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由式(1)显见,R90与wdaf(V)成正比。以福建无烟煤为例,其挥发分一般低于5%。相比于普通市政污泥,木屑污泥、印染污泥等一般工业污泥wdaf(V)较高。因此,这些污泥与福建无烟煤掺烧后,混合燃料挥发分升高,其可燃性相较于福建无烟煤增强。混合燃料相较于福建无烟煤较易燃尽,因此其粒径取值可偏大。
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CFB锅炉燃煤耦合污泥污染物排放研究分析
2.1 掺烧污泥对NOx、SOx生成和排放的影响
岳峻峰等认为,一般情况下,CFB锅炉掺烧污泥对NOx生成和排放影响有限。这是因为,可通过空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、污泥中可能含有的尿素或氨水、现有NOx脱除设备等措施控制NOx生成和排放。
同时,SOx尤其是SO2排放浓度受掺烧污泥后燃料硫分决定,生成的SO2也可能与灰中氧化物反应生成硫酸盐,因此,掺烧污泥对最终SO2排放浓度影响也不大。
李志伟在CFB试验台上开展了城市污泥与煤的焚烧试验,研究了过量空气系数对SO2、NOx排放特性的影响。结果表明,过量空气系数的增加导致N2O排放浓度和燃料氮向N2O转化率降低,NO排放浓度和燃料氮向NO转化率增加,燃料硫向SO2转化率上升。朱化军等研究表明:随着污泥掺烧量增大,CFB锅炉流化床密相区和稀相区的温度均明显下降;烟气中自由基O、OH、H的浓度降低,从而使得形成NO的最主要均相反应减弱,最终导致NOx排放浓度随着污泥掺烧量增大而下降。需要说明的是,在污泥投入炉内的瞬间,SO2、NOx瞬时排放较燃煤时高出许多,说明了较高挥发分的污泥对燃烧的促进作用。ZHAOZhenghui等研究表明:在煤粉与污泥混合燃烧的挥发分析出燃烧阶段,随着污泥掺烧比例增加,SO2释放量随之增加;但由于污泥灰分较高,同时灰分对含硫成分具有保留作用,焦炭燃烧阶段SO2释放受到抑制。这与文献有关煤粉与污泥燃烧初期SO2快速释放的研究成果一致。
总体而言,污泥掺烧对于SO2和NOx排放的影响有限。
2.2 掺烧污泥对二噁英的生成和排放的影响
童敏等研究表明,城市污泥中氯元素含量较高,掺烧污泥需考虑二噁英(PCDD/Fs)生成与排放问题。污泥中有机硫在燃烧环境中可将活性氯氧化成氯化氢;烟气中二噁英也较易吸附在飞灰颗粒上,并经除尘系统吸附捕集。一般而言,可以从燃料源头和燃烧中、燃烧后控制角度考虑污泥掺烧过程中二噁英的控制措施。
1)在燃料源头方面,可以选择掺烧含氯有机物低或不含氯元素的污泥。考虑到金属元素在高温燃烧过程中可能存在的对二噁英等污染物生成的催化作用,掺烧污泥种类也尽量选择金属含量低或者不含金属的污泥。
2)在燃烧中控制技术方面,需要对燃烧温度、停留时间、氧气供给量、烟气紊流等燃烧条件进行优化控制。若燃烧温度为850℃,则烟气停留时间至少保证2s以上;若燃烧温度为1000℃,则停留时间至少保证1s以上,以此来降低二噁英的生成和排放浓度。
3)在燃烧后控制方面,一种方式是快速降低尾部烟气在烟道停留时间或者实现烟气快速冷却。但受限于燃煤发电企业烟气量大等因素影响,烟气快速冷却操作难度较大。另一种方式是保证较高飞灰脱除率。因为飞灰可以为二噁英反应提供活性表面,所以采用电袋复合除尘器等高效除尘技术保证飞灰高效脱除也是控制污泥掺烧过程中二噁英生成与排放的有效方式。
2.3 掺烧污泥后的重金属排放问题
除SOx、NOx、二噁英外,污泥掺烧后重金属排放问题也需得到重视。
ZHANGShaorui等研究表明,随着污泥掺烧量的增加,烟气中重金属排放也明显增加。为满足国家有关重金属排放标准,污泥掺烧量应控制在10%以下;并且由于Cr、Ni、Cu和Pb等重金属浸出毒性的影响,除尘设备捕集的飞灰需进一步处置后才能进行填埋或再利用。M.HelenaLOPES等认为:与市政污泥的重金属含量相比,除尘设备底灰中重金属含量较高,但浸出毒性较低,这也为底灰的进一步利用提供了机会;然而,由于旋风分离设备中未燃尽碳的影响,该处灰样中汞含量较高,有关污泥掺烧后汞污染物控制需重点关注。
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CFB锅炉燃煤耦合污泥燃烧机理分析
研究表明,污泥中可燃成分主要是挥发分,固定碳含量较少。燃煤耦合污泥技术可借助煤中较高的固定碳含量促使混合燃料稳定持续燃烧,即混合试样燃烧速率主要取决于煤粉燃烧。在燃烧的低温阶段(约500℃以下),污泥着火方式可认为是均相燃烧;在高温段(高于500℃),燃烧方式应为多相燃烧。
不同污泥和煤粉掺烧比的试样的燃烧都可分为干燥脱水、挥发分等有机物析出和燃烧、高分子大沸点有机物分解燃烧、固定碳及残留物燃烧分解4个阶段,这与煤粉燃烧过程大致相同。其中,挥发分的析出与燃烧是燃烧的初始阶段,对燃料的着火、燃烧的稳定性及燃尽有着重要影响。一方面,挥发分析出使得燃料颗粒质量降低,挥发分燃烧又在气相加速了燃料的着火与燃烧,提高了燃烧反应前期的反应能力;另一方面,挥发分的析出与燃烧使得颗粒化学结构﹑表面形态及孔隙结构发生很大变化,影响了O2向颗粒表面和孔隙内扩散能力,改变了焦炭的反应能力和燃烧速率,提高了混合燃料的综合燃烧燃尽能力。
基于木屑污泥、印染污泥、市政污泥等挥发分较高的特性,将污泥与无烟煤或其他煤粉进行掺烧,充分利用混合燃料挥发分析出和燃烧释放的热量,有利于混合燃料的着火和燃尽。
4
CFB锅炉燃煤耦合污泥数值模拟
目前,CFB锅炉燃煤耦合污泥的整体数学模型基本可以分为两大类:
1)以设计CFB锅炉控制系统为主要目的,主要关注重要输入输出参数,通过系统辨识CFB锅炉动态过程的“控制模型”;
2)依据CFB燃烧理论、实验成果和经验公式,结合CFB床内流动、燃烧、传热等建立起来的“机理分析模型”,主要用于燃煤耦合污泥CFB锅炉结构设计优化与运行指导。
目前,涉及燃煤耦合污泥CFB锅炉固体物料破碎、磨损、燃烧、传热等系统过程的计算流体力学模型还未出现,已有的燃煤流化CFB锅炉计算流体力学数学模型也有待完善。
5
总结与建议
1)采用现有CFB锅炉技术,进行煤粉与城市污泥掺烧,相比于新建污泥焚烧炉具有投资省、成本低等优点。对城市污泥进行焚烧处理不但能回收能源,还能实现最大程度的减量化,是城市污泥最佳处置技术之一。
2)在CFB锅炉燃煤耦合污泥掺烧运行和设计过程中,需注意污泥水分、灰分对燃烧状况的影响,保证炉膛温度和燃烧的稳定性,避免由于污泥掺烧比例过大,烟气含水率和酸露点升高,引起尾部受热面低温腐蚀,污泥掺烧比例不宜大于30%。
3)根据污泥种类和污泥中硫、氮等元素含量变化,调整原有烟气污染物处理工艺参数,可保证污染物达标排放。调整炉膛燃烧温度、烟气停留时间和尾部烟气温度等运行参数变化,可避免由于污泥掺烧带来的二噁英生成与排放问题。加强对污泥的吹洗清理,可减少污泥输送和喷入过程中的粘结和板结。
4)为提高污泥焚烧技术的资源化利用程度,还需开展如污泥干化、灰渣中重金属含量、固化与回收,飞灰浸出毒性、制砖和水泥综合利用评价等研究工作。其中,污泥干化后废汽可通过密封管道与空气一同输入锅炉炉膛进行燃烧,废水经检测若无有害成分,可排入污水管网,否则需按照危险废物有关标准进行妥善处置。
文献信息
张自丽.循环流化床锅炉燃煤耦合污泥技术研究与展望.热力发电,2020,49(05):7-13.
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