燃煤鍋爐煤耗及脫硫綜合成本的對比分析

張 進， 劉遐福， 馮 震， 田栗瑋， 吳 嵐

(貴州煙葉復烤有限責任公司， 貴陽 550000)

鍋爐是工業企業的蒸汽、動力及熱能來源，其運行的經濟性直接關系到企業的切身利益。燃煤鍋爐是目前應用最為普遍、技術最為成熟的爐型，由于燃煤的固有缺陷，鍋爐燃燒過程中會產生大量的二氧化硫及煙塵。2013年8月，環保部為落實國務院批復實施的《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》的相關要求，進一步修改《鍋爐大氣污染物排放標準》，一類地區煙氣中二氧化硫及煙塵的最高允許排放濃度分別為1 200 mg/m3和80 mg/m3，這無疑使企業在考慮原料成本的同時也要考慮環保成本。

在鍋爐的運行成本中，燃煤及脫硫除塵成本可占到總成本的70%以上，燃煤的水分、灰分、揮發分、固定碳、全硫及發熱量等六項主要指標中，全硫及發熱量與環保成本直接相關。采用高熱低硫的優質煤燃煤成本高但環保成本低，反之采用低熱高硫的劣質煤燃煤成本低但環保成本高。鑒于此，本文結合市場行情，對比分析了燃燒不同煤種配合不同脫硫工藝的燃煤及環保總成本，找出在滿足國家環保標準下最經濟的匹配方式。

1 分析方法

本次分析以實驗鍋爐產生1噸蒸汽為標準，以兩種具有對比性的煤種(煤種1#高硫低發熱，煤種2#低硫高發熱)分為兩方面進行分析:一方面是消耗的燃煤成本;另一方面是消耗的脫硫成本。然后計算燃燒不同煤種和采用不同脫硫方法所產生的燃煤脫硫總成本(其他成本如人工、水處理、排污、電耗等屬于共同成本，故無需單獨分析)，再與實際運行的燃煤脫硫成本進行對比，選擇出最優的燃燒方式。鍋爐主要運行參數及煤種具體成分見表1、2。

表1 鍋爐主要參數

表2 煤種主要成分

2 脫硫工藝選擇

本文將采用鈣鈉雙堿法、石灰石-石膏法及氧化鎂法三種不同的脫硫工藝來配合不同煤種進行成本對比分析。

2．1 鈣鈉雙堿法脫硫

鈣鈉雙堿法煙氣脫硫技術是利用氫氧化鈉溶液作為啟動脫硫劑，配制好的氫氧化鈉溶液直接打入脫硫塔洗滌脫除煙氣中二氧化硫來達到煙氣脫硫的目的，然后脫硫產物經脫硫劑再生池利用生石灰還原成氫氧化鈉再打回脫硫塔內循環使用。脫硫工藝主要包括5個部分:(1)吸收劑制備與補充;(2)吸收劑漿液噴淋;(3)塔內霧滴與煙氣接觸混合;(4)再生池漿液還原鈉基堿;(5)石膏脫水處理。主要反應式如下:

脫硫反應:

其中:式(1)為啟動階段Na2CO3溶液吸收SO2的反應;式(2)為再生液pH值較高時(高于9時)，溶液吸收SO2的主反應;式(3)為溶液pH值較低(5～9)時的主反應。

再生反應:

Ca(OH)2+Na2SO3→2NaOH+CaSO3

Ca(OH)2+2NaHSO3→Na2SO3+CaSO3·1/2H2O+3/2H2O

脫下的硫以亞硫酸鈣、硫酸鈣的形式析出，然后將其用泵打入石膏脫水處理系統，再生的NaOH可以循環使用。

2．2 石灰石-石膏濕法脫硫

此法主要是將一定濃度的石灰石漿液連續從脫硫塔頂部噴入，與自下而上的煙氣充分混合，使煙氣中的SO2被漿液中的碳酸鈣吸收生成亞硫酸鈣從而達到脫硫目的。溶液中的亞硫酸鈣被氧化成為硫酸鈣結晶物——石膏，并從脫硫塔底部排入石膏脫水系統。主要反應式如下:

SO2+H2O→H2SO3吸收

CaCO3+H2SO3→CaSO3+CO2+H2O 中和CaSO3+1/2 O2→ CaSO4氧化

CaSO3+1/2 H2O→CaSO3·1/2H2O 結晶CaSO4+2H2O→ CaSO4·2H2O 結晶CaSO3+H2SO3→ Ca(HSO3)2pH控制

2．3 氧化鎂濕法脫硫

氧化鎂濕法脫硫工藝與石灰-石膏法脫硫工藝類似，它是以氧化鎂為原料，經熟化生成氫氧化鎂作為脫硫劑的一種脫硫系統。在脫硫塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的氫氧化鎂進行化學反應從而被脫除，最終反應產物為亞硫酸鎂和硫酸鎂混合物。如采用強制氧化工藝，最終反應產物為硫酸鎂溶液，經脫水干燥后形成硫酸鎂晶體。主要反應式如下:

MgO+H2O→Mg(OH)2熟化

SO2+H2O→H2SO3吸收

Mg(OH)2+H2SO3→MgSO3+2H2O 中和MgSO3+O2→2MgSO4氧化MgSO3+3H2O→ MgSO3·3H2O 結晶MgSO4+7H2O→MgSO4·7H2O 結晶

3 理論成本分析

本節煤耗計算和脫硫劑耗量計算分別以熱力學第一定律(能量守恒定律)、化學反應原理為理論依據。

3．1 煤種1#成本分析

根據鍋爐運行參數可知，鍋爐進口水溫T1=105℃，進口水壓 P1=3MPa，出口蒸汽溫度 T2=194℃，出口蒸汽壓力P2=1MPa，鍋爐熱效率り=67．78%，煤種1#的發熱量為Q1=3 809大卡/千克，鍋爐行業中人們規定1噸蒸汽鍋爐發熱量相當于600 000大卡。可得產生1噸蒸汽需消耗煤種1#的理論量:W=1 000 ×600/り/Q1=232．4 kg=0．232 4T

煤種1#所含全硫6．74%，產生1噸蒸汽所耗燃煤中含硫量 221．4 kg×6．74%=15．66 kg;因燃煤中含有的除硫酸鹽外的硫化物，在燃燒時都會轉化為SO2，這一部分一般占總含硫量的84%，所以SO2的總生成量為:15．66 ×2 ×0．84=26．32 kg

本次分析以將SO2全部轉化為沉淀，各藥品純度為90%為基準，根據三種脫硫方法反應方程式計算可知:

石灰石法脫硫:產生1噸蒸汽消耗生石灰:26．32 ×56 ÷64 ÷0．9=25．58 kg;

鈉法脫硫:產生1噸蒸汽消耗NaOH:26．32×80 ÷64 ÷0．9=36．56 kg;

鎂法脫硫:產生1噸蒸汽消耗氧化鎂:26．32×40 ÷64 ÷0．9=18．29 kg。

2．2 煤種2#成本分析

由煤種2#發熱量Q2=6 131大卡/千克，可得產生1噸蒸汽需消耗煤種2#的理論量:W=1 000×600/り/Q2=0．144 4 T。

其所含全硫5．29%左右，產生1噸蒸汽所耗燃煤中的含硫量:144．4 kg ×5．29%=7．64 kg，SO2的總生成量為:7．64 ×2 ×0．84=12．83 kg;

石灰石法脫硫:產生1噸蒸汽消耗生石灰:12．83 ×56 ÷64 ÷0．9=12．47 kg;

鈉法脫硫:產生1噸蒸汽消耗NaOH:12．83×80 ÷64 ÷0．9=17．82 kg;

鎂法脫硫:產生1噸蒸汽消耗氧化鎂:12．83×40 ÷64 ÷0．9=8．91 kg。

根據以上計算分析，結合市場價格:煤種1#530元/噸，煤種 2#650元/噸，CaO 560元/噸，NaOH(片堿)3 600 元/噸，MgO 700 元/噸。

煤種1#噸汽燃煤脫硫總成本:

石灰法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．255 8×530+25．58 ×0．56=149．90 元;

鈉法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．255 8×530+36．56 ×3．6=267．19 元;

鎂法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．255 8×530+18．29 ×0．7=148．38 元;

煤種2#噸汽燃煤脫硫總成本:

石灰法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．144 4×650+12．47 ×0．56=100．84 元;

鈉法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．144 4×650+17．82 ×3．6=158．01 元;

鎂法脫硫的燃煤脫硫總成本:0．144 4×650+8．91 ×0．7=100．1 元

結果匯總于表3及圖1:

表3 產1噸蒸氣燃煤脫硫成本 元

圖1 理論燃煤脫硫成本

4 實驗成本分析

本文通過實驗來驗證理論分析結果，以提高理論分析結果的可靠性。本次實驗分為6個階段，每個階段歷時12小時，前三個階段燃燒煤種1#，后三個階段燃燒煤種2#，實驗總時長72小時;考慮鍋爐負荷變化及技術人員對不同燃料及脫硫工藝的適應過程，每階段實驗前、后2小時共4小時作為實驗過度階段，所測數據波動較大，不作為分析依據，只以中間8小時數據進行分析;實驗過程中結合煙氣在線監測系統、蒸汽流量實時監測系統、脫硫劑智能添加裝置等先進實驗設備，保證了實驗過程中各測量參數的準確性，具體實驗結果見表4。理論及實驗噸汽燃煤脫硫成本對比見圖2。由圖2可以看出，實際值與理論值之間相差極小且趨勢相同，進一步論證了理論分析的準確性。

圖2 理論與實驗成本對比

表4 實驗結果匯總

5 結論

(1)在脫硫方法相同的情況下，燃燒價格較高優質煤的噸汽燃煤脫硫成本要明顯低于燃燒價格較低劣質煤的噸汽燃脫成本，根據理論值，采用石灰法、鈉法及鎂法脫硫的噸汽燃煤脫硫成本要分別低49．06、109．09、48．28 元，成本分別下降 32．7%，40．8%、47．88%，若按年產汽量10萬噸計算，每年可分別節約成本約49萬、109萬及48萬元，打破了企業以往燃料價格越低，企業經濟效益越高的慣性思維。

(2)在三種常用的脫硫方法中，石灰法成本最低，鎂法次之，鈉法最高，故選用石灰法脫硫與優質煤燃燒的配合方式可將燃煤脫硫總成本控制在最小。

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