循環流化床鍋爐脫硫工藝經濟性分析

蔡 晉，張 縵，王中偉，榮澔潔，姚 宣，吳玉新

(1.清華大學 能源與動力工程系 熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學山西清潔能源研究院，山西 太原 030032； 3.中國特種設備檢測研究院，北京 100011；4.山西河坡發電有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引 言

循環流化床鍋爐(CFB)具有燃料適應性廣、污染物脫除成本低等特點，較適用于高灰、高硫煤的燃燒。但隨著環保要求日益嚴格，要求不斷加大力度推進煤電超低排放和節能改造工作。對于某些循環流化床鍋爐，其爐內脫硫效率不足以穩定實現SO2超低排放，需在鍋爐出口對煙氣進一步凈化，從而涉及到兩級脫硫工藝的工藝選擇和容量分配問題。

爐內脫硫是循環流化床鍋爐優勢，利用燃燒特點，低成本降低SO2排放，有效抑制低溫腐蝕。目前循環流化床機組常用的爐外脫硫工藝主要有石灰石-石膏濕法和循環流化床半干法，其中大部分循環流化床采用石灰石-石膏濕法工藝。眾多學者對2種工藝進行了單獨的成本效益評價[1-4]或能效評估[5-7]，也有部分學者對2種工藝進行了技術經濟分析對比[7-11]，而在考慮爐內脫硫前提下，針對2種工藝的全面經濟性對比分析鮮有報道。

本文建立了技術經濟分析模型，分析了石灰石價格、上網電價和年運行時間等對石灰石-石膏濕法和循環流化床半干法的經濟性影響，并評估了對超細石灰石爐內高效脫硫技術的影響，為不同條件下循環流化床鍋爐脫硫技術的選擇提供參考。

1 CFB鍋爐脫硫技術

1.1 爐內脫硫

通過氣力輸送，將石灰石粉送至循環流化床鍋爐爐膛，燃燒過程中同時脫硫。傳統的循環流化床鍋爐采用常規粒徑石灰石爐內脫硫，鈣硫比≤2時，脫硫效率一般低于90%，繼續提高脫硫效率較困難，且受脫硫劑成本和NOx生成量影響[12]。而采用超細石灰石參與爐內脫硫，可在相對較低鈣硫摩爾比下爐內效率增至90%以上[13]。

1.2 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫

濕法煙氣脫硫工藝包含石灰石-石膏法、鎂法、氨法、鈉堿法以及海水法等[14]，其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝是目前世界上最為成熟、應用最為廣泛的脫硫工藝。該脫硫工藝采用石灰石為脫硫吸收劑，石灰石經破碎磨細成粉狀與水混合攪拌制成漿液，打入吸收塔中，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的氧化空氣進行化學反應而被脫除，最終反應產物為石膏(CaSO4·2H2O)。脫硫后的煙氣經除霧器除去攜帶的細小液滴，經加熱器加熱升溫或不加熱直接排入煙囪；脫硫石膏漿經脫水裝置脫水后回收。由于吸收漿液可循環利用，脫硫吸收劑利用率高，脫硫效率可達98%以上。

1.3 循環流化床半干法煙氣脫硫

半干法煙氣脫硫工藝有多種[15]，目前循環流化床半干法煙氣脫硫應用較廣泛。該工藝主要流程為：煙氣通過吸收塔底部的文丘里管加速進入循環流化床床體，與作為物料的消石灰接觸，由于氣流的作用，氣固兩相產生激烈的湍動與混合，充分接觸反應。在文丘里的出口擴管段設有噴水裝置，噴入霧化水，使降低脫硫塔內的煙溫降至高于煙氣露點20 ℃左右，從而使SO2與Ca(OH)2的反應轉化為可瞬間完成的離子型反應。循環流化床半干法煙氣脫硫工藝的脫硫效率略低于石灰石-石膏煙氣濕法脫工藝[16]，對煤種硫分含量要求相對較高，但隨著超細石灰石脫硫技術的提出和完善，爐內脫硫效率提高，循環流化床半干法工藝的經濟性得到改善[17]。

本文主要比較循環流化床機組目前使用較多的2種典型脫硫技術路線的經濟性(爐內石灰石脫硫加上石灰石-石膏濕法煙氣脫硫、爐內石灰石脫硫加上循環流化床半干法煙氣脫硫)。

2 技術經濟分析模型

2.1 成本計算方法

循環流化床鍋爐脫硫的總成本包括爐內脫硫和爐外煙氣脫硫2部分，各類費用均包含運行費用和綜合費用。運行費用主要包含機組運行期間的脫硫劑消耗、電耗、水耗、蒸汽消耗以及廢水處理等；綜合費用包含設備投資折舊費用、維護費用、人工費用和財務費用。

2.1.1爐內脫硫運行費用

1)爐內石灰石費用

根據燃煤生成的SO2量和爐內鈣硫摩爾比可求出石灰石耗量。爐內石灰石實際費用V1為

(1)

式中，a為石灰石純度，取0.9；K為燃煤中的硫分燃燒后氧化成SO2的比例，取0.9；Bj為機組耗煤量，t/h；w(Sar)為給煤收到基硫分，%；Kglb為鈣硫摩爾比，由實際工業運行數據擬合；u1為石灰石單價，元/t；H為機組年運行時間，h。

2)運行耗電費用

運行耗電主要包括石灰石制備耗電和空壓機輸送耗電。石灰石制備設備電機總額定功率為500 kW，石灰產量40 t/h；空壓機功率373 kW，壓縮空氣產量71.4 m3/min[3]。運行耗電費用V2為

(2)

式中，α為壓縮空氣系數，取1.92；Bs為爐內石灰石耗量，t/h；u2為上網電價，元/kWh；Cd為石灰石粒度不同引起的電耗變化修正系數。

3)運輸費用

為簡化分析，石灰石的運輸費用核算到石灰石的單價中。

2.1.2石灰石-石膏濕法煙氣脫硫運行費用

1)石灰石費用

確定爐外脫硫效率后，結合實際工程數據獲得相應爐外鈣硫摩爾比，通過爐外脫硫量求得石灰石耗量。

(3)

式中，C(SO2)為原煙氣中SO2濃度，mg/m3；C為排放限值，mg/m3；ηtl為爐內脫硫效率，%。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫石灰石費用V′1為

(4)

2)運行耗電費用

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的主要耗能設備為漿液循環泵和氧化風機，占總脫硫系統的總能耗60%～70%[5]。引風機能耗中，脫硫塔阻力的貢獻率約為20%。實際運行中，針對不同脫硫系統入口SO2濃度，采用不同功率循環泵進行組合以達到能耗最低[18-19]，本文計算忽略該部分影響，且不設煙氣再熱器(GGH)。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的運行耗電費用V′2為

V′2=P1u′2H×10-4

(5)

式中，P1為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統總耗電功率，kW；u′2為電價，元/kWh。

3)耗水費用

椎管內神經鞘瘤因其生長部位不同具有不同特征，結合文獻及本例MRI表現，可分為3種類型：(1)病變位于椎管內外時，腫瘤沿神經根穿出經椎間孔向外延伸，表現為啞鈴型[4-5]；(2)病變位于椎管內時通常表現為橢圓形[6]；(3)病變位于椎管內，表現為橢圓形及神經出入征。本例胸腰段椎管內神經鞘瘤病變除了主體表現為橢圓形以外，手術證實在病變上下兩端可見神經出入征改變，即近端增粗的結節為進入腫瘤的受累的馬尾神經，遠端增粗的結節為離開腫瘤的受累的馬尾神經。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫耗水包含煙氣攜帶水分、石膏攜帶水分和排放廢水3部分。用水費用V′3為

V′3=B(H2O)u′3H×10-4

(6)

式中，B(H2O)為爐外脫硫系統耗水量，t；u′3為用水單價，元/t。

4)石膏收益

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工業副產品是石膏，其主要成分是結晶硫酸鈣，含水率為10%～20%。爐外脫硫石膏收益V′4為

(7)

式中，B′(SO2)為爐內脫硫后SO2剩余量，t；η(H2O)為石膏含水率；u′4為石膏售價，元/t。

5)廢水處理費用

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫產生廢水，其處理費用V′5為

V′5=Bflu′5H×10-4

(8)

式中，Bfl為脫硫廢水處理量，t；u′5為廢水處理價格，元/t。

2.1.3循環流化床半干法煙氣脫硫運行費用

1)生石灰費用

通過調研數據，對生石灰單價與石灰石單價進行擬合，關系見式(10)，則循環流化床半干法煙氣脫硫的石灰石費用V″1為

(9)

(10)

2)運行電耗費用

與石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝相比，循環流化床半干法煙氣脫硫工藝需再增設高效布袋除塵器，因此需要考慮循環流化床半干法煙氣脫硫系統阻力與布袋除塵器阻力對引風機電耗的貢獻率。已有設計數據表明，循環流化床半干法煙氣脫硫系統與布袋除塵器的阻力之和約為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統阻力的2倍，因此將該部分電耗近似為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫阻力所致引風機電耗的2倍。循環流化床半干法煙氣脫硫的運行耗電費用V″2為

(11)

式中，P′1為循環流化床半干法煙氣脫硫系統總耗電功率，kW；u″2為電價，元/kWh。

3)用水費用

(12)

2.1.4綜合費用

1)折舊成本

脫硫裝置折舊年限為15 a，固定資產形成率為95%，則折舊費用Vzj為

(13)

式中，U為脫硫裝置靜態總投資費用，萬元；n為設備使用年數，a。

2)維修成本

維修費用按靜態投資的3%計算，則維修費用Vwx為

Vwx=U×3%

(14)

3)人工成本

假設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。

4)財務成本

財務費用按靜態投資的5%計算，財務成本Vcw為

Vcw=U×5%

(15)

2.2 關鍵因素敏感性分析

爐內脫硫運行成本Va、石灰石-石膏濕法煙氣脫硫運行成本Vb、循環流化床半干法煙氣脫硫運行成本Vc、運行成本Vyx、綜合費用Vzh以及總費用V如下：

Va=V1+V2

(16)

Vb=V′1+V′2+V′3-V′4+V′5

(17)

Vc=V″1+V″2+V″3

(18)

(19)

Vzh=Vzj+Vwx+Vrg+Vcw

(20)

V=Vyx+Vzh

(21)

由于石膏質量不穩定，且石膏收益占比較小，可忽略。循環流化床鍋爐具有爐內脫硫的優勢，可以緩解空預器的低溫腐蝕，因此本文計算中，尾部煙氣凈化技術的選擇結果，均考慮爐內石灰石脫硫。研究表明[3,20-21]，兩級脫硫時，爐內最佳脫硫效率為60%～70%，本文按70%計算。針對某350 MW機組，分析了硫含量、脫除成本隨硫含量的變化關系，相關參數見表1。

表1 計算邊界條件

2.2.1硫含量

圖1 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫方式的燃料硫分對脫硫成本的影響(爐內脫硫效率70%)Fig.1 Effect of sulfur content in fuel on the total desulphurization cost by limestone-gypsum FGD(ηtl=70%)

350 MW循環流化床鍋爐爐內脫硫效率為70%，尾部煙氣采用石灰石-石膏法凈化時，不同硫含量下的脫硫成本如圖1所示。隨硫含量增大，單位發電量脫硫總成本增加，單位污染物脫除成本降低。其中，石灰石成本占比最大，隨著硫含量增大，污染物脫除量增大，石灰石耗量增加。當硫含量達2%時，石灰石成本占比近40%。單位發電量折舊成本、維修成本、財務成本、人工成本和投資成本不變，硫含量對其影響可忽略不計。

350 MW循環流化床鍋爐爐內脫硫效率70%、尾部煙氣采用循環流化床半干法煙氣凈化時，不同硫含量下的脫硫成本如圖2所示。隨硫含量增大，單位發電量脫硫總成本增加，且增加幅度明顯大于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫，這主要是由于相同脫除效率下循環流化床半干法煙氣脫硫工藝的鈣硫比更大，導致總脫硫劑成本增加。

圖2 循環流化床半干法煙氣脫硫條件下燃料硫分對脫硫成本的影響(爐內脫硫效率70%)Fig.2 Effect of sulfur content in fuel on the total desulphurization cost by CFB semi-dry FGD(ηtl=70%)

圖3為爐內脫硫效率為70%條件下，2種脫硫方式的成本隨硫含量的變化。硫含量低于1.1%時，循環流化床半干法煙氣脫硫的運行成本相對較低；硫分含量低于2.1%時，循環流化床半干法煙氣脫硫的總成本相對較低。

圖3 不同硫含量下2種煙氣脫硫工藝成本比較(爐內脫硫效率70%)Fig.3 Cost comparison oftwo FGD methods under different sulfur content in fuel(ηtl=70%)

2種脫硫工藝配置的總成本構成如圖4所示，計算中燃料硫含量為1.2%。可見，脫硫劑成本、電耗成本以及折舊成本是脫硫成本的主體。對比石灰石-石膏濕法煙氣脫硫和循環流化床半干法煙氣脫硫的脫硫劑成本和電費，循環流化床半干法煙氣脫硫的脫硫劑成本占比顯著較大，近48%，而石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的電費占比略大。需要注意的是，此處計算值基于滿負荷工況，循環流化床半干法煙氣脫硫需在低負荷時開啟煙氣再循環系統，此時的電耗將增大。

圖4 不同煙氣凈化工藝的分項成本比例(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)Fig.4 Ratio of subentry cost of different flue gas purification processes(w(Sar)=1.2%,ηtl=70%)

2.2.2其他因素

為比較各因素的影響權重，進行單位發電量脫硫總成本V的敏感性分析，采用敏感度系數SV為評價指標，即單位發電量脫硫總成本變化率與不確定因素變化率之比，即

(22)

其中，ΔF/F為不確定因素F的變化率；ΔV/V為不確定因素F發生變化時，評價指標V的變化率。SV>0，表示評價指標與不確定因素正相關；SV<0，表示評價指標與不確定因素負相關。|SV|越大，說明該因素對于評價指標越敏感。

取各因素變化率分別為-40%、-20%、20%和40%等4種情況進行分析計算。基于單一變量原則，計算邊界條件見表1。

年運行時間主要影響年發電總量，隨年發電總量的增加，單位發電量折舊成本降低，導致單位發電量脫硫總成本變化。圖5為年運行時間對脫硫成本的敏感性分析，可知，2種工藝年運行時間的敏感度均為負數，且隨著年運行時間的增長，敏感度趨于0。其中，年運行時間對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝成本的敏感度更高，說明石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝成本受年運行時間的影響更大。

圖5 年運行時間對脫硫成本的敏感性分析(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)Fig.5 Sensitivity analysis of annual operation time on desulfurization cost(w(Sar)=1.2%,ηtl=70%)

根據本文的計算方法，2種工藝的石灰石單價、電價、水費以及廢水處理價格的敏感度均為常數，與各因素變化率無關(表2)。

表2 不同煙氣脫硫方式下原料和動力價格對脫硫成本的敏感性分析(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)

由表2可知，與循環流化床半干法煙氣脫硫相比，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝的石灰石單價敏感度系數較低，而其電價和水費敏感度系數均較高，說明石灰石單價對循環流化床半干法煙氣脫硫成本的影響相對更大，電價和水費則對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫成本的影響相對更大。對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，各因素對脫硫成本的敏感度由大到小依次為：石灰石單價>電價>廢水處理價格>水價；對于循環流化床半干法煙氣脫硫工藝，各因素對脫硫成本的敏感度由大到小依次為：石灰石單價>電價>水價。

2.2.3不同脫硫工藝情景分析

由敏感度分析可知，對脫硫成本影響較大的因素主要為脫硫劑成本、電價和年運行時間。在基準值計算條件下，通過單一變量法獲取不同脫硫工藝相應的變化趨勢，從而求得二者經濟性的臨界值。

圖6為2種脫硫方式下石灰石單價變化對脫硫成本的影響。石灰石價格受地域影響大，一般需保證石灰石原料供應地距離目標電廠距離小于150 km，當距離過大時會導致石灰石價格過高，本文石灰石價格中已包含材料成本與運費。發電企業脫硫使用的石灰石純度一般在90%以上。基于運行成本，石灰石單價高于112元/t時，循環流化床半干法煙氣脫硫的運行成本開始高于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫。從總成本看，在本文石灰石單價變動范圍內(75～225元/t)，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的總成本始終偏高。

圖6 不同煙氣脫硫工藝下石灰石單價對脫硫成本影響(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)Fig.6 Effect of the limestone price on the desulfurization cost under different FGD processes(w(Sar)=1.2%,ηtl=70%)

2種脫硫方式下電價對脫硫成本的影響如圖7所示。上網電價低于0.43元/kWh時，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的運行成本相對更低。從總成本看，在本文的電價變動范圍內(0.15～0.45元/kWh)，循環流化床半干法煙氣脫硫的總成本相對更經濟。

圖8為循環流化床半干法和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫成本隨年運行時間的變化。可知，運行時間對單位發電量運行成本沒有影響，循環流化床半干法煙氣脫硫的運行成本略高于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫。從總成本看，在本文的年運行時間變動范圍內(2 500～7 500 h)，循環流化床半干法煙氣脫硫的總成本始終低于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫。

圖7 不同電價下脫硫成本對比(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)Fig.7 Cost comparison of desulphurization cost under different power tariff (w(Sar)=1.2%,ηtl=70%)

圖8 不同脫硫工藝的單位發電成本(w(Sar)=1.2%，爐內脫硫效率70%)Fig.8 Cost per unit of power generation for different desulfurization processes(w(Sar)=1.2%,ηtl=70%)

2.3 超細石灰石爐內脫硫對脫硫經濟性的影響

超細石灰石爐內脫硫技術可在較低鈣硫比下達到使用常規脫硫技術時的爐內脫硫效率。傳統循環流化床鍋爐常規爐內脫硫選用石灰石的粒度為0～1 000 μm，中位粒徑在300 μm左右，脫硫反應的鈣硫摩爾比較高。而超細石灰石爐內脫硫技術采用d50<15 μm、d90<45 μm的石灰石粉，可在相同鈣硫摩爾比下達到更高的爐內脫硫效率。已有文獻工業試驗數據顯示[5]，220 t/h 的循環流化床鍋爐采用超細石灰石脫硫技術后，SO2原始排放為4 739.3 mg/m3，在鈣硫比1.82時，SO2排放值達22.6 mg/m3，爐內脫硫效率為99.5%；而常規爐內脫硫技術下，爐內脫硫效率為90%時的鈣硫比為2.3左右。

經市場調研，超細石灰石比常規粒徑石灰石的成本高10～20元/t，本文取15元/t。圖9為爐內脫硫效率和硫含量對各脫硫方式組合成本影響。可知，爐內脫硫效率≥50%時，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝總成本隨著爐內脫硫效率的增加而增加，循環流化床半干法煙氣工藝總成本呈基本相反趨勢，在爐內脫硫效率80%時最經濟。這是因為隨著爐內脫硫效率增加，爐內脫硫的石灰石耗量及成本相應升高；同時，循環流化床半干法煙氣脫硫的生石灰成本下降幅度大于爐內石灰石成本的上升幅度，使總成本下降；而石灰石-石膏濕法煙氣脫硫石灰石和電耗成本的下降幅度小于爐內石灰石成本增加的幅度，使總成本上升。

使用超細石灰石進行爐內脫硫后，相同爐內脫硫效率下，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫和循環流化床半干法煙氣脫硫工藝結合爐內脫硫的總成本均降低，經濟性均得到改善。整體上超細石灰石爐內脫硫技術可在較低鈣硫比下實現80%以上的爐內脫硫效率，減弱了煤中硫分對循環流化床半干法煙氣的限制，增強了煤種適應性，從而使其與循環流化床半干法煙氣工藝相結合的綜合優勢更顯著。當原煤硫含量為1.2%、1.6%和2.0%，爐內脫硫效率大于55%、 63%和70%時，循環流化床半干法煙氣加上超細石灰石爐內脫硫的總成本會低于石灰石-石膏煙氣加上超細石灰石爐內脫硫的總成本。雖然石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝可通過降低爐內脫硫比例來提升其整體經濟性，但會導致尾部煙道硫含量增加，從而加劇空預器的腐蝕程度，尤其是煤中硫含量較高時。

圖9 爐內脫硫效率和硫含量對各脫硫方式組合成本影響(爐內脫硫效率70%)Fig.9 Effect of furnace desulfurization efficiency and sulfur content on the cost of each desulfurization combination (ηtl=70%)

3 結 論

1)影響脫硫成本的主要因素包括石灰石價格、上網電價和年運行時間，其中，石灰石對脫硫成本的敏感度大于上網電價。爐內脫硫運行成本最低，應作為初始脫硫的主要手段，但僅依靠爐內脫硫無法實現超低排放，將爐內脫硫與煙氣脫硫相結合，是實現超低排放的經濟有效措施。

2)在機組滿負荷且爐內脫硫效率保持70%不變條件下，對循環流化床半干法煙氣脫硫和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的經濟性比較表明，硫含量低于1.1%和2.1%時，循環流化床半干法煙氣脫硫的運行成本和總成本低于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫；當石灰石價格低于112元/t時，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的運行成本高于循環流化床半干法煙氣脫硫；當上網電價低于0.43元/kWh時，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的運行成本相較更低。在石灰石、電價、年運行時間的研究波動范圍內，循環流化床半干法煙氣脫硫的總成本始終最低、最經濟。

3)超細石灰石爐內脫硫技術可改善石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝和循環流化床半干法煙氣脫硫工藝的經濟性。與傳統循環流化床常規爐內脫硫技術相比，采用超細石灰石爐內脫硫技術，循環流化床半干法煙氣脫硫工藝可在煤種硫分相對更高時保持其經濟性。