高水分褐煤锅炉掺烧滇池淤泥的试验研究

高水分褐煤煤粉锅炉掺烧滇池淤泥的试验研究
摘要：在高水分褐煤煤粉锅炉上进行滇池淤泥的掺烧，最大掺烧质量比可达20%，该掺烧比例下，炉膛燃烧稳定，烟气中二噁英排放在检测限值以下，考虑到机组的特性，最优滇池淤泥掺烧质量比为12%。

试验表明：将高水分滇池淤泥与褐煤按适当比例在煤粉炉上进行混烧，在技术上是可行的，通过焚烧试验为滇池淤泥的在煤粉炉上进行减量化、无害化的焚烧处理方案提供了数据支持。

关键词：滇池淤泥焚烧高水分褐煤煤粉锅炉
1 引言
近几十年来，随着滇池流域社会和经济的发展，大量污水排入滇池，滇池水体受到严重污染，滇池流域水资源匮乏，水体滞留时间长（换水周期约3～5年），污染物质进出不平衡，大量融解并沉积在湖体中，加剧了滇池水污染和污染物在湖内的积淀，而沉积在湖底的污染物最终成为随时可能污染湖水的底泥内源。

为了控制滇池的内源污染，政府及相关部门对滇池淤泥开展了有计划的清淤疏挖，目前，滇池疏挖淤泥的处理方式是采用堆场长期堆存的方式，所选堆场均位于滇池岸边，作为滇池治理的附属产物滇池淤泥由于长年的累积，含有大量的有害物质：重金属、有毒、致病物质（表1-1为滇池污泥中金属含量），难以将淤泥作为堆肥处理，淤泥作为一个污染源长期堆存于滇池周边，潜在的有害性依然存在，污泥中的污染成份在一定的条件下，仍能通过各种途径回归滇池。

在成分构成上，淤泥主要由纤维素、脂肪类、蛋白质及糖类化合物组成，发热量较低，一些资料提到滇池淤泥的空干基低位发热量为7.27MJ/kg[1]，
表1-1滇池污泥中金属含量（干重，mg/kg）[2]
若将滇池淤泥进行稳定化、资源化、减量化、无害化处理，无疑与煤进行掺混焚烧发电是一条较优的技术路线。

2 国内外相关研究
国内对于城市污泥、污水厂污泥的热解、燃烧和重金属残留等均有相关研究工作，但对于湖泊淤泥的研究报道相对较少。

而对于焚烧方式而言，多采用回转窑、炉排炉、流化床等，极少有采用煤粉炉进行焚烧的报道。

国内芮新红、周强泰、张宁生等[3][4]对仪征化纤股份有限公司的220t/h锅炉进行了污泥的掺烧研究工作，在收到基地位发热量在18.29MJ/kg~20.93MJ/kg的烟煤锅炉上得到掺烧比例不宜超过2%的结论。

华电云南发电有限公司和浙江大学于2008年对滇池淤泥进行了在循环流化床锅炉上的焚烧试验[5]，发现含水率达到66%的淤泥与发热量达到22.35MJ/kg的烟煤能够维持稳定燃烧的掺烧比例是3：2。

同时，滇池淤泥在66%的含水率时，其热值仅能达到1.68MJ/kg。

3 焚烧试验
3.1 进行试验的锅炉系统：XXXXX#1锅炉是由俄罗斯引进专门燃用水分高达44%褐煤的锅炉，设计煤种发热量为8.332MJ/kg，锅炉配六套从俄罗斯引进的低压头大流量风扇磨制粉系统，采用5运1备的方式，2008年经过对制粉系统的优化改造后，锅炉能够在燃煤发热量大于7MJ/kg时达到额定出力，并能够在燃煤发热量大于6.2MJ/kg时保持稳燃，这样为焚烧一定比例的滇池淤泥奠定了良好基础。

3.2 滇池淤泥的处理流程：淤泥经清淤驳船从滇池底部抽出后，经过过滤、消化、调质等工序，进入压滤机压滤至水分低于60%后，运至电厂。

按照单台磨先进行掺烧再增加掺烧磨的台数并采用“炉外掺配、炉内混烧的方式”进行掺烧试验。

3.3 滇池淤泥特性：
采用瑞士METTLER生产的TGA/DSC-1型热重热差热流分析仪对柳苑堆场的淤泥进行分析实验，如图3-1所示，由滇池淤泥热重曲线分析可看出：当温度在140℃以下时，淤泥失重主要以水分蒸发为主，190℃至590℃失重以有机质的热解为主，热流密度为正，其中有机质热解在445℃左右达到峰值，590℃以上为无机质热解，热流密度为负。

图3-1滇池淤泥热重曲线
结合本次实验室分析结果与M.Otero、F.E.Ndaji等人的研究结果[6]进行比较分析，滇池淤泥热值低，掺烧滇池淤泥会降低燃煤的总发热量，在燃烧过程中起主要作用的还是褐煤，因此掺烧滇池淤泥不会改变燃烧的进程，其意义仅相当于燃烧更差的劣质褐煤。

并经多次淤泥取样后发现，在大规模处理淤泥的过程中，含水率43.4%的淤泥收到基低位发热量仅为1.39MJ/kg（空干基低位发电量为2.38MJ/k），较之前的研究发热量更低。

造成这样的结果是由以下几方面造成的：①随着滇池治理清淤工作的逐步展开，清淤的区域也有污染最严重的草海入海口向草海与外海向临的区域发展，滇池底部淤泥存在一定的变化；②小规模淤泥取样是淤泥在经过围堰等一定时间的沉淀分层后所取淤泥样，由于无机质普遍比有机质密度大，所以存在一定的分层，而如果取得的是含有机质较多的上层淤泥样，则会造成热值相对较高；③在大规模连续滇池清淤过程中，没有条件将淤泥中的有机质和无机质进行分离，因此，连续生产活动中的淤泥样热值一般相对较低。

例向锅炉中掺烧滇池淤泥，得到以下结果：①锅炉效率在上述掺烧比例时分别为：87.99%、87.76%、86.84%、85.02%、85.54%，如图1所示。

锅炉效率整体随滇池淤泥掺烧比例增加而下降，下降主要是由于燃料发热量降低以及飞灰、炉渣含碳量升高所致。

图1 锅炉效率随滇池淤泥掺烧比例的变化关系
②机组厂用电率在上述掺烧比例时分别为：9.33%、9.98%、10.67%、11.27%、14.54%，如图2所示。

机组厂用电率整体随滇池淤泥掺烧比例增加而增加。

③炉膛温度在上述掺烧比例时分别为：1057℃、1053℃、1066℃、1049℃、1057℃，如图3所示。

炉膛温度在滇池淤泥掺烧质量比例为4%~20%的范围内炉膛温度总体呈缓慢下降的趋势，但炉膛温度均能维持在1040℃以上，炉膛燃烧稳定。

3.5 焚烧滇池淤泥对燃料输送的影响：由于经压滤后的滇池淤泥属于强吸水性物质，同时淤泥颗粒度小，含大量有机质胶体，因此在滇池淤泥掺混到一定比例时，容易造成燃料的可输送能力下降，导致燃料输送系统和给煤系统的不稳定。

在试验过程中，当淤泥掺烧比为4%时，不会对燃料输送系统造成影响；当淤泥掺烧比为8%时，会出现极短暂的对输煤量下降波动，但不对锅炉出力造成影响；当淤泥掺烧比为12%时，会出现短时间的输煤困难，但基本不会对锅炉出力造成大的波动；当淤泥掺烧比为16%时，会出现部分磨煤机一段时间的输煤困难，可对机组负荷造成10MW的波动影响；当淤泥掺烧比为20%时，会出现相对频繁的磨煤机的输煤困难，可对机组负荷造成20MW以上的波动影响。

但由于滇池淤泥掺烧至20%时，所需的理论燃料量仍处于制粉系统的制粉出力范围，同时由于锅炉采用了切向引出轴流式煤粉浓缩器等强化燃烧手段，在燃料供应稳定时，机组仍能保证额定出力。

4 结论
通过在高水分褐煤煤粉锅炉上焚烧部分滇池淤泥的试验，证明了采用高参数大容量机组出力滇池淤泥在技术上具有可行性，但在焚烧过程中应注意以下几点：
4.1 虽然高水分褐煤煤粉锅炉对于燃料的适应范围较广，有利于焚烧相对高比例的滇池淤泥，但因注意滇池淤泥容易导致燃料的可输送能力的下降，因此，当淤泥水分在60%以下时，为保证机组出力的稳定性，应控制淤泥掺配比例不超过12%。

4.2 由于滇池淤泥属于一种高水分、高灰分、极低热值的物质，因此在逐步增加滇池淤泥掺混比例的过程中，锅炉效率逐步下降，机组厂用电率逐步增加，当掺混比例达到12%时，将增加供电煤耗约10.5g/kWh，增加发电燃料成本约2.84%。

参考文献
[1] 孙喆、何屏、李娟琴滇池淤泥与劣质褐煤混烧的热重试验研究热力发电2012年09期：36。

[2] 陈云增、杨浩、金峰等滇池沉积物金属污染及潜在生态风险研究土壤，2007,39（5）：737-741。

[3] 芮新红、周强泰、张宁生等煤粉锅炉掺污泥燃烧的计算分析江苏电机工程2003年11月第22卷第6期。

[4] 张宁生煤粉锅炉掺混污泥燃烧可行性分析东南大学硕士学位论文20030301。

[5] 循环流化床焚烧试验报告华电云南发电有限公司、中国华电工程（集团）有限公司、浙江大学热能工程研究所2008年6月.
[6] Otero M,Diez C,Calvo L F,etal.Analysis of the co-combustion ofsewage sludge and coal by TG-MS, Int J Biomass and Bioenergy,2002(22):319-329.。