CFB鍋爐兩級脫硫系統(tǒng)的技術經濟性分析及優(yōu)化

祝云飛，閻維平，王禹朋，張小玲，馬飛

(1.華北電力大學能源與動力工程學院，河北省 保定市071003；2.山西京玉發(fā)電有限責任公司，山西省 朔州市 036000)

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CFB鍋爐兩級脫硫系統(tǒng)的技術經濟性分析及優(yōu)化

祝云飛1，閻維平1，王禹朋1，張小玲1，馬飛2

(1.華北電力大學能源與動力工程學院，河北省 保定市071003；2.山西京玉發(fā)電有限責任公司，山西省 朔州市 036000)

為了降低循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐的SO2排放以符合日益嚴格的排放標準，針對在CFB鍋爐爐內石灰石脫硫與石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(flue gas desulfurization，FGD)裝置的兩級脫硫系統(tǒng)，依托某臺已配置兩級脫硫系統(tǒng)的300 MW CFB發(fā)電機組的設備投資、運行成本等數據，分析了SO2排放限值、原煤含硫量、機組負荷、年有效運行時間和脫硫設備初投資對CFB-FGD兩級強化脫硫系統(tǒng)經濟性的影響，得出爐內外合理的脫硫份額方案。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐；兩級強化脫硫；脫硫份額；爐內脫硫；煙氣脫硫

0 引 言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)爐內脫硫系統(tǒng)投資費用低、占地面積小、系統(tǒng)流程簡單，但石灰石消耗大，脫硫效率低，排放濃度較高，目前國內大部分300 MW CFB鍋爐的SO2排放指標已不能滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定的100 mg/m3排放限值。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(flue gas desulfurization，FGD)是一種比較成熟的脫硫技術，能在較低鈣硫摩爾比的條件下實現高效脫硫但初投資大，運行費用較高[1-2]。為進一步降低SO2濃度以滿足排放標準，可在CFB后串接FGD裝置，這會導致脫硫初投資和運行費用的增加[3]。因此，如何配置、合理分配兩級脫硫份額，需要考慮多面因素的經濟性分析與優(yōu)化。

在深度脫硫技術研究方面，陶佩軍等[4]提出高含硫量石油焦CFB鍋爐“CFB-FGD 聯合脫硫”，談琪英等[5]提出“CFB-爐后煙氣CFB法”、“CFB-爐后石灰石石膏濕法煙氣脫硫”，但對于該技術經濟性等方面尚缺乏詳細的分析與研究。李樹林等[6]對“CFB-FGD聯合脫硫”進行了經濟性分析但未考慮設備初投資的影響和系統(tǒng)配置。

山西某發(fā)電廠2×300 MW CFB鍋爐設計有2套CFB-FGD兩級強化脫硫系統(tǒng)。鍋爐運行燃用原煤含硫量為1.5%～2.3%，運行負荷在230～280 MW，年有效運行時間為5 000 h左右，CFB爐內鈣硫摩爾比為1.6～2.4，脫硫效率為75%～85%，SO2出口濃度為900～2 000 mg/m3。FGD系統(tǒng)脫硫率大于90%，SO2排放濃度為35～85 mg/m3。文章結合其實際運行試驗數據，建立套計算模型，分析各方面影響因素，得出合理的分配份額和合理的系統(tǒng)配置，可為CFB火電機組強化脫硫工程提供參考依據。

1 計算模型

脫硫裝置的總成本費用由生產成本和財務費用構成。生產成本主要包括生產期間的物資消耗(脫硫劑消耗、水耗、電耗、蒸汽消耗等)、人工費、修理費、運營管理費、保險費、固定資產折舊費等。財務費用主要包括長期貸款利息、短期貸款利息和流動資金貸款利息等[7]。(文中部分費用采用了山西當地的社會平均水平的費用數據)。

1.1 CFB爐內脫硫成本計算

1.1.1 爐內石灰石費用

以爐內鈣硫摩爾比為自變量，求出燃煤產生的SO2總量即能得出石灰石耗量。爐內石灰石實際費用為

(1)

式中：K為燃煤中的含硫量燃燒后氧化成SO2的份額，對于煤粉爐K為0.85～0.9，對于本文所研究的CFB鍋爐K=0.9[8]；Bj為機組耗煤量；Asar為煤矸石收到基硫分；ηCa/S為爐內鈣硫摩爾比率；ηCaCO3為石灰石純度，取85%；U1為石灰石單價，取54 元/t；H為機組年有效運行時間，取5 500 h。

1.1.2 運行耗電費用

運行耗電包括：石灰石制備車間耗電，假設石灰石制粉車間設備運行期間均是滿負荷運行，電機總額定功率為500 kW，產石灰40 t/h；空壓機耗電，空壓機功率為373 kW，生產壓縮空氣71.4 m3/min。則運行耗電費用為

(2)

式中：BCaCO3為爐內石灰石耗量；U2為電廠上網電價(根據《山西省物價局關于調整我省部分發(fā)電企業(yè)上網電價有關問題的通知》按0.370 7 元/(kW·h)計算)；α為壓縮空氣系數取1.92[7]。

1.1.3 運輸費用

石灰石運罐車和裝載車年消耗柴油費V3按3 000 L/月計算[7]。

1.1.4 鍋爐熱損失折算耗煤費用

鍋爐的熱效率與沒投入石灰石的時候比較略有下降，這部分能耗損失可以折算成耗煤進行費用計算[9]。鍋爐熱損失折算耗煤費用為

(3)

式中：Δη為鍋爐熱損失；η為鍋爐熱效率取設計值90.6%；U4為煤矸石單價，取180元/t。

1.1.5 設備初投資及其他費用

初投資費用為鍋爐爐內脫硫增加的設備投資費用，約1 000 萬元。折舊年限為15年，固定資產形成率為95%，折舊費用為63.3萬元。假定每臺機組增加運行人員1人，每人年均工資6萬元，人工費用為6 萬元/a；維修費用按增加投資的3%計算；財務費用按折舊費用×(7.5/22.7)[10]來計算。

1.2 FGD爐外脫硫成本計算

1.2.1 石灰石費用

圖1 爐內鈣硫摩爾比與脫硫效率的關系Fig.1 Relationship between Ca/S ratio in furnace and the desulfurization efficiency

因此，可以根據排放限值求出FGD爐外脫硫效率為

(4)

式中：CSO2為原煙氣SO2濃度；C為排放限值。

則FGD實際石灰石費用為

(5)

圖2 FGD爐外鈣硫摩爾比與脫硫效率的關系Fig.2 Relationship between Ca/S ratio out of FGD and desulfurization efficiency

1.2.2 運行耗電費用

圖3 FGD入口處SO2濃度與耗電量的關系Fig.3 Relationship between SO2 density in enter of FGD and power consumption

則FGD爐外脫硫運行耗電費用為

(6)

1.2.3 用水費用

脫硫系統(tǒng)各耗水點主要包括了煙氣帶走的水蒸氣、煙氣攜帶液態(tài)水、石膏帶走的水量以及排放的廢水這4個部分。通過對脫硫各個水耗點的分析可知，影響脫硫水耗的因素有很多，主要包括機組燃煤品質、煙氣流量和煙氣溫度等[7]。則用水費用為

(7)

1.2.4 石膏收益

FGD爐外脫硫的工業(yè)副產是石膏其主要成分是結晶硫酸鈣含水率一般為 10%～20%。脫硫石膏的利用途徑很廣泛，如水泥、建筑等領域都有應用，尤其在新型建筑材料方面，石膏制品有著特殊的地位[12]。FGD爐外脫硫的石膏收益為

(8)

1.2.5 設備初投資及其他費用

初投資費用按2×300 MW機組整個工程靜態(tài)總投資估算(按總承包方式)，脫硫裝置靜態(tài)總投資(含脫硫塔前的除塵器及煙囪防腐費用)為

FFGD=J×G×10-1

(9)

式中：J為單位造價，取280～330元/kW；G為機組容量。

脫硫裝置折舊年限為15年，固定資產形成率為95%，則折舊費用為

(10)

式中n為設備使用年數。

假定每臺機組增加運行人員10人，每人年均工資6萬元，人工費用為60 萬元/a；維修費用按增加投資的3%計算；財務費用按折舊費用×(7.5/22.7)[10]來計算。

2 計算結果分析

2.1 排放限值對脫硫成本的影響

在日益嚴峻的環(huán)境污染，火電廠排放標準也日益嚴格，因此研究排放限值的影響有著一定的現實意義。以收到基硫分Asar=2%，機組負荷為300 MW，年有效運行時間為H=5 500 h，分別按照排放限值為35、100、200 mg/m3進行計算，得到脫硫成本及脫硫分配比例如圖4、5所示。

由圖4可知：排放限值越小脫硫成本越高，脫硫成本都隨ηca/s的增加呈現出先下降后上升然后又下降的趨勢。當ηca/s<1.3時，FGD爐外脫硫效率要不小于96%才能達到排放限值，運行耗電、耗水比較大造成脫硫成本較高；而當ηca/s>1.5時，脫硫成本增加速度較快，因爐內需要投加大量的石灰石從而增加了脫硫成本；當ηca/s>2.7時，由于爐內完成了大部分脫硫任務，考慮到FGD設備初投資會降低，因而整體脫硫成本會有所下降。在排放限值35、100、200 mg/m3時，其爐內最佳爐內鈣硫摩爾比分別為1.22、1.52、1.4。

圖4 爐內鈣硫摩爾比在不同排放限值下對脫硫成本的影響Fig.4 Influence of furnace’s Ca/S ratio in different emission limits on desulferization costs

圖5 CFB-FGD脫硫分配比例Fig.5 Desulfurization distribution ratio of CFB-FGD

由圖5可知：當排放限值分別為35、100、200 mg/m3時，爐內外脫硫最佳份額為64.8∶35.2、73.6∶26.4、77.1∶22.9，對應的最低脫硫成本分別為0.016 9、0.016 3、0.015 8 元/(kW·h)。

2.2 原煤含硫量對脫硫成本的影響

CFB鍋爐具有許多煤粉爐沒有的優(yōu)勢，其中之一就是CFB鍋爐有很強的燃料適應性，目前投入商業(yè)運行的CFB鍋爐所用燃料有各種煤、煤矸石、石油焦、生物質、市政垃圾、廢紙液等。因此研究不同煤質硫分對脫硫成本的影響有著廣泛的意義。以機組負荷為300 MW，排放限值為100 mg/m3，年有效運行時間H=5 500 h為例，分別按Asar為2.5%、2%、1.5%進行計算，得到脫硫成本及脫硫分配比例如圖6、7所示。

由圖6可知：Asar=2.5%時，脫硫成本隨ηca/s的增加呈現出先下降后上升的趨勢；Asar為2%和1.5%時，呈現出先平緩后加速上升的趨勢。對于3種硫分，當ηca/s大于1.5時，爐內投入的石灰石成了影響脫硫成本的主要因素，因而脫硫成本加速上升。其最佳ηca/s分別在1.22，1.52，1.52。由圖7可知爐內爐外脫硫最佳比例為：68.7∶31.3，72.1∶27.9，76.8∶23.2；對應的最低脫硫成本分別為0.017 6，0.016 3，0.014 7 元/(kW·h)；煤質硫分越高脫硫成本越高。

圖6 爐內鈣硫摩爾比在不同硫分下對脫硫成本的影響Fig.6 Influence of furnace’s Ca/S ratio in different sulfur on desulferization costs

圖7 CFB-FGD脫硫分配比例Fig.7 Desulfurization distribution ratio of CFB-FGD

2.3 年有效運行時間對脫硫成本的影響

火電廠機組有效運行時間直接關系到火電廠的經濟效益，因此研究年有效運行時間對脫硫成本的影響具有一定的意義。以機組負荷為300 MW，收到基硫分Asar=2%，SO2排放限值為100 mg/m3，分別對年有效運行時間為5 500，5 000，4 500 h進行計算，得到脫硫成本及脫硫分配比例如圖8所示。

由圖8可知：年有效運行時間越長脫硫成本越低。年有效運行時間為5 500，5 000，4 500 h這3種情況下，脫硫成本都隨ηca/s的增加呈現出先下降然后上升最后趨于下降的趨勢。當年有效運行時間作為唯一變量時，其他的運行工況相同，故最佳爐內鈣硫摩爾比都為1.46；爐內爐外脫硫最佳比例都為76.5∶23.5；對應的最低脫硫成本分別為0.016 3，0.016 9，0.017 7 元/(kW·h)。

圖8 爐內鈣硫摩爾比在不同運行時間下對脫硫成本的影響Fig.8 Influence of furnace’s Ca/S ratio in different running time on desulferization costs

3 結 論

(1)在額定負荷300 MW，Asar=2%的情況下，排放限額越小脫硫成本越高，排放限額為35，100，200 mg/m3時爐內外最佳份額分別為64.8∶35.2，73.6∶26.4，77.1∶22.9；年有效運行時間為5 500，5 000，4 500 h時爐內外最佳份額都為76.5∶23.5，但最低脫硫成本分別為0.017 7，0.016 9，0.016 3元/(kW·h)。

(2)原煤含硫量對脫硫成本影響較大，在Asar分別為2.5%，2%，1.5%情況下，爐內外脫硫最佳份額分別為68.7∶31.3，72.1∶27.9，76.8∶23.2。含硫量越高時，FGD的脫硫份額越高，其原因是可以降低脫除每千克SO2初投資，且適當增加FGD脫硫份額可以大量減少CFB的石灰石用量而此時FGD的石灰粉用量、運行水費和電費增加并不大，故可以降低脫除每千克SO2運行成本。

(3)在考慮設備初投資影響時，根據爐內外脫硫份額進行估算，得到不同設計工況下相應的初投資費用。例如燃用低硫分煤，爐內可增加脫硫份額，減少爐外份額，在設計FGD系統(tǒng)時可以減小工程規(guī)模，在保證設備可靠情況下造價可以減少240～280 元/kW。

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(編輯：蔣毅恒)

Technical Economic Analysis and Optimization of Two-Stage Desulfurization System for CFB Boiler

ZHU Yunfei1， YAN Weiping1， WANG Yupeng1， ZHANG Xiaoling1， MA Fei2

(1. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China;2. Shanxi Jingyu Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036000, Shanxi Province, China)

To reduce the emissions of SO2from the circulating fluidized bed (CFB) boiler to meet the increasingly stringent emission standards, this paper focused on the two-stage desulfurization system including the limestone desulfurization in the furnace of CFB boiler and the wet limestone-gypsum flue gas desulfurization (FGD). Relying on the investment equipment and operating costs in a 300 MW CFB unit with two-stage desulfurization system, this paper analyzed the impact of SO2emission limits, sulfur content in coal, unit load, initial investment in desulfurization equipment and annual effective performance time on the economy of CFB-FGD two-stage intensified desulfurization system, finally obtained a reasonable scheme of desulfurization share.

circulating fluidized bed(CFB) boiler; two-stage intensified desulfurization; desulfurization share; furnace desulfurization; flue gas desulfurization

TK 224; X 701.3

A

1000-7229(2015)06-0109-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.018

2015-03-18

2015-04-28

祝云飛(1990)，男，碩士，主要從事火力發(fā)電廠脫硫技術方面的研究工作；

閻維平(1955)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事火力發(fā)電廠熱能動力方面的工作；

王禹朋(1990)，男，碩士，主要從分布式能源系統(tǒng)的研究工作；

張小玲(1989)女，碩士，主要從事高效潔凈煤發(fā)電技術研究工作；

馬飛(1989)男，本科，山西京玉發(fā)電有限責任公司職員。