基于多經(jīng)濟(jì)因素的FGD聯(lián)合脫硫試驗(yàn)

王鵬程，高明楷，李麗鋒，賈陽杰，程芳琴、，楊鳳玲、

(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045011；2.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；3.國家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

0 引 言

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)發(fā)電技術(shù)是一種新型的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，相較傳統(tǒng)鍋爐的燃燒方式，其具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、污染物生成量少等特點(diǎn)。CFB發(fā)電機(jī)組采用爐內(nèi)石灰石脫硫，具有脫硫效果良好、成本低、配套設(shè)施簡單等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保排放和清潔燃燒等方面具有明顯優(yōu)勢。2014年國家頒布了《煤電節(jié)能減排升級于改造行動計(jì)劃(2014—2020)》，要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組和東部等重點(diǎn)地區(qū)發(fā)電機(jī)組的煙塵、SO2、NOx的質(zhì)量濃度排放限值分別為10、35、50 mg/m3，支持爐前、爐后同步開展大氣污染物聯(lián)合協(xié)同脫除，減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放[1]。爐內(nèi)脫硫的鈣硫比(物質(zhì)的量之比)一般在1.6以上，有些甚至達(dá)2.5～3.0，需耗費(fèi)大量石灰石。而單一的爐內(nèi)脫硫方法難以達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，需在爐后尾部聯(lián)用石灰石/石膏濕法煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD)滿足SO2低排放。石灰石/石膏濕法煙氣脫硫已是一種較成熟的脫硫技術(shù)，在鈣硫比為1.03時，脫硫效率可達(dá)95%以上，且石灰石利用率較高，可避免大量石灰石浪費(fèi)；但其功耗大且產(chǎn)生大量脫硫廢水，運(yùn)行成本高。通常通過爐內(nèi)初步脫硫降低爐后脫硫吸收塔煙氣入口的SO2濃度，緩解爐外FGD的運(yùn)行壓力，減少脫硫成本，但相應(yīng)增加了爐內(nèi)脫硫成本。

眾多學(xué)者對兩級聯(lián)合脫硫進(jìn)行了多方面研究。黃茹等[2]通過進(jìn)行現(xiàn)場檢測評估了CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫及爐外CFB-FGD脫硫除塵技術(shù)對SO2和顆粒物超低排放的達(dá)標(biāo)能力。張建生[3]對整個超低排放技術(shù)路線通過試驗(yàn)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)分析最佳運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃燒效率和爐內(nèi)脫硫、脫硝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。張磊等[4]通過脫硫比例分配模型確定了不同負(fù)荷下最優(yōu)的脫硫分配比例。李樹林[5]和祝云飛[6]通過成本計(jì)算模型分析了不同因素對兩級脫硫系統(tǒng)的成本及脫硫比例分配的影響。目前，對CFB鍋爐超低排放兩級聯(lián)合脫硫的經(jīng)濟(jì)性研究尚無明確結(jié)論，因此，需分析各單元多方面因素的經(jīng)濟(jì)性合理確定兩級聯(lián)合脫硫的分配比例[7]，實(shí)現(xiàn)滿足SO2排放標(biāo)準(zhǔn)下最低脫硫成本。

筆者以山西河坡發(fā)電公司350 MW超臨界CFB機(jī)組為例，考慮多因素成本，研究CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣和爐外石灰石/石膏濕法兩級聯(lián)合脫硫的經(jīng)濟(jì)性，得出合理的脫硫分配份額和爐內(nèi)鈣硫比，為后續(xù)大型CFB機(jī)組深度脫硫運(yùn)行提供參考。

1 河坡發(fā)電脫硫設(shè)備

河坡發(fā)電2×350 MW機(jī)組配備2臺CFB鍋爐，鍋爐實(shí)現(xiàn)了低床壓、低床溫運(yùn)行，可保證鍋爐高效和爐內(nèi)脫硫效率。為達(dá)到超低排放，脫硫系統(tǒng)采用CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣和爐外石灰石/石膏濕法兩級聯(lián)合脫硫運(yùn)行模式，每臺鍋爐配有獨(dú)立脫硫系統(tǒng)。

1.1 CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫

爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)首先通過氣力輸送系統(tǒng)將一定粒徑的石灰石粉噴射到爐內(nèi)最佳溫度區(qū)，使石灰石粉與煙氣有良好接觸和反應(yīng)時間[8]。然后，石灰石粉在約850 ℃的條件下受熱分解成CaO和CO2；煅燒生成多孔狀CaO在爐內(nèi)與煙氣中的SOx發(fā)生反應(yīng)生成CaSO4，并隨灰渣排出完成脫硫。

對于爐內(nèi)脫硫劑石灰石粉的制備和輸送過程，河坡發(fā)電每臺鍋爐設(shè)有2套完整的石灰石粉輸送系統(tǒng)，一運(yùn)一備。運(yùn)來的石灰石經(jīng)柱磨機(jī)研磨為石灰石粉后儲存在石灰石粉庫，再通過主輸粉管道分3路輸送到鍋爐石灰石粉接口(每臺鍋爐6個石灰石粉接口)，任何一路都均勻給料。輸送系統(tǒng)采用連續(xù)可調(diào)方式輸送石灰石粉，每根管道可出力不小于50 t/h，且系統(tǒng)可根據(jù)煙氣中SO2排放量自動調(diào)整出力。整個爐內(nèi)脫硫的工藝流程如圖1所示。

1.2 爐外煙氣石灰石/石膏濕法脫硫

河坡發(fā)電爐外FGD系統(tǒng)為一爐一塔式，每套FGD系統(tǒng)由煙氣、吸收塔、石灰石漿液制備、石膏漿液脫水、廢水處理、漿液排放和回收等單元系統(tǒng)組成，其中石灰石漿液制備單元和廢水處理單元由2套脫硫系統(tǒng)共用。

整個脫硫過程在吸收塔內(nèi)完成[9-10]，鍋爐煙氣由引風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入FGD系統(tǒng)，石灰石漿液作為脫硫吸收劑從吸收塔的上部噴淋與煙氣中的SO2、SO3和HCl等酸性氣體反應(yīng)并生成CaSO3，在循環(huán)池中CaSO3被鼓入的空氣氧化成CaSO4·2H2O；當(dāng)漿液密度達(dá)(1 100±20)kg/m3，由石膏排出泵排出，經(jīng)兩級脫水后制成含水率小于10%的石膏再綜合利用；最后凈化的煙氣經(jīng)2層除霧器去除霧滴，在出口煙道中經(jīng)濕式電除塵器除塵后通過煙囪排入大氣，工藝流程如圖2所示。

圖1 爐內(nèi)脫硫工藝流程Fig.1 Process flow of desulfurization in furnace

圖2 石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝流程Fig.2 Process flow of limestone/gypsum wet flue gas desulfurization

1.3 廢水處理系統(tǒng)

FGD系統(tǒng)在保證高脫硫效率的同時會產(chǎn)生大量含硫廢水，其主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)[11]，大量重金屬元素、Cl-等的存在會加速脫硫設(shè)備腐蝕及影響石膏品質(zhì)。廢水產(chǎn)量主要受燃煤性質(zhì)、石灰石品質(zhì)、脫硫系統(tǒng)運(yùn)行條件、脫硫塔前污染物控制設(shè)備以及脫水設(shè)備等的影響[12-13]。河坡電廠的廢水處理系統(tǒng)采用中和、絡(luò)合和絮凝沉淀的化學(xué)工藝流程。

整個工藝流程先通過加入石灰乳去除易形成氫氧化物沉淀的金屬離子，再加入有機(jī)硫試劑和混凝劑使Cd2+、Hg2+等離子形成硫化物沉淀，最后在絮凝池中加入助凝劑完成絮凝沉降，經(jīng)澄清器澄清后排水進(jìn)入下一處理環(huán)節(jié)后，并在電廠內(nèi)綜合利用，澄清器底部污泥由壓濾機(jī)脫水后無害化處理，濾液返回澄清器，廢水處理流程如圖3所示。

圖3 廢水處理流程Fig.3 Process of wastewater treatment

2 兩級脫硫系統(tǒng)成本因素及計(jì)算方法

整個電廠脫硫總成本分為爐內(nèi)脫硫和爐外煙氣脫硫2部分，爐內(nèi)脫硫成本包括脫硫劑石灰石粉成本、設(shè)備運(yùn)行電耗成本以及脫硫熱損失成本。爐外FGD成本包括脫硫劑石灰石漿液成本、設(shè)備運(yùn)行電耗成本、系統(tǒng)水耗成本、廢水處理成本以及石膏產(chǎn)生的收益。其中爐內(nèi)脫硫劑的石灰石粉成本、爐外脫硫劑的石灰石漿液成本考慮其制備成本。

2.1 石灰石制備成本價格估算

2.1.1 爐內(nèi)脫硫劑石灰石粉制備

脫硫劑石灰石粉制備的成本包括柱磨機(jī)運(yùn)行的電耗成本、設(shè)備維護(hù)費(fèi)和購買的石灰石成本，經(jīng)實(shí)際調(diào)研制備脫硫劑石灰石粉噸成本J1為46.04元/t，其各項(xiàng)目成本見表1，其中石灰石的價格包括運(yùn)輸成本。

表1 制備1 t石灰石粉的各項(xiàng)目成本Table 1 Costs of various projects for preparing 1 t limestone powder

2.1.2 爐外脫硫劑石灰石漿液制備

爐外脫硫使用和爐內(nèi)脫硫相同的石灰石，由濕式球磨機(jī)磨制成石灰石漿液。經(jīng)實(shí)際調(diào)研，濕式球磨機(jī)制備1 t石灰石漿液的成本J2為56.74元/t，其各項(xiàng)目成本見表2，由于石灰石漿液中的水分在FGD系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用，因此將此過程的水耗計(jì)入FGD系統(tǒng)的總水耗。

表2 制備1 t的石灰石漿液的各項(xiàng)目成本Table 2 Costs of various projects for preparing 1 t limestone slurry

2.2 爐外脫硫效率的計(jì)算方法

根據(jù)原煙氣SO2濃度、CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率及SO2排放限值可計(jì)算得到爐外FGD應(yīng)達(dá)到的脫硫效率：

(1)

式中，η′為爐外FGD的脫硫效率，%；ρ(SO2)為超低排放SO2的質(zhì)量濃度排放限值，mg/m3；c(SO2)為原煙氣SO2質(zhì)量濃度，mg/m3；η為爐內(nèi)脫硫效率，%。

2.3 爐內(nèi)脫硫成本計(jì)算方法

2.3.1 爐內(nèi)脫硫劑石灰石粉成本

若灰渣中CaO含量很少，則可根據(jù)燃煤產(chǎn)生的SO2總量得出爐內(nèi)脫硫劑石灰石粉所需質(zhì)量，(式(2))。計(jì)算燃煤產(chǎn)生的SO2排放總量時應(yīng)考慮排放系數(shù)k，對于CFB鍋爐k可取0.9[6]。

(2)

式中，M(CaCO3)為爐內(nèi)脫硫石灰石粉實(shí)際消耗量，t/h；Bj為鍋爐煤耗量，t/h；η(Ca/S)為爐內(nèi)鈣硫比，無量綱；ηL為石灰石中CaCO3純度，取90%。

根據(jù)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫全年所需石灰石粉用量，計(jì)算全年石灰石粉的成本為

C1=J1M(CaCO3)H，

(3)

式中，C1為全年?duì)t內(nèi)脫硫石灰石粉成本，元；J1為爐內(nèi)脫硫石灰石粉的制備成本，元/t；H為機(jī)組年運(yùn)行時間，h。

2.3.2 運(yùn)行電耗成本

爐內(nèi)脫硫全年的運(yùn)行電耗用C2表示，其與脫硫裝置所采用的技術(shù)、配置、性能要求和機(jī)組容量等因素有關(guān)[5]。爐內(nèi)脫硫的主要運(yùn)行電耗是空壓機(jī)的耗電，可根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)得到不同脫硫效率下的電量消耗，再求得爐內(nèi)脫硫運(yùn)行電耗成本：

C2=J3W1H，

(4)

式中，J3為廠用電價格，元/kWh；W1為單位時間內(nèi)空壓機(jī)輸送石灰石粉的耗電量，kWh/h。

2.3.3 爐內(nèi)脫硫熱損失成本

爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)﹀仩t的熱效率有一定影響[14]，添加過量石灰石會產(chǎn)生灰渣量和物理熱損失，同時增加爐膛磨損，影響燃燒工況和鍋爐的熱效率，增加成本。同時，鈣硫比越高脫硫熱損失越大，對鍋爐熱效率的影響也越大，當(dāng)超過某個臨界值后脫硫熱損失會由負(fù)轉(zhuǎn)正[15]，即爐內(nèi)脫硫反應(yīng)會降低鍋爐熱效率。

爐內(nèi)添加石灰石對鍋爐造成的熱損失包括化學(xué)反應(yīng)熱損失、機(jī)械未完全燃燒熱損失、排煙熱損失、灰渣物理熱損失等，其中化學(xué)反應(yīng)熱損失和灰渣物理熱損失占主要部分[16-17]，其余部分占比很少，為計(jì)算方便，只考慮化學(xué)反應(yīng)和灰渣物理造成的熱損失影響。

燃料在CFB爐內(nèi)800～950 ℃燃燒時，CaCO3煅燒分解吸熱，脫硫反應(yīng)過程放熱，因此脫硫造成的化學(xué)反應(yīng)熱損失可由公式(5)計(jì)算，該項(xiàng)損失的熱量由石灰石煅燒反應(yīng)吸收的熱量與硫化反應(yīng)放出的熱量之差構(gòu)成。

(5)

式中，q1為單位時間造成的化學(xué)反應(yīng)熱損失，kJ/h。

脫硫過程添加石灰石后增加的灰渣量使鍋爐灰渣熱損失增大，且灰渣熱損失隨鈣硫比增加而增大[17]。為計(jì)算方便，將排煙熱損失中因加入石灰石引起的飛灰熱損失變化計(jì)入灰渣物理熱損失，因此，加入石灰石后的灰渣物理熱損失分為飛灰和爐渣2部分。爐內(nèi)脫硫反應(yīng)后，石灰石組分變化引起質(zhì)量變化。石灰石中的主要成分CaCO3經(jīng)分解反應(yīng)和硫化反應(yīng)后變?yōu)镃aO和CaSO4；另外，其他成分也可能存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，但因其含量相對較少且反應(yīng)后質(zhì)量變化不大，所以計(jì)算中作為惰性處理，故加入石灰石脫硫后增加的灰渣量ΔGhz為

(6)

假設(shè)從旋風(fēng)分離器逃逸的CaO和生成的CaSO4在飛灰中所占比例為60%，在排煙及排渣溫度分別為150、900 ℃下，飛灰和爐渣的焓值分別為120和874 kJ/kg[16]，則灰渣物理熱損失G2為

q2=ΔGhz[αfhct1+(1-αfh)ct2]×103，

(7)

式中，αfh為石灰石飛逸份額，取0.6；ct1和ct2分別為排煙溫度和排渣溫度下的飛灰焓，kJ/kg。

因此，脫硫反應(yīng)產(chǎn)生的熱損失q為

q=q1+q2，

(8)

這部分熱損失可以用煤折算成單位熱值的價格再進(jìn)行成本計(jì)算，故全年?duì)t內(nèi)脫硫熱損失成本為

C3=J4qH，

(9)

式中，C3為全年?duì)t內(nèi)脫硫熱損失成本，元；J4為煤折算成單位熱值的價格，為1.675×10-5元。

2.4 石灰石/石膏濕法脫硫成本計(jì)算方法

2.4.1 爐外脫硫劑石灰石漿液成本

爐外脫硫的石灰石消耗量同樣可根據(jù)總化學(xué)反應(yīng)方程得到，理論上脫除煙氣中1 mol SO2需要消耗1 mol CaCO3。但在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，為了達(dá)到較好的脫硫效果，通常鈣硫比會略大于1；且所用的石灰石純度并非100%，在吸收塔中也并非完全利用。因此在計(jì)算石灰石實(shí)際消耗時都需要做相應(yīng)處理[18]，爐外脫硫石灰石消耗量如式(10)[19]所示：

(10)

式中，ML為爐外脫硫石灰石的實(shí)際消耗量，t/h；Qg為脫硫塔入口煙氣流量，m3/h；c′(SO2)為脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度，mg/m3；X(Ca/s)為爐外鈣硫比，無量綱，可取1.02～1.05；β為石灰石利用率，%，取85%。

將石灰石漿液中的水耗計(jì)入到FGD系統(tǒng)的總水耗，故石灰石漿液與石灰石粉的消耗量相等。全年?duì)t外脫硫吸收劑石灰石漿液的成本為

C4=J2MLH，

(11)

式中，C4為全年?duì)t外脫硫消耗的石灰石漿液成本，元；J2為石灰石漿液的制備成本，元/t。

2.4.2 爐外脫硫石膏生產(chǎn)收益

石膏是爐外FGD的副產(chǎn)物，主要成分為結(jié)晶硫酸鈣，含水率為10%～20%，可綜合利用帶來收益。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，產(chǎn)生的石膏量與參與脫硫過程的SO2量直接相關(guān)，理論上1 mol SO2參與反應(yīng)會產(chǎn)生1 mol二水硫酸鈣。然而，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，真空脫水系統(tǒng)中會殘留一些石膏，且并非所有石膏都能再次利用，因此，需在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上加系數(shù)0.8保守估計(jì)實(shí)際產(chǎn)量[19]。單位時間石膏的產(chǎn)量MG可由公式(12)得到。

(12)

式中，η(Η2O)為石膏含水率，%。

爐外脫硫所生產(chǎn)的石膏的效益C5為

C5=J5MGH，

(13)

式中，J5為石膏的市場的價格，取15元/t。

2.4.3 運(yùn)行電耗成本

爐外FGD系統(tǒng)全年的運(yùn)行電耗主要包括吸收塔運(yùn)行電耗和石膏脫水運(yùn)行電耗。其運(yùn)行電耗與系統(tǒng)采用的技術(shù)、配置、性能要求和機(jī)組容量等因素有關(guān)[5]，且鍋爐不同負(fù)荷對FGD系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電耗有很大影響。可根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)得到不同脫硫效率下的電量消耗，全年FGD系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行電耗成本C6為

C6=J3W2H，

(14)

式中，W2為爐外FGD單位時間的運(yùn)行的耗電量，kWh/h。

2.4.4 系統(tǒng)水耗成本

爐外FGD系統(tǒng)的耗水主要由4部分組成，包括煙氣攜帶液態(tài)水、石膏帶走的水量、煙氣帶走的水蒸氣以及排放的廢水，影響脫硫水耗的因素主要包括煙氣流量、煙氣溫度和機(jī)組燃煤品質(zhì)等[20]。由于是閉路循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)補(bǔ)水量等于系統(tǒng)耗水量，根據(jù)不同脫硫量下耗水量，爐外FGD系統(tǒng)全年用水成本C7為

C7=J6MuH，

(15)

式中，J6為用水成本，元/t；Mu為脫硫系統(tǒng)單位時間消耗的水量，t/h。

2.4.5 廢水處理成本

廢水處理系統(tǒng)需對吸收塔排放的含大量Cl-和重金屬離子的弱酸性廢水進(jìn)行處理。根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到處理1 t廢水的成本J7為6.59元/t，其運(yùn)行電耗和各藥劑成本見表3(電耗單位以kWh計(jì))。

由于廢水產(chǎn)量隨脫硫量變化，因此根據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)估算不同脫硫量下廢水的產(chǎn)量，則全年廢水處理的成本C8為

C8=J7MwH，

(16)

式中，J7為處理1 t廢水所需花費(fèi)，元/t；Mw為單位時間的廢水產(chǎn)量，t/h。

表3 處理1 t廢水各項(xiàng)目成本Table 3 Costs of various projects for treating 1 t of wastewater

2.4.6 綜合脫硫成本

CFB鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，入爐煤質(zhì)變化不大時，SO2原始生成量基本不變。因此，結(jié)合各項(xiàng)成本計(jì)算公式得到全年平均脫除1 t SO2的綜合脫硫成本C為

(17)

式中，M(SO2)為兩級聯(lián)合脫硫系統(tǒng)全年共脫除的SO2質(zhì)量，t。

3 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

3.1 機(jī)組爐內(nèi)脫硫運(yùn)行情況

根據(jù)河坡電廠1號機(jī)組2020年5個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其平均值為床溫882 ℃、煤中硫分2.29%、爐內(nèi)鈣硫比1.93、爐內(nèi)脫硫效率87.41%、脫硫劑利用率46.12%，不同月份下鈣硫比、爐內(nèi)脫硫效率以及脫硫劑利用率如圖4所示。可知爐內(nèi)鈣硫比基本在1.4～2.3，同時爐內(nèi)脫硫效率基本在80%～90%，但脫硫劑利用率隨鈣硫比增大而逐漸降低，造成較高鈣硫比下大量石灰石浪費(fèi)。同時，不同月份下爐內(nèi)鈣硫比在1.6～1.8時基本都具有較高脫硫效率和脫硫劑利用率。因此，計(jì)算兩級脫硫系統(tǒng)中不同爐內(nèi)鈣硫比及不同爐內(nèi)脫硫份額的綜合脫硫成本，確定不同爐內(nèi)鈣硫比下最佳的爐內(nèi)脫硫份額，并討論主要成本因素對脫硫份額分配的影響。

3.2 計(jì)算條件

在機(jī)組負(fù)荷245 MW，過量空氣系數(shù)1.2，燃煤量193.2 t/h，入爐煤硫分η(Sar)=2.39%條件下進(jìn)行計(jì)算，得到燃煤產(chǎn)生煙氣量為898 271.11 m3/h，原煙氣中SO2質(zhì)量濃度為9 252.73 mg/m3。同時，在SO2排放限值35 mg/m3下，爐內(nèi)爐外兩級脫硫系統(tǒng)全年共脫除SO2為59 616.18 t。河坡電廠運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)、物料成本以及不同脫硫分配比例下兩級脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的情況見表4和5。

圖4 不同爐內(nèi)鈣硫比的脫硫效率和脫硫劑利用率Fig.4 Desulfurization efficiency and desulfurizer utilization rate of different calcium-sulfur ratios in furnace

表4 相關(guān)運(yùn)行參數(shù)及物料成本Table 4 Related operating parameters and material costs

3.3 不同鈣硫比下脫硫分配比例對綜合脫硫成本的影響

據(jù)上述相關(guān)參數(shù)分別計(jì)算爐內(nèi)脫硫份額在40%～90%下爐內(nèi)脫硫和爐外FGD各項(xiàng)目的物料消耗量，再求得全年平均脫除1 t SO2的綜合脫硫成本。電廠運(yùn)行過程中，隨爐內(nèi)脫硫份額增大，爐內(nèi)脫硫的成本將逐漸提高，爐外FGD的成本將逐漸降低。根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行中爐內(nèi)鈣硫比和脫硫份額的情況，當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為1.0～1.5時，考慮爐內(nèi)脫硫份額在40%～70%，爐內(nèi)鈣硫比為1.6～2.1時，考慮爐內(nèi)脫硫份額在70%～90%，不同爐內(nèi)鈣硫比下脫硫分配比例對綜合脫硫成本的影響如圖5所示。

表5 不同脫硫分配比例下兩級脫硫系統(tǒng)各項(xiàng)目的物料消耗Table 5 Material consumption of each item of two-stage desulfurization system under different desulfurization distribution ratios

圖5 不同爐內(nèi)鈣硫比下脫硫分配比例對綜合脫硫成本影響Fig.5 Influence of desulfurization distribution ratio on comprehensive desulfurization cost under different calcium-sulfur ratio in furnace

爐內(nèi)鈣硫比低于1.6時，較小的爐內(nèi)鈣硫比和脫硫份額導(dǎo)致爐內(nèi)脫硫成本整體偏小，爐內(nèi)脫硫成本上升幅度小于FGD成本下降幅度，因此綜合脫硫成本主要受爐外FGD成本影響。爐內(nèi)脫硫份額在60%前使用一臺空壓機(jī)，其電耗一定，綜合脫硫成本隨爐內(nèi)脫硫比例增加而降低；而60%～65%時綜合脫硫成本呈上升趨勢，這是由于爐內(nèi)脫硫劑的增加，因此需2臺空壓機(jī)，其爐內(nèi)電耗成本增加。爐內(nèi)鈣硫比為1.0時綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%時最低，爐內(nèi)鈣硫比為1.1～1.5時其成本在爐內(nèi)脫硫份額為60%時最低。

爐內(nèi)鈣硫比為1.6～2.1時，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為75%～80%時呈下降趨勢，其余爐內(nèi)脫硫份額下均為上升趨勢。這是由于隨爐內(nèi)脫硫份額的增大需要3臺空壓機(jī)，綜合脫硫成本主要受爐內(nèi)脫硫成本的影響。爐內(nèi)鈣硫比為1.6的綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為85%時最低，爐內(nèi)鈣硫比為1.7～2.1時，爐內(nèi)脫硫份額為80%時達(dá)到最低值。

此外，同一爐內(nèi)脫硫份額下，綜合脫硫成本隨爐內(nèi)鈣硫比的增大而增大。這主要由于爐內(nèi)脫硫份額不變時，在達(dá)排放限額下爐外FGD的脫硫量不變，其總體成本也不變，但爐內(nèi)鈣硫比增大使?fàn)t內(nèi)脫硫石灰石粉成本和脫硫熱損失成本均隨之增大。

3.4 不同鈣硫比下脫硫分配比例對單項(xiàng)成本的影響

結(jié)合第3.3節(jié)分析，選取爐內(nèi)鈣硫比為1.6、1.8及2.0三種不同工況分析不同脫硫分配比例對爐內(nèi)脫硫和爐外FGD脫除1 t SO2各項(xiàng)目成本的影響，如圖6所示。

圖6 不同爐內(nèi)鈣硫比的各項(xiàng)目單位脫硫成本Fig.6 Unit desulfurization cost of each project with different ratios of calcium to sulfur in furnace

由圖6可以看出，對于不同鈣硫比，爐內(nèi)脫硫劑石灰石粉成本在各脫硫分配比例下均為主要因素，占各項(xiàng)成本總和的38%～57%。爐內(nèi)脫硫的主要成本為石灰石粉成本和運(yùn)行電耗成本，F(xiàn)GD的主要成本為石灰石漿液成本和吸收塔運(yùn)行電耗成本，其次是水耗成本與廢水處理成本。這與楊汝非[21]通過對CFB鍋爐兩級聯(lián)合脫硫系統(tǒng)各項(xiàng)成本計(jì)算得到的結(jié)果基本一致。

在同一鈣硫比下，隨著爐內(nèi)脫硫份額逐漸增大，F(xiàn)GD的脫硫劑石灰石漿液成本、運(yùn)行電耗成本和石膏收益會顯著降低，而水耗成本基本不變。另外，隨爐內(nèi)鈣硫比增加，脫硫熱損失會逐漸增大，在爐內(nèi)鈣硫比達(dá)到2.0時脫硫熱損失成本轉(zhuǎn)變?yōu)檎鐖D6(c)所示，此時爐內(nèi)脫硫熱損失對鍋爐熱效率為負(fù)增長，脫硫反應(yīng)將會降低鍋爐熱效率，因此一般爐內(nèi)鈣硫比不宜高于2。

3.5 石灰石和廠用電價格對綜合脫硫成本的影響

爐內(nèi)脫硫和爐外FGD的主要成本均與石灰石價格和廠用電價有關(guān)，并隨脫硫分配比例不同價格變化非常明顯。因此，對爐內(nèi)鈣硫比為1.6、1.8及2.0下石灰石價格和廠用電價進(jìn)行分析。

3.5.1 石灰石價格對綜合脫硫成本的影響

在其他條件不變的情況下，不同來源下石灰石的價格不同，對同質(zhì)石灰石的不同價格進(jìn)行計(jì)算，分析其對脫硫分配比例的影響。假設(shè)石灰石價格為自變量x，則兩爐內(nèi)脫硫份額相等時的石灰石價格為

(18)

式中，y為不同爐內(nèi)脫硫份額的綜合脫硫成本，元/t；x為石灰石價格，元/t；J8為爐內(nèi)脫硫制備噸石灰石粉脫硫劑的其他成本，元/t；J9為爐外脫硫制備噸石灰石漿液的其他成本，元/t。

利用分段求解法分別求出：當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為2.0時，x極值為6.55、125.27元/t，其石灰石的合理價格為65.91元/t，價格大于65.91元/t，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%時最低，價格小于65.91元/t綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為80%時最低；當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為1.8時，x的極值為21.34、180.43元/t，其石灰石合理價格為100.89元/t，價格大于100.89元/t綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%時最低，價格小于100.89元/t綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為80%時最低；當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為1.6時，x的極值為42.51、292.42元/t，其石灰石的合理價格為51.38元/t，價格大于51.38元/t，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為80%時最低，價格小于51.38元/t綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為85%時最低；石灰石價格小于42.51元/t時，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%～90%時均為下降趨勢，并在90%時最低。

不同石灰石價格下的綜合脫硫成本如圖7所示。

圖7 不同石灰石價格下的綜合脫硫成本Fig.7 Comprehensive desulfurization cost under different limestone prices

綜上所述，當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為2.0時，考慮市場上實(shí)際的石灰石價格(40～70元/t)，小于64.55元/t時最佳的爐內(nèi)脫硫份額為80%，超過64.55元/t時最佳的脫硫份額為70%。當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為1.8時，對于實(shí)際的石灰石價格，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為80%時最低。當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比為1.6時，對于實(shí)際的石灰石價格小于42.51元/t時、在42.51～51.38元/t以及大于51.38元/t時最佳的爐內(nèi)脫硫份額分別為90%、85%、80%。

3.5.2 廠用電價格對綜合脫硫成本的影響

在其他條件不變時，對不同廠用電價進(jìn)行計(jì)算，分析其對脫硫分配比例的影響。令廠用電價為自變量z，則兩爐內(nèi)脫硫份額相等時廠用電價為

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利用分段求解法分別求出：爐內(nèi)鈣硫比為2.0時，廠用電價在極值最小值0.06元/kWh以上時綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為75%～80%時呈下降趨勢，在其余份額情況下均呈上升趨勢，且綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%時最低，但其值大于0.13元/(t·kWh)時爐內(nèi)脫硫份額在80%時綜合脫硫成本達(dá)到最低。因此，對于實(shí)際的廠用電價(0.12～0.5元/kWh)，其值大于0.13元/(t·kWh)時綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為80%最低；爐內(nèi)鈣硫比為1.8時，對于實(shí)際的廠用電價綜合脫硫成本最低的爐內(nèi)脫硫份額始終是80%；爐內(nèi)鈣硫比為1.6時，當(dāng)實(shí)際廠用電價低于0.17元/(t·kWh)時，爐內(nèi)脫硫份額在70%～90%的綜合脫硫成本均為下降趨勢，因此最佳爐內(nèi)脫硫份額為90%，大于0.17元/(t·kWh)時，爐內(nèi)脫硫份額在85%～90%的綜合脫硫成本變?yōu)樯仙厔荩藭r最佳爐內(nèi)脫硫份額為85%。

不同廠用電價對綜合脫硫成本及最佳爐內(nèi)脫硫份額的影響如圖8所示。

圖8 不同廠用電價下的綜合脫硫成本Fig.8 Comprehensive desulfurization cost under different auxiliary power prices

4 結(jié) 論

1)利用兩級脫硫多因素成本計(jì)算模型，不同的機(jī)組根據(jù)不同運(yùn)行條件和物料價格進(jìn)行最佳脫硫分配比例的理論推算，在滿足超低排放要求的前提下，確定機(jī)組低成本運(yùn)行方式。

2)爐內(nèi)鈣硫比低于1.6時，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為40%～70%整體呈下降趨勢，爐內(nèi)鈣硫比為1.0和1.1～1.5的最佳爐內(nèi)脫硫份額分別為70%和60%；爐內(nèi)鈣硫比為1.6～2.1時，綜合脫硫成本在爐內(nèi)脫硫份額為70%～90%整體呈上升趨勢，爐內(nèi)鈣硫比為1.6和1.7～2.1的最佳爐內(nèi)脫硫份額分別為85%和80%。同時，應(yīng)注意爐內(nèi)添加石灰石對鍋爐熱損失的影響，當(dāng)爐內(nèi)鈣硫比超過2.0時，脫硫熱損失降低鍋爐熱效率。

3)爐內(nèi)脫硫主要成本是石灰石粉和運(yùn)行電耗成本，爐外FGD的主要成本為石灰石漿液和吸收塔運(yùn)行電耗成本，且隨脫硫分配比例不同變化明顯。

4)石灰石價格和廠用電價對不同爐內(nèi)鈣硫比工況下的最佳分配份額均有影響。對于實(shí)際的石灰石價格和廠用電價，爐內(nèi)鈣硫比為2.0時最佳爐內(nèi)脫硫份額在石灰石價格低時可選為80%或高時可選70%，對廠用電價基本不受影響可選為80%；爐內(nèi)鈣硫比為1.8時最佳的爐內(nèi)脫硫份額始終為80%；爐內(nèi)鈣硫比為1.6時最佳的爐內(nèi)脫硫份額隨著石灰石價格不同從低到高分別可選為90%、85%、80%，隨廠用電價不同從低到高分別可選為90%和85%。