石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)單耗分析及節(jié)能方向

溫武斌,魏書洲

(三河發(fā)電有限責(zé)任公司,北京 065201)

石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)單耗分析及節(jié)能方向

溫武斌,魏書洲

(三河發(fā)電有限責(zé)任公司,北京 065201)

建立了石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)單耗分析模型,以三河電廠 350MW機(jī)組為例,分析了脫硫系統(tǒng)單耗在各設(shè)備及系統(tǒng)的分布情況,探討濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的節(jié)能方向。

脫硫;單耗;節(jié)能

我國的環(huán)境污染非常嚴(yán)重,SO2排放是大氣污染的主要污染源之一。截至 2005年,我國 SO2的排放總量高居世界第一位。國家環(huán)?？偩謱?SO2總量控制列為中國“十一五”期間環(huán)境保護(hù)的主要目標(biāo),火電廠作為 SO2重點(diǎn)排放源,各種脫硫技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。綜觀國內(nèi)的火電脫硫市場,濕法脫硫以85%的市場占有率,成為電廠脫硫的主流技術(shù)。

雖然濕法脫硫以其技術(shù)成熟、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)成為脫硫市場的主流技術(shù),但其造價(jià)高,占地大,運(yùn)行維護(hù)成本高等缺點(diǎn)卻成為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一大負(fù)擔(dān),如何在履行社會(huì)責(zé)任的同時(shí),保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,是當(dāng)前的火電企業(yè)必須面臨的一個(gè)重要課題。

1 脫硫系統(tǒng)單耗的定義及構(gòu)成

為配合脫硫電價(jià),便于煙氣脫硫成本的計(jì)算,將每生產(chǎn) 1 kW·h電能所產(chǎn)生的煙氣處理成環(huán)保合格的煙氣的過程中所消耗的物料、能量和金錢,定為煙氣脫硫系統(tǒng)的單耗。根據(jù)石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)的特點(diǎn)和工藝流程,脫硫系統(tǒng)的單耗主要包括 4個(gè)部分:物料消耗 (脫硫劑和水的消耗)、能量附加單耗(主要是電能的消耗)、設(shè)備折舊附加單耗 (由設(shè)備折舊造成的附加單耗)和維護(hù)費(fèi)附加單耗 (包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、大修提存費(fèi)、保險(xiǎn)等)。

2 脫硫系統(tǒng)單耗分析模型的建立

典型的石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)分為 4個(gè)部分:煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、漿液制備系統(tǒng)和石膏脫水系統(tǒng)。有些濕法脫硫系統(tǒng)沒有設(shè)置 GGH,或者沒有濕式球磨機(jī)系統(tǒng),但是在進(jìn)行單耗計(jì)算的時(shí)候不會(huì)受到影響,只需按照實(shí)際工藝流程進(jìn)行計(jì)算即可。

2.1 物料單耗的計(jì)算

2.1.1 脫硫劑的消耗

濕法脫硫所用脫硫劑的種類很多,但是石灰、石灰石以其儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜、不易產(chǎn)生二次污染、脫硫產(chǎn)物便于綜合利用的優(yōu)勢,廣泛的應(yīng)用于濕法脫硫系統(tǒng),這里以石灰石為例計(jì)算脫硫劑的單耗,根據(jù)物料平衡關(guān)系可得:

式中:qv2滿負(fù)荷時(shí)脫硫系統(tǒng)入口煙氣流量,m3/h; ρSO2為煙氣中 SO2濃度,mg/m3;KCa/S為鈣硫比,常數(shù),濕法脫硫正常取 1.1;wCaCO3為石灰石原料中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ms為滿負(fù)荷運(yùn)行 1h消耗的石灰石原料,t/h。

2.1.2 工藝水消耗

脫硫系統(tǒng)工藝水的消耗主要包括:凈煙氣帶走的飽和水蒸汽;凈煙氣帶走的液滴;成品石膏帶走的水分;脫硫系統(tǒng)排放的廢水;設(shè)備冷卻用水;設(shè)備沖洗用水。其中,設(shè)備冷卻用水和設(shè)備沖洗用水最終均返回吸收塔得到重復(fù)利用,在計(jì)算水耗時(shí)可以不計(jì);成品石膏帶走的水分主要是石膏結(jié)晶水和未脫出的水分,按石膏質(zhì)量的 10%計(jì)算,水量很小;脫硫系統(tǒng)排放的廢水量受工藝水水質(zhì) (氯離子含量)的影響,但就1臺(tái)不大于 600MW的機(jī)組拉來說,廢水排放量一般不大于 15 t/h;凈煙氣帶走的液態(tài)水量根據(jù)除霧器的運(yùn)行效果有所不同,但按照除霧器出口煙氣含液態(tài)水量控制在 75mg/m3的要求, 300MW機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行 1 h帶走的液滴不超過 1 t;脫硫系統(tǒng)水耗的 85%以上是通過凈煙氣帶走的飽和水蒸汽的方式消耗掉的。

假設(shè)脫硫系統(tǒng)入口標(biāo)態(tài)干煙氣量為qv1,脫硫系統(tǒng)入口標(biāo)態(tài)干煙氣質(zhì)量為m0,脫硫系統(tǒng)入口標(biāo)態(tài)濕煙氣量為qv2,吸收塔出口煙氣溫度為t0,吸收塔出口濕煙氣壓力為p0=0.1Mpa,則有:

吸收塔出口煙氣攜帶的飽和水蒸汽量為:

煙氣從脫硫系統(tǒng)帶走的水蒸汽量為:

假定煙氣從脫硫系統(tǒng)帶走的水蒸汽量占系統(tǒng)水耗的 85%,則脫硫系統(tǒng)水耗為:

2.2 能量附加單耗的計(jì)算

脫硫系統(tǒng)能量的消耗主要體現(xiàn)在電能的消耗,脫硫系統(tǒng)的廠用電率是衡量一套脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo),脫硫系統(tǒng)電能的消耗可以通過各設(shè)備電能消耗的總和得出,由于有些設(shè)備不是連續(xù)運(yùn)行的,因此我們在這里引入一個(gè)有效運(yùn)行時(shí)間的概念,設(shè)某臺(tái)設(shè)備的實(shí)際功率為Pi,有效運(yùn)行時(shí)間為Ti,則該設(shè)備每小時(shí)耗電量為P’i=Pi×Ti,各設(shè)備總耗電量為:P’=P’1+P’2+∧+P’i,Ti可以根據(jù)物料的平衡關(guān)系來計(jì)算。例:

設(shè)球磨機(jī)出力為Wm(固體物干態(tài):t/h),則球磨機(jī)的有效運(yùn)行時(shí)間為:

2.3 設(shè)備折舊附加單耗的計(jì)算

假設(shè)脫硫系統(tǒng)初始投資值為Mz,系統(tǒng)全壽期為n(取決于機(jī)組的全壽期),系統(tǒng)凈殘值為Mc,采用直線折舊法計(jì)算年折舊費(fèi)為:

取機(jī)組年平均負(fù)荷率為η,機(jī)組裝機(jī)容量為P,則設(shè)備折舊附加單耗為:

2.4 運(yùn)行維護(hù)附加單耗的計(jì)算

假設(shè)脫硫系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)平均每年的維護(hù)費(fèi)用為Zw,則系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)附加單耗為:

上述的計(jì)算可知,濕法煙氣脫硫的成本應(yīng)為以上幾項(xiàng)單耗的總和,設(shè)脫硫劑的價(jià)格為x、工藝水的價(jià)格為y、發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為z、標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為v,把所有單耗折合成金錢則脫硫成本為:

2.5 邊界條件及誤差分析

2.5.1 邊界條件

本模型根據(jù)典型的濕法脫硫系統(tǒng)建立,適用于一切濕法、半干法煙氣脫硫系統(tǒng),不過在應(yīng)用時(shí)需根據(jù)工藝流程的實(shí)際情況做些許調(diào)整,如有些煙氣再熱裝置采用蒸汽、燃燒加熱等方式,那么脫硫成本中需考慮蒸汽產(chǎn)生費(fèi)用或燃油、燃?xì)獾荣M(fèi)用。在計(jì)算脫硫劑的消耗時(shí),也需要根據(jù)使用脫硫劑的種類進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)分析,找出相應(yīng)的物料平衡關(guān)系。

2.5.2 誤差及修正

(1)煙氣流量采用設(shè)計(jì)值,運(yùn)行中的數(shù)值可能與設(shè)計(jì)值有偏差,且此數(shù)值是一個(gè)不斷變化的值,在實(shí)際計(jì)算中,可以采用實(shí)際平均值加以修正。

(2)火電廠煙氣中 SO2質(zhì)量濃度和煙氣含水量的計(jì)算,可根據(jù)燃用煤種的變化以及電廠周圍環(huán)境的變化取實(shí)際平均值進(jìn)行修正。

(3)設(shè)備折舊費(fèi)的計(jì)算有很多種,不同算法所得到的設(shè)備每年的折舊費(fèi)可能有偏差,這里應(yīng)以財(cái)務(wù)核算的數(shù)據(jù)為準(zhǔn),對(duì)設(shè)備折舊費(fèi)進(jìn)行修正。

(4)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用里邊包含了運(yùn)行費(fèi)用、維修人員的人工成本以及脫硫系統(tǒng)大修提存費(fèi)等費(fèi)用,應(yīng)以財(cái)務(wù)核算的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

此模型所計(jì)算系統(tǒng)單耗,是以機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行為基礎(chǔ),但實(shí)際運(yùn)行中,煙氣流量和成分與負(fù)荷并不成正比,因此,此模型計(jì)算的結(jié)果只能反映一個(gè)長時(shí)間的平均值,不能用于某一時(shí)刻單耗的計(jì)算。

3 應(yīng)用實(shí)例

三河電廠一期煙氣脫硫改造工程,在已經(jīng)建成的2×350MW機(jī)組加裝煙氣脫硫裝置,采用石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù),一爐一塔,設(shè)置煙氣旁路和GGH,每臺(tái)機(jī)組單獨(dú)設(shè)置 1臺(tái)增壓風(fēng)機(jī),共用一套漿液制備系統(tǒng)和石膏脫水系統(tǒng),吸收劑的制備,采用購石灰石,廠內(nèi)制備漿液的方案。

表1 三河電廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 單耗的計(jì)算

系統(tǒng)單耗包括石灰石原料的消耗和工藝消耗兩部分。依據(jù)式(1)可計(jì)算出脫硫系統(tǒng)石灰石原料的消耗為 3.545 t/h。

據(jù)工藝水消耗分析,可計(jì)算出吸收塔出口處煙氣攜帶的飽和水蒸汽量為 201317.13 kg/h,由式(3)可知原煙氣中攜帶的水量為 78470.01 kg/h,由式(4)可計(jì)算出煙氣從脫硫系統(tǒng)帶走的水蒸汽量為122847.12 kg/h,則脫硫系統(tǒng)水耗為 144.53 t/h。

3.2 能量附加單耗的計(jì)算

脫硫系統(tǒng)能量的消耗主要是電能的消耗,可以通過系統(tǒng)各設(shè)備電能消耗的總和得出(見表 2)。

表 2 各耗電設(shè)備功率及每小時(shí)有效運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表的統(tǒng)計(jì),機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行 1 h,脫硫系統(tǒng)所消耗的電能為:

3.3 設(shè)備折舊附加單耗的計(jì)算

三河電廠一期 2×350MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)初始投資總值為 21983萬元,凈殘值為 0,系統(tǒng)全壽期為n=20年,則由式 (7)計(jì)算得每年脫硫系統(tǒng)的折舊費(fèi)為 549.57萬元。

由式(8)計(jì)算可得脫硫系統(tǒng)設(shè)備折舊附加單耗為 0.00285元/(kW·h)。

3.4 設(shè)備維護(hù)附加單耗的計(jì)算

根據(jù)三河電廠脫硫系統(tǒng)投產(chǎn)兩年來的實(shí)踐情況統(tǒng)計(jì),平均每年用于一期脫硫系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用約為820萬元,則由式(9)計(jì)算得系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)附加單耗為 0.00212元/(kW·h)

3.5 脫硫單耗及分布情況

三河電廠采購脫硫劑 (石灰石)的價(jià)格為 137元/t、地下水的價(jià)格為 4.1元/t,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為311 g/(kW·h),標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為 550元/t,由式 (10)計(jì)算可得三河電廠脫硫單耗為 0.01016元/(kW·h),其組成分布情況見表 3。

表3 三河電廠脫硫系統(tǒng)單耗分布

從表 1可以看出,在脫硫系統(tǒng)單耗中,設(shè)備折舊占 27%,維護(hù)費(fèi)用和電費(fèi)各占 21%,工藝水消耗和石灰石消耗分別占17%和14%。

4 濕法脫硫系統(tǒng)節(jié)能方向

從三河電廠脫硫系統(tǒng)單耗分析情況來看,相對(duì)于 0.015元/h的脫硫電價(jià)政策,濕法脫硫還具有一定的利潤空間,但就目前的脫硫系統(tǒng)基建和運(yùn)行水平,脫硫系統(tǒng)的節(jié)能潛力還不容忽視,根據(jù)單耗的分布情況,脫硫系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)從工藝水消耗、石灰石純度、設(shè)備維護(hù)等幾個(gè)方面入手。

4.1 設(shè)備折舊費(fèi)

設(shè)備折舊費(fèi)用在脫硫單耗中所占比重首屈一指,因此應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)工程造價(jià)控制,在基建期間就為降低脫硫運(yùn)營成本創(chuàng)造有利條件,但是節(jié)約造價(jià)并不等同于降低工程質(zhì)量,在國內(nèi)脫硫技術(shù)日益成熟的情況下,適當(dāng)加大設(shè)備國產(chǎn)化程度是降低脫硫系統(tǒng)工程造價(jià)的一個(gè)重要途徑。

4.2 廠用電

廠用電消耗在脫硫系統(tǒng)單耗中所占比例較為突出,而在脫硫系統(tǒng)廠用電的消耗中,增壓風(fēng)機(jī)的電耗最大,占整個(gè)脫硫系統(tǒng)電耗的 50%以上,其次是漿液循環(huán)泵,電耗占 20%以上,這兩大設(shè)備的電能消耗占著個(gè)脫硫系統(tǒng)的 80%以上,因此減少增壓風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等的耗電量是降低脫硫系統(tǒng)單耗的重要途徑之一。

4.3 設(shè)備維護(hù)費(fèi)

設(shè)備維護(hù)費(fèi)用在脫硫系統(tǒng)單耗中所占比例僅次于設(shè)備折舊費(fèi),這里面存在很大的節(jié)約空間,一方面要加強(qiáng)設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)化治理,提高設(shè)備和系統(tǒng)的健康水平。另一方面,要推進(jìn)備件材料的國產(chǎn)化進(jìn)程,降低維護(hù)成本。

4.4 工藝水

保證除霧器的運(yùn)行效果,做好工藝水系統(tǒng)的循環(huán)利用,節(jié)省系統(tǒng)工藝水的消耗。

4.5 石灰石純度

在燃用煤種一定的前提下,脫硫系統(tǒng)石灰石消耗量只與鈣硫比和石灰石原料的純度有關(guān),提高石灰石原料的純度,在保證脫硫效率的前提下選擇較小的鈣硫比,可有效降低系統(tǒng)原料消耗。

5 結(jié)語

通過對(duì)典型的濕法脫硫系統(tǒng)的單耗分析,從整體上闡述了濕法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能方向,在各工程實(shí)踐中可采取相應(yīng)的具體措施,如在環(huán)保要求相對(duì)寬松的地區(qū),脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮取消 GGH來低增壓風(fēng)機(jī)電耗等,使脫硫系統(tǒng)節(jié)能降耗真正落到實(shí)處。

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Analysis of limestone/gypsum WFGD system consumption and energy-saving

The unit consump tion analysis model of l imestone-gyp sum W FGD system was established.Taking the unit consumption analysis of Sanhe Power Plant 350MW units fo r example,the distribut ion of unit consumption was analyzed.The energy saving direction ofW FGD system was pointed out.

desulfurization;unit consumption;energy saving

X701.3

B

1674-8069(2011)03-053-04

2010-10-16;

2011-04-21

溫武斌 (1972-),男,河北張家口人,總工程師,主要從事電廠管理工作。E-mail:040207@ghepc.com