆杭29研究了 300 MW CFB 锅炉采用柱塞泵输送湿污泥至炉顶入炉掺烧的影响，结果表明污泥掺烧比例小于 6%时，采用该方式燃烧稳定。张祥志等人30对循环流化床锅炉掺烧污泥的烟气污染治理进行了研究，采用 SNCR-SCR 脱硝、活性炭吸附、湿法脱硫、布袋除尘、湿式电除尘等组合工艺实现了出口污染物浓度达到超低排放标准。本文依托某 300 MW 循环流化床锅炉开展了污泥掺烧试验，研究掺烧污泥后对锅炉温度场、风机电耗、汽水侧参数、固体未完全燃烧热损失、排烟热损失、锅炉热效率等的影响，提出了循环流化床锅炉清洁高效掺烧高水分污泥的技术建议。1试验研究1.1锅炉设备概况试验在某厂 300 MW 循环流化床机组上进行，锅炉为 HG-1025/17.5-L.HM37 型 CFB 锅炉，见图 1。主要由裤衩腿炉膛、4 个高温绝热旋风分离器、4个回料阀、4 个外置式换热器、尾部对流烟道、4台冷渣器和 1 个回转式空预器等部分组成。脱硫系统采用炉内石灰石喷钙脱硫和尾部石灰石-石膏湿法脱硫工艺，脱硝系统采用 SNCR 工艺，除尘系统采用静电除尘工艺。表 1 为锅炉主要设计参数。图 1锅炉结构示意图表 1锅炉主要设计参数项目BMCR 工况ECR 工况(300 MW)过热蒸汽流量/th-11025944过热蒸汽出口压力/MPa(g)17.5017.38过热蒸汽出口温度/540540再热蒸汽入口压力/MPa(g)3.993.70再热蒸汽入口温度/327320再热蒸汽流量/th-1846783再热蒸汽出口压力/MPa(g)3.803.52再热蒸汽出口温度/540540给水温度/2822771.2试验方法试验依据电站锅炉性能试验规程（GB/T10184-2015）进行，分别进行了锅炉机组满负荷下，未掺烧以及污泥掺烧比例（质量比）为 1%、3%、5%的试验。试验工况设计见表 2。表 2试验工况设计序号掺烧比例机组负荷备注1未掺烧300 MW对比工况21%300 MW掺烧 2.4 t/h33%300 MW掺烧 7.2 t/h45%300 MW掺烧 12 t/h图 2污泥干化现场图试验前组织热工人员对相关热电偶、氧表进行校验。试验过程中，由电厂运行人员在试验前将设备调整到试验要求的参数，确保锅炉机组能够按照试验要求负荷运行，主辅机能够投入安全稳定运行。试验使用的污泥运至煤场前采用压滤后自然干化的方式进行简易脱水，污泥的干化现场如图 2 所示。城市污泥在煤场提前掺混完毕后借助输煤系统入炉燃烧，每个试验工况连续运行 4 h，试验前稳定参数第 4 期张杨鑫等：300 MW 循环流化床锅炉掺烧高水分污泥试验研究32 h，正式试验数据测量记录 2 h，分别采集锅炉的运行参数、锅炉风烟侧参数、汽水侧参数、SO2、NOx和粉尘浓度。同时对入炉煤、污泥、石灰石、飞灰、底渣和烟气等进行现场取样。2结果与讨论2.1试验煤质及污泥成分分析对试验期间的锅炉入炉煤、污泥样品进行了工业/元素分析等，分析结果见表 3 和表 4。经检测分析掺烧时污泥含水率仍高达 75.5%，并且热值较低。表 3工业分析和元素分析结果项目入炉煤污泥样收到基全水分 Mt.ar/%28.5275.50收到基挥发分 Var/%28.349.69收到基灰分 Aar/%30.0412.97干燥基挥发分 Vd/%36.4240.70干燥基灰分 Ad/%38.6154.20收到基固定碳 FCar/%13.11.19收到基低位发热量 Qnet