水煤浆洁净燃烧技术在南海发电一厂的工程应用与分析
摘要:简要介绍了水煤浆的特点及其在广东南海发电一厂的应用,分析了水煤浆洁净燃烧技术的应用在减少SO2排放量及环境保护方面的意义。
关键词:水煤浆,洁净燃料,脱硫效果
水煤浆是一种清洁煤基燃料,它是用一定级配粒度的煤粉和一定量的水及极少量的添加剂混合而成。典型的水煤浆是由66% ～69%的煤粉、30%左右的水和约1%的添加剂组成,是比较经济、实用的煤代油清洁燃料,具有燃烧效率高、环境效益好等优点。广东南海发电一厂2 ×200MW 燃油锅炉汽轮发电机组,于2003年开始改造,新建2台670 t/h燃水煤浆、燃油两用锅炉,以取代原有的2 台670 t/h 燃油锅炉,这是目前国内最大的燃水煤浆锅炉。采用洁净煤燃烧技术,可在保证锅炉效率的同时,达到减排SO2 和烟尘、满足环保要求的目的,不仅符合国家能源政策,还改善了当地环境状况。
1 水煤浆的生产、储存和输送
南海洁能燃料有限公司水煤浆厂与南海发电一厂相距约4 km,以山东兖州煤矿和贵州省盘江煤矿所生产的洗精煤作为水煤浆生产原料。
水煤浆由运浆船经西江运至南海发电一厂码头,经安装在船上的输浆泵泵至电厂由原储油罐改造成的8座10 000m3 储浆罐储存,罐区泵房将水煤浆泵送至由原日用油罐改造成的2座1 000m3 日用浆罐,最后在炉前供浆泵房内的搅拌桶中经搅拌、滤浆后,泵送至锅炉燃用。
2 炉前供浆系统
2. 1 日用浆罐
在日用浆罐底部周边设3个出浆口和1个进浆口,进浆口与3个出浆口对称布置在同一平面的4 个象限点上。3个出浆口由圆心角为180°的环形管连接汇总到出浆总管道,再通往泵房内的搅拌桶。日用浆罐的进、出浆口均设在底部,是利用进、出浆时的流动搅拌作用,减少日用浆罐罐底的流动死角, 防止软沉淀。3个出浆口各设1台电动阀,依次定时轮换出浆,以保证罐内周边的煤浆都能定期得到流动或扰动;在出浆总管道上设1台电动调节阀,控制日用浆罐的出浆流量,以保持搅拌桶的正常液位。同时,为了防止水煤浆软沉淀,在日用浆罐的四周靠近底部设置4处压缩空气搅拌点,并在罐顶相应位置设药剂投放口。
2. 2 炉前供浆泵房
炉前供浆泵房内设有2套独立的供浆系统,分别向2台水煤浆锅炉供浆。每套供浆系统包括1台搅拌桶、3台输浆泵和4台滤浆器。2套供浆系统共用1套煤泥污水收集、泵送设备。
日用浆罐的水煤浆由管道自流进入炉前供浆泵房内的搅拌桶,经过搅拌降低粘度,再泵送到在线滤浆器过滤,除去混入煤浆中的大颗粒杂物后,汇入输浆母管,送往位于锅炉四角各标高的浆枪;同时,由滤浆器回流管排出少量煤浆,经带压固定筛自流回到搅拌桶。滤浆器的回流量由设在带压固定筛出口处的节流装置控制。
考虑到南海发电一厂锅炉的特点,为了防止泵紧急事故时突然停止供浆引发锅炉事故,每台锅炉的供浆泵设置为二用一备;同时考虑当某台泵发生突然掉闸等意外事故时,尽量实现“零切换”,确定选用单台流量能满足90m3 /h的螺杆泵,以备在这种情况下迅速提升供浆能力,在最短的时间内弥补供浆量的下降,防止事故的发生。
2. 3 输浆管道
输浆管道到达锅炉右侧墙处,在16. 0m标高设置操作检修平台,设供浆母管总阀门群,包括主通道阀门组和旁路通道阀门组,每组阀门均包括快速切断阀、电动调节阀和前后手动隔离阀。快速切断阀和电动调节阀由DCS系统控制。供浆母管总阀门群连接至炉前供浆管网。
2. 4 炉前供浆管网布置
炉前供浆管网的作用是向位于锅炉四角并分布于5个不同标高的20支喷枪供浆。设计采用4 + 1 母管供浆方案,即在锅炉四角对称布置4根向上的垂直母管,为1～4层16支浆枪供浆;布置于锅炉侧墙的一根垂直母管专供第5层的4支浆枪。20支浆枪前的供浆、清洗水管道均设快速三通阀和启闭阀,由DCS系统控制其转向或开闭。为了提高炉前供浆系统运行的可靠性,设1根从炉前供浆母管至供浆泵房搅拌桶的回流管。
3 煤泥污水的回收
为了处理煤泥污水,在厂区内的炉前供浆泵房和2座水煤浆锅炉之间各设1套污水收集桶和渣浆泵,分别收集炉前供浆泵房和炉前罐网的清洗污水, 通过渣浆泵将污水排放到设在厂外罐区的煤泥污水处理系统,进行处理或用泵扬至罐车送到水煤浆厂作为制浆原料。
在正常生产中,只有在切换输浆泵、滤浆器排渣和更换浆枪等情况下,才需要对相应设备进行清洗, 排出少量煤泥污水;若需要对较长的输浆管道或储浆罐等进行清洗,则会产生较多的煤泥污水。为此, 该系统设2座300m3 污水沉淀池进行交替使用,设 1座澄清水池和2台澄清水泵。澄清后的溢流水循环使用,不外排;沉淀后的煤泥采用人工清挖,供外销民用,以对环境污染进行有效的控制。
为了加速细粒煤泥的沉淀,提高澄清水质,设1 套凝絮剂加药装置,絮凝剂采用聚丙烯酰胺。该装置包括絮凝剂稀释搅拌桶和加药计量泵。加药点设在沉淀池煤泥污水入口处,絮凝剂随着流动的煤泥污水一起进入煤泥沉淀池。
4 燃用水煤浆减排SO2 的效果
对国内10余台燃用水煤浆(燃煤硫分0. 6% ～ 1. 87% )电站和工业锅炉进行的检测表明,在不添加脱硫剂的情况下,燃用水煤浆的锅炉烟气中SO2 质量浓度均在640mg/m3 以下,可满足我国2004年以前实施的《锅炉大气污染物排放标准》( GB 1371 - 2001)中规定的II时段900mg/m3 限值要求,但达不到2004年开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223 - 2003)中规定的400mg/m3 要求。从10台炉水煤浆用煤硫分数据可见,其中一部分燃煤硫分超过1. 8% ,这说明燃用水煤浆锅炉SO2 排放浓度低的原因,不仅仅是因为燃煤的硫分低,煤炭灰分中所含的碱性矿物质和水煤浆所含的水分也具有一定的脱硫功能。
但是,由于煤炭灰分中的碱性矿物质与硫分的摩尔比一般均小于1,因此,直接燃用常规水煤浆的脱硫效果还不够理想。工业试验表明,在水煤浆中适当添加脱硫物质,可以提高水煤浆燃烧时的脱硫效果。白杨河电厂和燕化三电站锅炉分别进行了水煤浆补加脱硫剂的试验,在制浆用煤硫分为0. 6% ～0. 65%的条件下,烟气中SO2 质量浓度为255～ 209mg/m3。试验结果表明,向水煤浆中补加脱硫剂,可进一步降低烟气中的SO2 排放浓度。
南海发电一厂所用水煤浆的硫分为0. 26% (折算为制浆用煤的硫分小于0. 4% ) ,低于白杨河和燕化电厂燃用水煤浆的含硫量,如果再向水煤浆中补加一定量的脱硫剂,应该可以达到40%以上的脱硫率和低于400mg/m3 的烟气SO2 排放标准。
5 水煤浆与原煤、重油比较
5. 1 水煤浆的优点
水煤浆是一种清洁燃料,与原煤、重油相比较主要具有以下优点:
(1)热效率高。一般中小锅炉燃煤的热效率约 60% ,燃用水煤浆则可达85%左右。实践表明,燃用水煤浆可节煤1 /3左右,减少了对环境的污染。
(2)燃料费用低。按热值计算,约2 t的水煤浆可代替1 t重油,但其价格却不到重油的1 /4,在同等热值的情况下,大大节约了燃料费用。
(3)具有一定的脱硫、脱氮效果。火焰中心温度比煤粉炉低100～150 ℃,以及炉内存在水蒸汽, 可减少NOx 的生成;水煤浆含有的水分和煤炭灰分中的碱性矿物质在燃烧时具有一定的脱硫效果。
(4)灰渣的二次污染少。与燃煤锅炉相比,燃水煤浆锅炉由于其燃烧效率和锅炉热效率的提高, 炉渣中的碳分由烧煤炭的13. 7%降到烧水煤浆的 0. 59% ,出渣量亦大幅减少,延长了除渣周期,节约了灰渣存贮场地,从而减少了灰渣的二次污染。
(5)环保和经济性兼备。与燃煤相比,燃用水煤浆可减少燃料的占地和输送环节。水煤浆密封运输,减少了散煤运输过程中的损失与污染,同时还节约了人力、物力及财力。
(6)安全性高。水煤浆是一种煤水混合物,其着火温度在800 ℃左右,在使用和储存时,具有更高的安全性,也减少了消防的投资和运行成本。
(7)烟囱无黑烟。燃用水煤浆锅炉的排烟接近水蒸汽,消除了燃煤锅炉运行时难以避免的“黑烟滚滚”,减少了对环境的污染。
5. 2 水煤浆的缺点
与原煤、重油比较,水煤浆也存在一些缺点,需要在应用中予以重视和改进:
(1)从水煤浆的性能来看,它适合长途运输。但是,由于水煤浆中含30%左右的水分,水的长距离运输则是一种经济浪费,因此,浆厂与电厂之间的距离要予以充分考虑。
(2)如果存放周期过长或浆液质量有问题,水煤浆有可能会在储罐、管道中沉淀,清通比较困难, 所以,储罐的机械搅拌设施及严格的管理措施是必要的。
(3)尽管水煤浆的含灰量比原煤少,但也存在结渣、积灰以及磨损等问题。到目前为止,该问题的解决方法还在探讨中。
6 结语
广东南海发电一厂2 ×200MW 燃水煤浆机组于2005年底正式运行以来,虽然存在一定的不足, 但是其经济效益和社会效益显著,对国内的水煤浆行业起到了有效的示范作用。如果水煤浆洁净燃烧技术能够在我国广泛应用,不仅能缓解国际原油紧张、价格飞速上涨所带来的压力,同时能有效地减少环境污染,而且能够充分地利用我国自身煤炭资源丰富的条件,达到良好的经济效益和社会效益。由此可见,水煤浆在我国的推广应用前景广阔。
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