李明明, 侯 波

(國(guó)能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司, 北京 100039)

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)、新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建、電力市場(chǎng)化改革的深入,以及能源保供壓力的增加,發(fā)電行業(yè)既有新的發(fā)展和機(jī)遇,又有新的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組向低碳化轉(zhuǎn)型,以及更大幅度地降低二氧化碳(CO2)排放的發(fā)展方向,這種方式不僅實(shí)現(xiàn)了污泥的“無(wú)害化、減量化、資源化”的處置原則,還減少了化石燃料的使用。

近年來(lái),各地對(duì)污泥造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和危害認(rèn)知不斷清晰,國(guó)家和地方的政策、法規(guī)、規(guī)劃陸續(xù)出臺(tái),正逐漸形成“泥水并重”的態(tài)勢(shì)[1],同時(shí)燃煤電廠協(xié)同污泥焚燒處置工藝得到了社會(huì)的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)已有多家電廠對(duì)40%含水率的污泥進(jìn)行了摻燒試驗(yàn),其中機(jī)組容量包括300 MW、600 MW、1 000 MW。但從燃煤電廠協(xié)同污泥焚燒處置的安全性考慮,燃煤電廠摻燒污泥對(duì)鍋爐的影響也應(yīng)得到重視和研究[2]。

筆者對(duì)承德、福州、常州的城市污泥進(jìn)行工業(yè)分析及元素分析,以常州某電廠2臺(tái)630 MW燃煤機(jī)組的鍋爐為對(duì)象,研究不同污泥摻燒比對(duì)受熱面磨損、結(jié)渣、沾污和腐蝕的影響。同時(shí),檢測(cè)摻燒6%的常州污泥后壁面還原性氣體含量的變化,進(jìn)而分析燃煤電廠協(xié)同污泥焚燒處置對(duì)鍋爐水冷壁高溫腐蝕的理論影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 機(jī)組概況及試驗(yàn)樣品

該電廠鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流燃煤鍋爐,型號(hào)為HG-1913/25.4-YM7,采用П形布置、螺旋水冷壁、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架全懸吊結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)煤種為煙煤,對(duì)承德、福州、常州的城市污泥分別進(jìn)行工業(yè)和元素分析(見(jiàn)表1),以及混合燃料灰成分分析(煙煤與不同比例污泥摻混,見(jiàn)表2),并且根據(jù)理論計(jì)算得出不同污泥摻燒比(2%、6%、10%,文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))下混合燃料的元素分析結(jié)果(見(jiàn)表3)[3]。

表1 城市污泥與設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果

表2 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混的灰成分分析

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)內(nèi)容

基于承德、福州、常州的城市污泥的工業(yè)分析、元素分析和混合燃料灰成分檢測(cè)結(jié)果,分析不同摻燒比對(duì)燃煤鍋爐受熱面結(jié)渣特性、沾污特性,以及積灰導(dǎo)致的腐蝕性能的影響。同時(shí),對(duì)摻燒污泥前后鍋爐爐膛、過(guò)熱器受熱面周邊的還原性氣體含量進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析摻燒污泥前后鍋爐受熱面受到還原性氣氛變化對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響。溫度和還原性氣體檢測(cè)位置見(jiàn)圖1。

圖1 溫度和還原性氣體檢測(cè)位置

2 結(jié)果與討論

2.1 受熱面磨損

鍋爐受熱面磨損主要發(fā)生在對(duì)流受熱面(過(guò)熱器對(duì)流受熱面、省煤器對(duì)流受熱面)。對(duì)流受熱面的磨損主要與煙氣流速和煙氣含灰量有關(guān),在其他條件相同的情況下,對(duì)流受熱面的磨損率與煙氣流速的三次方和煙氣含灰質(zhì)量濃度的一次方成正比。摻入污泥后對(duì)流受熱面磨損變化率的計(jì)算公式為:

(1)

式中:km為摻燒污泥后對(duì)流受熱面磨損變化率;v0、vc分別為未摻燒污泥和摻燒污泥后的煙氣流速;ρ0、ρc分別為未摻燒污泥和摻燒污泥后的煙氣含灰質(zhì)量濃度。

因?yàn)槲勰嘀械幕液扛哂诿?所以隨著污泥摻燒比的升高,飛灰量和爐渣量會(huì)相應(yīng)地增加,存在尾部后豎井煙道對(duì)流受熱面磨損加快的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)污泥、燃煤的檢測(cè)結(jié)果可以計(jì)算出燃料的單位煙氣容積,同時(shí)由于鍋爐的爐膛界面不變,燃料的煙氣流速比即為對(duì)應(yīng)的燃料單位煙氣容積比,因此可以定量計(jì)算出摻燒污泥后對(duì)流受熱面磨損率的變化情況。

表4為摻燒污泥前后的煙氣流速和含灰量(燃料單位煙氣容積以設(shè)計(jì)煤種為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算)。摻燒比在10%以內(nèi),隨著摻燒比的增加,煙氣量的增加幅度大于生成灰量的增加幅度,導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙氣含灰量隨著摻燒比的增加而減少。污泥摻燒比為10%時(shí),摻燒后對(duì)流受熱面磨損變化率增至未摻燒污泥時(shí)的1.021倍,增幅僅為2.1%。同時(shí),張全斌等[4]研究發(fā)現(xiàn)若污泥摻燒比不大于6%,鍋爐受熱面磨損變化率測(cè)算的增加幅度不超過(guò)4%。需要注意的是,計(jì)算時(shí)未考慮燃料熱值降低對(duì)鍋爐效率的影響,理論上當(dāng)80%含水率的污泥的摻燒比為10%時(shí),鍋爐效率最大降低約0.35%[5]。

表4 摻燒污泥前后的煙氣流速和含灰量

污泥摻燒比≤10%時(shí),煙氣流速略微增大,含灰量變小,總體考慮受熱面的磨損率增幅很小,因此在實(shí)際運(yùn)行中污泥摻燒對(duì)鍋爐受熱面的磨損可以忽略不計(jì)。

2.2 受熱面結(jié)渣和沾污

2.2.1 摻燒污泥對(duì)燃料結(jié)渣特性的影響

將3種城市污泥分別按照2%、6%、10%摻燒比摻混煙煤,得到摻混后燃料的結(jié)渣指數(shù)見(jiàn)表5,其中:結(jié)渣指數(shù)>1 343 ℃對(duì)應(yīng)不結(jié)渣;結(jié)渣指數(shù)為1 149～1 343 ℃對(duì)應(yīng)中等結(jié)渣;結(jié)渣指數(shù)<1 149 ℃對(duì)應(yīng)嚴(yán)重結(jié)渣。由表5可得:福州污泥結(jié)渣指數(shù)為1 202 ℃,為中等結(jié)渣;常州污泥、承德污泥和煙煤結(jié)渣指數(shù)均小于1 149 ℃,均屬于嚴(yán)重結(jié)渣。承德污泥在摻燒比為10%時(shí),混合燃料結(jié)渣等級(jí)為中等結(jié)渣;常州污泥在摻燒比為6%～10%時(shí),混合燃料結(jié)渣等級(jí)為中等結(jié)渣;福州污泥的添加未改變煙煤的結(jié)渣等級(jí),仍為嚴(yán)重結(jié)渣。由此可見(jiàn),某些城市的城市污泥結(jié)渣指數(shù)優(yōu)于煙煤,在煙煤中適當(dāng)摻燒城市污泥有可能優(yōu)化其結(jié)渣特性。

表5 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混結(jié)渣指數(shù)

2.2.2 摻燒污泥對(duì)燃料沾污特性的影響

將3種城市污泥按照摻燒比分別為2%、6%、10%摻混煙煤,得到摻混后燃料的沾污指數(shù)見(jiàn)表6,其中:沾污指數(shù)<0.2對(duì)應(yīng)輕微沾污;沾污指數(shù)為0.2～0.5對(duì)應(yīng)中等沾污;沾污指數(shù)為0.5～11.0對(duì)應(yīng)強(qiáng)沾污;沾污指數(shù)>11.0對(duì)應(yīng)嚴(yán)重沾污。3種污泥按照不同摻燒比進(jìn)行摻混后的燃料沾污指數(shù)均在4.0～5.0,相比于煙煤的沾污指數(shù)(5.07),其變化不大。對(duì)于不同摻燒比的混合燃料,其沾污指數(shù)隨污泥摻燒比的增大而減小,但是沾污指數(shù)總體上變化不明顯。

表6 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混沾污指數(shù)

混合燃料的沾污特性更接近于煙煤,這是因?yàn)榛旌先剂现形勰嗟膿綗容^小,對(duì)燃料的燃燒特性不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。多數(shù)煙煤均屬于嚴(yán)重沾污的燃料,某些城市的污泥的沾污指數(shù)優(yōu)于煙煤,在煙煤中適當(dāng)摻燒沾污指數(shù)較小的城市污泥可以降低其沾污特性。

2.2.3 摻燒污泥對(duì)受熱面的影響

針對(duì)常州電廠的燃煤鍋爐,在不同污泥摻燒比工況下對(duì)爐膛煙氣溫度和排煙溫度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果分別見(jiàn)表7。鍋爐在630 MW負(fù)荷的運(yùn)行條件下,摻燒比為6%時(shí),爐膛部分區(qū)域溫度略有降低,同時(shí)摻燒期間空氣預(yù)熱器出口排煙溫度均值為130 ℃(修正值),同工況下未摻燒污泥排煙溫度均值為129.2 ℃(修正值),摻燒污泥后排煙溫度升高不大于1 K,即表明摻燒污泥(摻燒比在6%以下)對(duì)鍋爐受熱面吸熱影響較小,可忽略不計(jì)。間接體現(xiàn)了電廠燃煤鍋爐在摻燒較少的城市污泥時(shí),對(duì)鍋爐受熱面結(jié)渣特性的和沾污特性的影響不大,可忽略不計(jì)。

表7 630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的爐膛煙氣溫度測(cè)量結(jié)果

2.3 受熱面腐蝕

鍋爐受熱面腐蝕分為管內(nèi)腐蝕和管外腐蝕,污泥摻燒過(guò)程主要影響管外腐蝕。管外腐蝕主要包括酸露點(diǎn)腐蝕、積灰導(dǎo)致的腐蝕、還原性氣氛腐蝕。

2.3.1 污泥摻燒對(duì)酸露點(diǎn)腐蝕的影響

鍋爐中燃料燃燒時(shí)會(huì)生成二氧化硫(SO2),其中少部分SO2在灰分和金屬氧化物等物質(zhì)的催化作用下生成三氧化硫(SO3),SO3與煙氣中的水分結(jié)合生成硫酸,硫酸在處于露點(diǎn)溫度以下的金屬表面凝結(jié)并腐蝕金屬。

摻燒比較低時(shí),混合燃料和煤中的含硫量相差很小,因此污泥摻燒對(duì)酸露點(diǎn)腐蝕的影響主要是污泥中的含水量較高,使煙氣中水蒸氣的分壓力和露點(diǎn)溫度發(fā)生變化。在鍋爐低負(fù)荷(440 MW)運(yùn)行條件下,研究污泥摻燒比分別為2%、6%、10%時(shí)混合燃料產(chǎn)生煙氣的露點(diǎn)溫度的變化(見(jiàn)表8)。雖然污泥中硫含量低于煤中硫含量,但由于摻燒污泥后混合燃料水分含量增加,混合燃料產(chǎn)生煙氣的露點(diǎn)溫度相應(yīng)提高。從表8可以看出:污泥摻燒比低于10%時(shí),煙氣酸露點(diǎn)溫度不會(huì)明顯提高,進(jìn)而不會(huì)對(duì)空氣預(yù)熱器造成酸露點(diǎn)腐蝕。

表8 污泥摻燒前后煙氣露點(diǎn)溫度的變化

2.3.2 污泥摻燒對(duì)積灰導(dǎo)致的腐蝕的影響

在高溫條件下,爐灰中的一些低熔點(diǎn)化合物凝結(jié)在鍋爐受熱面表面而形成熔融層,破壞了受熱面表面原有的氧化層保護(hù)膜,從而加速了鍋爐受熱面材料的氧化過(guò)程。積灰導(dǎo)致的腐蝕是過(guò)熱器和再熱器等高溫受熱面常見(jiàn)的腐蝕形式。

污泥和煤混合后,礦物質(zhì)的組成、含量發(fā)生變化,以及二者之間存在的相互影響、相互制約的作用,改變了混合燃料的灰熔融特性。此外,污泥與煤混合后燃燒生成的煤灰還可能生成共熔體,也會(huì)使混合樣品的灰熔點(diǎn)發(fā)生變化。對(duì)多種城市污泥及其摻混后燃料的灰熔融特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,以判斷污泥摻燒對(duì)受熱面積灰導(dǎo)致的腐蝕的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試,多種城市污泥與煤按照不同摻燒比進(jìn)行摻混后的燃料的灰熔融性及特征溫度見(jiàn)表9。

表9 多種城市污泥按不同比例與原煤摻混后的灰熔融性及特征溫度

由表9可得:當(dāng)污泥摻燒比不高于10%時(shí),隨著污泥摻燒比的增加,變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度4個(gè)特征溫度均未呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)。摻燒城市污泥在一定程度上提高了燃料的變形溫度和軟化溫度,改善了燃料的灰熔融特性。因此,適當(dāng)摻燒城市污泥不會(huì)惡化燃煤的灰熔融特性,甚至起到一定的改善作用,不會(huì)加劇過(guò)熱器和再熱器等高溫受熱面積灰導(dǎo)致的腐蝕。

2.3.3 污泥摻燒對(duì)還原性氣氛腐蝕的影響

當(dāng)鍋爐內(nèi)的燃料燃燒不充分時(shí),會(huì)形成還原性氣氛,進(jìn)而導(dǎo)致形成高溫硫酸化合物。這些硫酸化合物在高溫下氣化,遇到水冷壁鍋爐受熱面后在其表面液化,將鍋爐受熱面表面的氧化層保護(hù)膜溶解,從而使受熱面表面不斷受到氧化腐蝕。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)摻燒常州污泥并進(jìn)行檢測(cè),得到630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的壁面還原性氣氛含量測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)表10)。對(duì)于爐膛燃燒區(qū)(對(duì)應(yīng)5～6層測(cè)點(diǎn)位置),摻燒常州污泥后,氧氣(O2)含量降低,還原性氣氛含量略有增加;對(duì)于冷灰斗上部(4層測(cè)點(diǎn)位置),摻燒6%常州污泥后,貼壁區(qū)域的還原性氣體含量變化不大。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),鍋爐受熱面附近還原性氣氛的設(shè)計(jì)允許范圍一般為:在O2體積分?jǐn)?shù)大于1%的前提下,H2S體積分?jǐn)?shù)在200 μL/L以下或CO體積分?jǐn)?shù)在10 000 μL/L以下。摻燒污泥前后,4層及5層B2測(cè)點(diǎn)的還原性氣體含量均超出了經(jīng)驗(yàn)值,因此需要重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的還原性氣氛腐蝕的情況。

表10 630 MW工況下未摻燒污泥及摻燒比為6%的壁面還原性氣體測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

基于常州某電廠燃煤機(jī)組鍋爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)煤種(煙煤)分別按照不同摻燒比(2%、6%、10%)摻燒承德、福州、常州的城市污泥時(shí)的混合燃料參數(shù),理論結(jié)合試驗(yàn)分析了摻燒污泥對(duì)燃煤鍋爐受熱面磨損和酸露點(diǎn)腐蝕的影響,同時(shí)對(duì)摻燒6%常州污泥時(shí)的爐膛煙風(fēng)溫度、排煙溫度和燃煤鍋爐各部位還原性氣氛含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。具體的分析結(jié)果如下:

(1) 承德、福州、常州的城市污泥結(jié)渣指數(shù)優(yōu)于煙煤,污泥摻燒比低于10%時(shí),可以通過(guò)摻燒污泥優(yōu)化燃料的結(jié)渣特性,同時(shí)對(duì)污泥摻燒比為6%時(shí)的排煙溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),證明鍋爐在此摻燒比下運(yùn)行,其結(jié)渣特性和沾污特性受到的影響不大。

(2) 摻燒污泥后,煙氣流速略微增大,煙氣中含灰量減小,鍋爐對(duì)流受熱面計(jì)算磨損變化率的增加幅度很小。因此,在污泥摻燒比低于10%時(shí),摻燒污泥對(duì)鍋爐受熱面磨損的影響可以忽略不計(jì)。

(3) 在污泥摻燒比低于10%時(shí),摻燒城市污泥不會(huì)惡化燃料的灰熔融特性,同時(shí)可以起到一定的改善作用,不會(huì)加劇過(guò)熱器和再熱器等高溫受熱面積灰導(dǎo)致的腐蝕;根據(jù)實(shí)際檢測(cè),在常州污泥的摻燒比為6%時(shí),壁面還原性氣氛含量略有升高,但是上升幅度不大,除部分測(cè)點(diǎn)還原性氣體含量超過(guò)經(jīng)驗(yàn)值外,摻燒污泥對(duì)水冷壁高溫腐蝕的影響基本上在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。