發布時間：2022-02-13所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘 要]為了研究燃煤機組摻燒污泥后對鍋爐運行的影響，針對某電廠 330 MW 等級燃煤機組，以能量守恒定律為基礎，通過熱力校核計算分析了機組在 330、280、180、80 MW 電負荷時，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]為了研究燃煤機組摻燒污泥后對鍋爐運行的影響，針對某電廠 330 MW 等級燃煤機組，以能量守恒定律為基礎，通過熱力校核計算分析了機組在 330、280、180、80 MW 電負荷時，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的影響。結果表明：在摻燒污泥的含水率一定時，對鍋爐運行產生的影響隨負荷降低而增大;而在鍋爐負荷一定時，對鍋爐運行產生的影響隨污泥含水率的增大而增大;在 80 MW 電負荷下摻燒 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;污泥摻燒對鍋爐燃煤量的影響不定，在今后的工程評價與實踐中應區別對待，具體核算。
[關 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
隨著我國城鎮化的快速發展，如何處理污水處理廠產生的廢棄污泥逐漸成為日益增長的難題。據統計，2018 年我國每天產生的污泥量達到 2.1×105 t [1-2]，且呈逐年遞增趨勢。污泥有機物易腐爛，有強烈的臭味，并且含有寄生蟲卵、病原微生物和銅、鋅、鉻、汞等重金屬，以及多氯聯苯、二惡英、放射性核素等難降解的有害物質[3]，如不加以妥善處理，將會對環境造成嚴重的二次污染。
焚燒處理是有效處理污泥的一種主要方法[4]。目前，國內外在污泥單獨干化焚燒方面的應用較多，但是由于建設和運行原因適用于單獨焚燒污泥的焚燒廠費用巨大，而且效果不佳[5-6]。借助現役燃煤電廠系統進行干化污泥耦合發電，既可實現煤電燃料靈活性，提升非化石能源消費比重和化石能源替代比例，又可發揮清潔高效煤電污染物集中治理的平臺優勢，推進大氣、水和土壤污染防治，從而實現污泥減量化、無害化、資源化和規模化處置[7-8]。
陳大元等[9]研究了 3 種燃煤機組耦合污泥發電工藝，建立了污泥摻燒的物理模型，分析了其對鍋爐機組的影響情況，并對摻燒方案的技術經濟性進行了比較。吳劍等[10]研究了污泥摻燒對燃煤鍋爐機組的影響，指出了污泥摻混量對鍋爐的著火燃盡、積灰結渣以及煙氣成分等參數的影響，在實際鍋爐機組中應嚴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的影響進行了計算分析，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 排放等進行了數值模擬研究，結果表明隨污泥含水率的增加，鍋爐 NOx 排放體積分數略有增加，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行了試驗研究，試驗結果表明摻燒 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 等級燃煤機組鍋爐，以能量守恒定律為基礎，結合鍋爐燃燒理論，在 330、280、180、80 MW 負荷，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的影響進行了熱力計算與分析[14]，揭示了不同含水率的污泥在鍋爐不同負荷下進行摻燒時對鍋爐運行的影響規律，并對該影響的評價給出了定量化的結論。
1 鍋爐概況
某電廠 330 MW 等級燃煤機組鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐，最大連續負荷(BMCR)工況為設計參數，最大連續蒸發量 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°擺動以調節蒸汽溫度。鍋爐主要性能參數見表 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，沿煙氣流程，依次布置有墻式輻射再熱器、分隔屏過熱器、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。
過熱器采用常規噴水調溫，共設兩級四點噴水，第一級噴水設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;第二級噴水設在后屏過熱器出口到末級過熱器入口間的連接管道上，作為細調。再熱器采用典型的擺動燃燒器方式進行調節。
2 煤質及污泥設計參數
煤質取自電廠常用煤質，具體參數見表 2。污泥取自污水處理廠處理過的擬摻燒污泥，具體參數見表 3。根據污水處理廠的建設規模，目前的日均產生污泥量為 200 t/d，含水率為 82%。經干化處理后的污泥含水率可達到 60%，遠期干化設備建設完成后，經進一步干化處理，含水率可達到 35%
3 數學模型
對該電廠 330 MW 一次再熱鍋爐進行污泥摻燒熱力計算，其數學模型主要包括污泥摻燒模型與熱力計算模型。
3.1 污泥摻燒模型
污泥摻燒模型的建立以現有工況下的校核計算為基礎，主要步驟如下：
1)對原工況進行熱力校核計算，得到輸入鍋爐總熱量;
2)根據擬摻入的污泥量和污泥熱值，假設輸入鍋爐總熱量不變，由能量守恒原則，計算得到燃煤量 DC(i)，然后以該燃煤量與污泥量進行摻混，加權得到混合燃料組分與熱值等參數，輸入熱力計算軟件進行計算;
3)根據摻混后的計算結果，由新的燃料量 DH(i) 與燃料熱值 QH(i)計算得到該狀態下的輸入鍋爐總 熱量 MH(i);
4)根據污泥摻入熱量，結合新的輸入鍋爐總熱量 MH(i)，計算得到新的燃煤量 DC(j);
5)比較新得到的燃煤量 DC(j)與燃煤量 DC(i)，當二者之差小于 0.01 t 時，認為該結果滿足要求，否則，由新的燃煤量 DC(j)與污泥量再次進行摻混，依次進行迭代計算，直到輸出的結果滿足精度要求后結束。
污泥摻燒的計算模型如圖 2 所示。
3.2 熱力計算模型
本項目熱力計算流程如圖 3 所示。首先建立工程文件與計算任務，包括燃料、爐型、熱平衡參數等;其次，分別建立受熱面煙氣側流程、受熱面工質側流程以及受熱面結構參數，其中主受熱面特性參數開始為系統默認，而后根據實際運行結果進行調整，直到計算結果與實際相符合;最后進行汽溫調節與計算控制，包括減溫水量、燃燒器擺角等。計算出的結果與實際值進行比對，當滿足要求時輸出計算結果，否則對主受熱面特性參數和汽溫調節 2 個界面上的參數進行調整，直至計算結果滿足要求為止，輸出計算結果[15]。
4 計算結果與分析
對鍋爐在 330、280、180、80 MW 電負荷下摻燒不同含水率的污泥進行熱力校核計算，結果見表 4—表 7。
由計算結果可以看到，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 電負荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.21 百分點、0.07 百分點、0.02 百分點、 0.01 百分點;在 280 MW 電負荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.27 百分點、0.08 百分點、0.03 百分點、0.01 百分點;在 180 MW 電負荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.36 百分點、0.12 百分點、0.04 百分點、0.01 百分點;在 80 MW 電負荷下，鍋爐熱效率分別下降 0.89 百分點、0.42 百分點、0.25 百分點、0.18 百分點。
計算結果表明，鍋爐熱效率隨摻燒污泥而降低，其降低幅度在同一負荷下隨含水率的增加而增加，在不同負荷下隨負荷的降低而增加。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;負荷越低，污泥的摻混質量占比越高，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到鍋爐熱效率降低后所需要的額外熱量，因此，最終結果使得鍋爐的燃煤量增加。當污泥含水率較低時，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熱效率降低后所需要的額外熱量，進而最終結果使得鍋爐的燃煤量降低。
由圖 5 還可以看出：在 280 MW 電負荷下，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。這幾種工況下的結論分析與 330 MW 工況相同。但是，在 80 MW 電負荷時，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到鍋爐熱效率降低后所需要的額外熱量，因此，最終結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。計算結果表明，鍋爐燃煤量的變化與摻燒污泥含水率及鍋爐負荷大小有關。當鍋爐負荷一定時，污泥的含水率越大，則摻燒污泥引起的燃煤量增加越大;而當負荷不同時，其對鍋爐的影響程度隨負荷的降低而增大，鍋爐負荷越低，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 電負荷下，鍋爐排煙溫度分別升高 8.1、3.8、2.1、1.4 ℃。
計算結果表明，鍋爐排煙溫度隨摻燒污泥而增加，其增加幅度在同一負荷下隨含水率的增加而增加，在不同負荷下隨負荷的降低而增加。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;負荷越低，污泥的摻混質量占比越高，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，減溫水量增加，其增加幅度在同一負荷下隨含水率的增加而增加，在不同負荷下隨負荷的降低而增加。
在摻燒含水率分別為 82%、60%、35%、10%的污泥時，不同電負荷下減溫水量的變化如下：在 330 MW 電負荷下，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 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荷下隨含水率的增加而增加，在不同負荷下隨負荷的降低而增加。
2)在機組 330 MW 電負荷下，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、0.07 百分點、0.02 百分點、0.01 百分點;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)在機組 280 MW 電負荷下，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、0.08 百分點、0.03 百分點、0.01 百分點;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)在機組 180 MW 電負荷下，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、0.12 百分點、0.04 百分點、 0.01 百分點;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)在機組80 MW電負荷下，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、0.42 百分點、0.25 百分點、0.18 百分點;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荷共同決定，因此在今后的工程評價與實踐中應區別對待，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]
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