廢水零排放條件下煤炭運(yùn)輸防凍劑的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

杭智軍，王玉超，于 坤，陳建鵬，孫 剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013; 3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;4.神東煤炭集團(tuán)公司 榆家梁選煤廠，陜西 榆林 719315)

0 引 言

據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)公布數(shù)據(jù)，2019年我國火電發(fā)電量5.05萬億kW·h，占全年發(fā)電量的69%。電力行業(yè)是燃煤消耗的主體，煤炭的大量燃燒所產(chǎn)生的SO2等污染物是我國大氣環(huán)境的主要污染源[1]。目前，主要的脫硫技術(shù)有濕法、半干法及干法等脫硫技術(shù)，而石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)具有脫硫效率優(yōu)異、技術(shù)成熟、吸收劑來源廣泛和對(duì)水質(zhì)變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國燃煤電廠最主流的脫硫工藝[2]。

氯是煤中常見有害元素之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤中氯元素含量整體較低，平均為0.020%，主要為低氯煤和特低氯煤。然而，由于冬季煤炭運(yùn)輸防凍需要，氯化鈣防凍劑的使用，使煤中氯含量提升數(shù)倍，甚至數(shù)十倍[4]。據(jù)報(bào)道，經(jīng)燃燒煤中90%以上的氯元素以HCl的形式轉(zhuǎn)移到燃煤煙氣中[5]，而最終77.3%的氯元素轉(zhuǎn)移至脫硫廢水中且在此富集[6]，Cl-含量的不斷升高，引起管道腐蝕嚴(yán)重[7]，同時(shí)會(huì)影響脫硫效率及脫硫石膏的品質(zhì)[8]，故脫硫漿液中氯離子質(zhì)量濃度(氯度)通常被作為漿液外排的指標(biāo)，其極限水平在10 000 mg/L～20 000 mg/L之間。為了保持Cl-含量的穩(wěn)定，需要定期排出脫硫塔內(nèi)的水，導(dǎo)致脫硫廢水增加，由于氯離子難以去除，脫硫廢水是燃煤電廠最難治理的末端廢水，若直接排放將污染水域及農(nóng)田。

根據(jù)我國煤中氯含量低與冬季氯化鈣防凍劑的使用特征，以及出口煤對(duì)煤中氯含量的嚴(yán)格控制(日本：Cld<0.02%；韓國：Cld≤0.025%)，故急需開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性的無氯煤炭運(yùn)輸防凍劑。煤科院開發(fā)的環(huán)保型煤炭運(yùn)輸防凍劑(環(huán)保型防凍劑)[4]在國家能源集團(tuán)神東公司日本出口煤運(yùn)輸防凍中已連續(xù)使用3年，筆者主要對(duì)環(huán)保型防凍劑與氯化鈣防凍劑進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)廢水零排放條件下煤炭運(yùn)輸防凍劑的選擇對(duì)燃煤電廠的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1 脫硫廢水零排放技術(shù)

2 煤炭運(yùn)輸防凍劑對(duì)比

2.1 氯化鈣防凍劑

CaCl2·H2O是1種白色、灰白色或稍帶黃色結(jié)晶，味苦而澀，潮解性強(qiáng)，熔點(diǎn)為772 ℃，相對(duì)密度為1.835，氯含量約48.30%，溶于水后具有一定的腐蝕性，但其溶于水后可以顯著降低水溶液的凝固點(diǎn)，且不同濃度的氯化鈣溶液具有不同凝固點(diǎn)，目前廣泛地用于煤炭冬季鐵路運(yùn)輸防凍領(lǐng)域。

2.2 環(huán)保型防凍劑

環(huán)保型防凍劑是煤科院開發(fā)的1種有機(jī)無機(jī)復(fù)合防凍劑，不含N、S及P等煤中有害元素，主要含有C、H、O等有機(jī)元素，其含量約74.83%，可以隨煤炭直接燃燒，不產(chǎn)生二次污染。環(huán)保型防凍劑具有優(yōu)異的防凍性能，且氯含量低于100 μg/g，具有出色的緩釋性能，可以有效降低甚至避免防凍劑對(duì)噴灑及鐵路運(yùn)輸設(shè)備的腐蝕。

3 應(yīng)用實(shí)例

以神東煤炭集團(tuán)煤炭運(yùn)輸防凍的需求為例，根據(jù)最新的氯化鈣防凍液噴灑量，依據(jù)鐵路沿線氣溫在0 ℃～-30 ℃、每節(jié)車廂的防凍液噴灑量為0.04 t～0.24 t、防凍液的配液濃度即二水氯化鈣與水質(zhì)量比為0.7∶1，選擇列車車型為C70，每節(jié)車廂防凍液平均噴灑量按0.14 t計(jì)算，可知防凍劑對(duì)煤中氯含量的貢獻(xiàn)率為0.04%，超出了出口煤對(duì)氯含量的控制。

由于日本客戶對(duì)煤中氯含量的嚴(yán)格要求，自2017—2019年冬季，神東公司已連續(xù)3個(gè)冬季日本出口煤運(yùn)輸使用環(huán)保型防凍劑進(jìn)行防凍，環(huán)保型防凍劑中C、H、O等可燃性有機(jī)元素含量高，不含其他煤中有害元素。根據(jù)鐵路沿線氣溫變化，環(huán)保型防凍劑與水基本按質(zhì)量比0.9∶1進(jìn)行配液，每節(jié)車廂平均噴灑防凍液約0.10 t，經(jīng)近3年的對(duì)比分析，環(huán)保型防凍劑防凍性能與氯化鈣型防凍劑相當(dāng)，車廂側(cè)壁防凍性能更優(yōu)，滿足冬季煤炭運(yùn)輸防凍需求，且對(duì)煤質(zhì)沒有影響，滿足日本客戶對(duì)煤質(zhì)的要求。

4 防凍劑的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 氯化鈣防凍劑的綜合成本分析

基于全生命周期分析氯化鈣防凍劑對(duì)煤質(zhì)及廢水影響的經(jīng)濟(jì)性，氯化鈣防凍劑的噸煤綜合成本(C)主要包括脫硫廢水的處理費(fèi)用(C1)、脫硫廢水零排放技術(shù)的設(shè)備投資(C2)、防凍劑的成本(C3)及分離所得氯化鈉的銷售(C4)等費(fèi)用。

C=C1+C2+C3-C4

為了方便計(jì)算，不考慮由于氯化鈣防凍劑中Ca2+引起的水質(zhì)硬度變化以及煤中固有的Ca2+、Mg2+等離子對(duì)廢水水質(zhì)的影響，只考慮煤中氯含量的增加，使燃煤電廠脫硫廢水增加，脫硫廢水處理費(fèi)用增加。噸煤增加脫硫廢水量(y)與噸煤增加脫硫廢水處理費(fèi)用(C1)可通過下式計(jì)算：

C1=yp

式中，y=(a·b)/c,p是脫硫廢水的噸處理成本，元/t；其中，a是氯化鈣防凍劑對(duì)煤中氯含量的增加率，%；b是煤中氯轉(zhuǎn)移至脫硫廢水中的比例，%；c是脫硫廢水的氯含量，%。

根據(jù)應(yīng)用實(shí)例中防凍劑對(duì)煤中氯含量的貢獻(xiàn)，選取氯化鈣防凍劑對(duì)煤中氯含量的增加率為0.04%，根據(jù)文獻(xiàn)[6]選擇煤中氯轉(zhuǎn)移至脫硫廢水中的比例為77.30%，脫硫廢水的氯含量選取1.5%(忽略廢水密度變化對(duì)氯含量的影響)，脫硫廢水的噸處理成本為81元/t[15]，經(jīng)計(jì)算由于氯化鈣防凍劑的使用，噸煤廢水增加量為0.020 6 t，引起噸煤增加脫硫廢水處理費(fèi)用(C1)為1.67元。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的典型脫硫廢水零排放技術(shù)，每小時(shí)處理1 t脫硫廢水需投入設(shè)備固定資產(chǎn)額平均為193.83萬元，以1臺(tái)功率為1 000 MW的燃煤機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行為例，發(fā)電煤耗按300 g/kWh，每小時(shí)用煤量為300 t，由于氯化鈣防凍劑導(dǎo)致脫硫廢水增加量6.18 t/h，故需要投入設(shè)備固定資產(chǎn)為1 197.87萬元，由于脫硫廢水處理設(shè)備運(yùn)行工況惡劣，設(shè)備設(shè)計(jì)壽命20年，假設(shè)預(yù)計(jì)殘值與預(yù)計(jì)清理費(fèi)用相等，采用直線折舊法計(jì)算，每年設(shè)備折舊費(fèi)用為59.89萬元。而每年冬季煤炭運(yùn)輸使用防凍劑時(shí)長為4個(gè)月，該機(jī)組冬季的耗煤量為86.40萬t，噸煤設(shè)備折舊費(fèi)用(C2)為0.69元。

目前神東煤炭集團(tuán)煤炭運(yùn)輸防凍工作采用整體外包于第三方的商業(yè)模式，噸煤費(fèi)用(C3)約0.79元。根據(jù)氯化鈣防凍劑對(duì)煤中氯含量的貢獻(xiàn)率為0.04%，77.30%的煤中氯轉(zhuǎn)移至脫硫廢水中，以及氯化鈉中氯含量為60.75%，可知噸煤產(chǎn)生氯化鈉的質(zhì)量為0.000 5 t，工業(yè)氯化鈉的銷售單價(jià)為500元/t，故噸煤產(chǎn)生氯化鈉的銷售額(C4)為0.25元，因此，氯化鈣防凍劑的使用，導(dǎo)致噸煤綜合成本(C)增加約2.90元。

4.2 環(huán)保型防凍劑的綜合成本分析

環(huán)保型防凍劑對(duì)煤質(zhì)及廢水影響的經(jīng)濟(jì)性，其費(fèi)用主要包括環(huán)保型防凍劑成本與噴灑費(fèi)用，主要為環(huán)保型防凍劑成本費(fèi)用。日本出口煤噴灑環(huán)保型防凍劑經(jīng)過3年的穩(wěn)定運(yùn)行，煤質(zhì)指標(biāo)能夠得到很好的控制，滿足客戶需求。神東公司近三年日本出口煤噴灑環(huán)保型防凍劑的成本統(tǒng)計(jì)表見表1，平均噸煤成本為3.14元。

表1 神東集團(tuán)近3年冬季日本出口煤用環(huán)保型防凍劑的噸煤成本核算

經(jīng)過對(duì)2種防凍劑使用的綜合成本對(duì)比，在僅考慮77.30%的煤中氯的情況下，環(huán)保型防凍劑的噸煤綜合成本僅比氯化鈣防凍劑高出0.24元。而其余的22.70%的煤中氯將轉(zhuǎn)移至大氣、粉煤灰及爐渣中，其中主要轉(zhuǎn)移至大氣中污染周邊空氣質(zhì)量，腐蝕建筑物甚至污染水域及農(nóng)田，如果氯化鈣中100%的氯元素轉(zhuǎn)移至脫硫廢水中，按上述方法進(jìn)行綜合成本核算，氯化鈣防凍劑的噸煤成本較環(huán)保型防凍劑高出0.61元至3.75元。

另外，由于氯化鈣防凍劑的使用，導(dǎo)致防凍劑噴灑設(shè)備、列車等運(yùn)輸設(shè)備，以及煤炭燃燒爐都會(huì)受到不同程度的腐蝕，設(shè)備使用壽命縮短，更換頻率增加，重點(diǎn)是列車車廂上的電磁閥以及高溫燃煤鍋爐的氯腐蝕特別嚴(yán)重，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，從而間接增加噸煤的氯化鈣防凍劑使用成本。而環(huán)保型防凍劑具有良好的緩釋性能，可以降低甚至避免對(duì)相關(guān)設(shè)備的腐蝕。上述腐蝕造成的噸煤成本增加，影響因素較多，難以精確定量統(tǒng)計(jì)，在此僅做定性探討。如果煤炭利用企業(yè)、運(yùn)輸企業(yè)以及政府經(jīng)過合理費(fèi)用分配，各自承擔(dān)相應(yīng)的成本，使用環(huán)保型煤炭運(yùn)輸防凍劑可以切實(shí)實(shí)現(xiàn)煤炭全生命周期的清潔化供給。

5 結(jié) 論

脫硫廢水零排放的提出是煤炭的清潔化利用的必然要求，煤炭的清潔化利用必須要求從開采、提質(zhì)加工、流通到利用等煤炭供應(yīng)全過程的清潔化，而氯元素是煤中常見有害元素之一，鐵路運(yùn)輸防凍過程中使用氯化鈣防凍劑本身有違煤炭的清潔化利用，引起燃煤廢水增加以及對(duì)設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕。通過氯化鈣防凍劑對(duì)煤中氯含量的影響以及煤中氯含量與脫硫廢水的定量關(guān)系，重點(diǎn)以實(shí)際案例基于全生命周期對(duì)氯化鈣防凍劑與環(huán)保型防凍劑的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析。經(jīng)研究表明：

(1)僅考慮氯化鈣防凍劑中77.30%的氯含量，氯化鈣防凍劑的噸煤綜合成本為2.90元，考慮氯化鈣防凍劑中100%的氯含量時(shí)，氯化鈣防凍劑的噸煤成本較環(huán)保型防凍劑高出0.61元至3.75元。

(2)從噴灑運(yùn)輸?shù)矫禾坷谜麄€(gè)過程，由于氯離子的存在，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，特別是高溫鍋爐及列車上的電磁閥等易損件，從而間接增加噸煤的氯化鈣防凍劑使用成本。

(3)通過經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析旨在為煤炭的清潔化運(yùn)輸，特別是電煤及化工煤的清潔化運(yùn)輸提供1種新的思路，環(huán)保型防凍劑具有良好的綜合成本優(yōu)勢(shì)，且可以切實(shí)落實(shí)煤炭的清潔化供給與利用。