柯希瑋，孫國瑞，黃 中，鞏太義，楊海瑞，呂俊復(fù)，張 縵

(1.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084；2.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司 天津 300280)

0 引 言

作為石油開采、城市污水處理等過程的副產(chǎn)物，近年來污泥產(chǎn)量急劇增加。這些污泥含有大量難以消解的有機物、重金屬或病原微生物，如不妥善處置，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在常見的固廢處置方法中，有的已明令禁止(如海洋傾倒)，有的可能導(dǎo)致土壤和地下水污染(如填埋和堆肥法)。與其他方法相比，焚燒法處理速度快，減容率高，高溫環(huán)境下可有效分解有毒有害物質(zhì)、消滅致病微生物等，廢棄物本身的少許熱值可以回收，焚燒后的灰渣還可作為建材等二次利用。故焚燒法被認(rèn)為是最具前景的污泥處理技術(shù)之一[1]。

作為潔凈煤燃燒技術(shù)之一，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃料適應(yīng)性廣。由于爐內(nèi)存有大量固體床料，爐溫分布較均勻，穩(wěn)燃性能好，燃燒效率高，CFB鍋爐從原理上特別適合于污泥等低熱值燃料的燃燒處理[2-3]。此外，CFB燃燒技術(shù)具有天然的低NOx排放優(yōu)勢，在燃燒過程中添加石灰石等脫硫劑還能有效脫除煙氣中大部分SO2[4-5]。工程實踐表明，CFB鍋爐摻燒氮、硫含量較高的污泥后，常規(guī)大氣污染物仍能滿足超低排放要求[6-7]。而鈣基脫硫劑還能吸附汞等重金屬，實現(xiàn)多污染物協(xié)同治理[8]。還有研究指出摻燒城市污泥后能夠改善CFB鍋爐燃用無煙煤時的燃燒性能[9]。因此，將純?nèi)济篊FB電站鍋爐或工業(yè)鍋爐進行適當(dāng)改造，摻燒一定比例的污泥，對減量化、無害化、資源化、穩(wěn)定化利用固廢，減少煤炭使用量，促進碳中和等具有重要意義。

與常規(guī)煤種相比，污泥粒度細(xì)、熱值低、水分大，摻燒后可能對CFB鍋爐燃燒等性能產(chǎn)生影響，有必要對燃料調(diào)整進行針對性分析。JANG等[3]借助30 kWth中試CFB試驗臺分析了焚燒污泥對燃燒性能的影響，包括溫度和床壓分布、灰渣和煙氣化學(xué)組成等。曹通等[10]利用Fluent模擬分析了不同種類污泥與煤粉摻混后在CFB鍋爐中的燃燒過程，并討論了污泥摻混比例的影響。張自麗等[11]總結(jié)了煤與污泥混燒后硫氮轉(zhuǎn)化機制及污染物排放規(guī)律。然而，鮮有研究關(guān)注摻燒污泥對CFB鍋爐物料平衡特性的影響。且隨著中小型鍋爐的減容淘汰，不少大型電站鍋爐也面臨固廢摻燒的現(xiàn)實需求。目前針對大型CFB鍋爐摻燒污泥的工程實踐還比較少。筆者以某330 MWe亞臨界CFB鍋爐為研究對象，借助自編程一維CFB模型對其摻燒污泥后的物料平衡特性進行預(yù)測和分析；然后結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)詳細(xì)討論摻燒對鍋爐性能的影響，從而為污泥摻燒鍋爐設(shè)計和運行優(yōu)化提供參考。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

某電廠現(xiàn)有一臺330 MWe之中作亞臨界一次中間再熱CFB鍋爐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某330 MWe亞臨界CFB鍋爐結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of a 330 MWe subcritical CFB boiler

該鍋爐采用M型布置，為單布風(fēng)板、單爐膛結(jié)構(gòu)，底部水冷風(fēng)室為兩側(cè)進風(fēng)。配有3臺汽冷式旋風(fēng)分離器，位于爐膛和尾部對流煙道之間，分離器下部各布置一臺“J”閥回料器，回料器為“一分為二”結(jié)構(gòu)。爐內(nèi)布置有12片中溫過熱器管屏、6片再熱器管屏和2片水冷蒸發(fā)屏。尾部為雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置了低溫再熱器，后煙道從上到下依次布置有高溫過熱器和低溫過熱器，繼而前后煙道合成一個煙道，沿高度依次布置省煤器和空預(yù)器。爐前布置10個給煤口，爐后墻布置6個排渣口。BMCR工況下鍋爐主汽溫度和主汽壓力分別為541℃和17.5 MPa，其余主要技術(shù)參數(shù)見表1。

鍋爐早期燃料為煤泥和煤矸石的混煤，混合比例為15%∶85%。摻燒污泥壓濾后水分控制在60%以下，先給入煤泥倉暫存，然后隨煤泥一起以泵送方式送入爐膛上部，入爐燃燒。鍋爐給料系統(tǒng)如圖2所示。污泥摻燒比例為10%，替換部分煤矸石，即污泥、煤泥、煤矸石3者混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%和75%。3種燃料工業(yè)和元素分析結(jié)果見表2。

表1 BMCR工況下鍋爐主要參數(shù)

圖2 某330 MWe煤泥和污泥給料系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of thecoal slime and sludge feeding system of the 330 MWe CFB boiler

表2 鍋爐燃料煤工業(yè)分析和元素分析

2 污泥摻燒對鍋爐物料平衡影響

2.1 一維CFB模型簡述和燃料性質(zhì)

利用課題組先前開發(fā)的一維CFB數(shù)學(xué)模型，對該330 MWe CFB鍋爐摻燒污泥前后的物料平衡特性作定量對比分析。模型中將CFB鍋爐爐膛沿軸向劃分為若干個小室，同時充分考慮爐內(nèi)不同區(qū)域氣固流動規(guī)律，如密相區(qū)兩相流動、稀相區(qū)環(huán)核流動結(jié)構(gòu)和顆粒團聚等。對每個小室每個粒徑檔和年齡檔顆粒建立質(zhì)量流平衡方程組，結(jié)合一系列半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式描述特定工況下爐內(nèi)床料流率、粒徑分布、空隙率軸向分布、顆粒停留時間、氣泡及顆粒團行為等CFB物料平衡特性。詳細(xì)的模型結(jié)構(gòu)、方程描述和求解方法可參考相關(guān)文獻[12-14]。該簡化CFB數(shù)學(xué)模型的求解精度不及CFD/CPFD方法，但高計算效率使其在工程計算特別是參數(shù)研究方面更具優(yōu)勢。在對物理和化學(xué)過程理解準(zhǔn)確、子模型參數(shù)設(shè)置合理有據(jù)的前提下，建立的數(shù)學(xué)模型通常能夠反映變量間的相互變化關(guān)系。該模型已在摻燒或純燒煤泥、水煤漿、蘭炭等非常規(guī)燃料CFB鍋爐模擬上應(yīng)用較多，模型預(yù)測結(jié)果與實測值均吻合良好[15-17]。

燃料的成灰磨耗特性對CFB鍋爐物料平衡影響較大，且與燃料自身性質(zhì)有關(guān)。利用“靜態(tài)燃燒+冷態(tài)振篩磨耗”試驗方法獲得煤矸石成灰矩陣及灰顆粒磨耗速率常數(shù)[18]，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，煤矸石質(zhì)地很硬，除小粒徑檔燃料顆粒(0～500 μm)外，大部分灰顆粒無明顯破碎，成灰粒度與入爐煤矸石粒度相當(dāng)。前期研究表明，煤泥初始粒度較小，燃燒過程中基本無爆裂導(dǎo)致的粒度變化，成灰粒度分布與煤泥原始粒度分布基本一致，可認(rèn)為污泥的成灰特性與煤泥相似[17]。因此，計算中直接將入爐煤泥及污泥的粒徑分布當(dāng)作對應(yīng)燃料初始成灰分布，而煤矸石初始成灰粒徑分布按照成灰矩陣和實際給煤粒度折算得到。

圖3 煤矸石成灰特性矩陣Fig.3 Primary ash particle size distribution matrix for coal gangue

煤矸石、煤泥和污泥各自入爐粒度分別在0～7 000、0～10 000和0～200 μm，粒徑分布曲線如圖4所示。

圖4 給料粒徑分布曲線Fig.4 Particle size distributions

模型中需要關(guān)注煤泥和污泥混合燃料在爐內(nèi)初始給入位置。該330 MWe CFB鍋爐實際運行時，煤泥和污泥混合成團從爐頂給入，進入爐膛后，混合顆粒團邊下落邊干燥。初步研究表明，顆粒團到達底部密相區(qū)床面時，只有顆粒團表面一薄層完成干燥和熱解，主體爆裂和燃燒基本發(fā)生在密相區(qū)，之后產(chǎn)生的細(xì)顆粒被煙氣攜帶到爐膛上部。因此，從煤泥污泥爐內(nèi)歷程看，模型計算時可近似認(rèn)為其以成灰粒徑分布在密相區(qū)直接給入。

2.2 模型計算結(jié)果

圖5比較了該330 MWe鍋爐摻燒污泥前后飛灰、底渣和循環(huán)灰粒徑分布模擬結(jié)果。飛灰粒度主要由分離器效率決定，而底渣大部分來自于給料較粗、成灰較差的煤矸石，故摻燒污泥對飛灰和底渣粒度影響很小。而摻燒一定比例污泥混合加入后，在總輸入熱量維持不變時，煤矸石入爐質(zhì)量減小、煤泥投入量略增加，隨煤泥和污泥帶入的細(xì)顆粒量明顯增多。若不考慮結(jié)渣等因素，這些細(xì)灰顆粒絕大部分被煙氣攜帶向上構(gòu)成循環(huán)灰，也帶動了少量較粗顆粒參與循環(huán)，故摻燒小比例污泥后循環(huán)灰粒度略增大，但增幅不明顯。

圖5 摻燒污泥前后飛灰、底渣和循環(huán)灰粒度比較(模型)Fig.5 Comparison of particle size distributions of fly ash, bottom ash and circulation ash between the cases with and without additional sludge (model results)

CFB鍋爐摻燒污泥后細(xì)床料變多；同時煙氣含水量增加，爐膛上部流化風(fēng)速由原來的5.22 m/s提高至5.36 m/s，導(dǎo)致物料循環(huán)量增大，稀相段顆粒懸浮濃度顯著增加，如圖6所示。表3進一步比較了床料中位徑等部分物料平衡特征參數(shù)模型計算值。結(jié)果顯示，與原工況相比，該鍋爐摻燒10%污泥后，循環(huán)流率增加約28.5%，稀相區(qū)平均壓降(與顆粒懸浮濃度相對應(yīng))增大約34.6%，飛灰占總灰渣份額也增加約1.5個百分點。

循環(huán)量、顆粒濃度等CFB鍋爐物料平衡特性的改變，影響了受熱面?zhèn)鳠峒澳芰科胶鈁19]。摻燒污泥前后顆粒爐內(nèi)停留時間比較(模型)如圖7所示，由于摻燒污泥后循環(huán)量增加，爐內(nèi)床料返混增強，延長了顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，對于提高大煤矸石顆粒的燃盡率、爐內(nèi)石灰石脫硫效率具有積極意義。已有研究表明，提高循環(huán)量、增大顆粒懸浮濃度，有利于促進顆粒團聚并強化局部還原性氣氛，繼而減少NOx等污染物原始排放[20]。

圖6 摻燒污泥前后顆粒濃度軸向分布比較(模型)Fig.6 Comparison of axial distributions of solid suspension density between the cases with and without additional sludge (model results)

表3 摻燒污泥后部分物料平衡特征參數(shù)比較(模型)

圖7 摻燒污泥前后顆粒爐內(nèi)停留時間比較(模型)Fig.7 Comparison of particle residence time in furnace between the cases with and without additional sludge (model results)

3 污泥摻燒對鍋爐性能的影響

在不同鍋爐負(fù)荷下，對比分析了摻燒10%污泥前后床溫、蒸氣溫度等鍋爐性能參數(shù)實測結(jié)果如圖8所示，可知各負(fù)荷下?lián)綗勰嗪?，鍋爐床溫均有所降低。首先，污泥含水量高，這些水分在爐內(nèi)蒸發(fā)帶走一部分煙氣熱量。另外，爐膛上部物料濃度顯著增加，而流化風(fēng)速也有所提高(圖6和表3)，從而強化了爐內(nèi)受熱面表面換熱，進一步降低爐膛溫度。但由于該330 MWe鍋爐污泥摻燒比例較低(10%)，總體上看摻燒前后床溫變化并不明顯，對爐內(nèi)燃燒狀態(tài)影響有限。

圖8 摻燒污泥對鍋爐床溫影響Fig.8 Comparison of bed temperatures between the cases with and without additional sludge

前文分析可知，摻燒污泥后煙氣量增加、細(xì)顆粒變多，導(dǎo)致飛灰份額增加。煙氣中灰顆粒濃度提高，導(dǎo)致尾部對流換熱增強，故低溫過熱器及低溫過熱器出口蒸汽溫度均有所提高，如圖9所示。

盡管爐膛上部物料濃度增加導(dǎo)致對流換熱有所增強，但床溫降低也使得爐內(nèi)受熱面表面輻射換熱強度減弱。2者綜合作用下，鍋爐摻燒污泥后屏式過熱器傳熱系數(shù)會有所降低，對出口蒸氣溫度有一定影響，如圖10所示?？紤]尾部對流受熱面換熱的強化作用，摻燒污泥后，過熱器噴水量無明顯變化。實際運行數(shù)據(jù)顯示一級減溫噴水量由30.6 t/h略減至33 t/h，二級噴水量則由18.72 t/h略減至16.5 t/h。

圖10 摻燒污泥對屏式過熱器蒸氣溫度影響Fig.10 Comparison of steam temperatures at outlet of platen superheater between the cases with and without additional sludge

摻燒10%污泥時，鍋爐排煙溫度較原工況略有增加，如圖11所示，這可歸因于煙氣含水量增加、爐膛溫度降低及對流受熱面?zhèn)鳠嵩鰪?。不過各負(fù)荷下排煙溫度提高幅度均較小(溫升小于3 ℃)，對下游除塵設(shè)備的運行不會造成明顯影響。

圖11 摻燒污泥對鍋爐排煙溫度影響Fig.11 Comparison of exhaust temperatures between the cases with and without additional sludge

4 結(jié) 論

1)利用一維CFB數(shù)學(xué)模型模擬了污泥摻燒對某330 MWe CFB鍋爐物料平衡特性的影響。該鍋爐原采用煤矸石與煤泥混燒，摻燒10%污泥后，飛灰和底渣粒度變化很小，而循環(huán)灰粒度略微增大。循環(huán)流率增加近30%，稀相區(qū)平均壓降即顆粒懸浮濃度增大約35%，飛灰占總灰渣份額也增加約1.5個百分點，顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間也有所延長。

2)鍋爐實測結(jié)果表明，在50%～100%負(fù)荷下，摻燒10%污泥后，鍋爐床溫下降10 ℃左右，排煙溫度升高3 ℃以內(nèi)，低溫過熱器及低溫再熱器出口蒸氣溫度有所提高，而爐內(nèi)屏式過熱器出口蒸氣溫度則略降低。

3)模型和實爐運行結(jié)果顯示，摻燒少量污泥有利于改善CFB鍋爐物料循環(huán)性能，尾部煙道對流換熱增強而爐內(nèi)屏式過熱器傳熱系數(shù)有所降低。但總體上看，在較寬負(fù)荷范圍內(nèi)，當(dāng)污泥摻燒比例較低時，鍋爐蒸汽參數(shù)等變化較小，對整體運行性能影響有限。