石灰石/石膏濕法脫硫系統單耗分析及節能方向

溫武斌,魏書洲

(三河發電有限責任公司,北京 065201)

石灰石/石膏濕法脫硫系統單耗分析及節能方向

溫武斌,魏書洲

(三河發電有限責任公司,北京 065201)

建立了石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統單耗分析模型,以三河電廠 350MW機組為例,分析了脫硫系統單耗在各設備及系統的分布情況,探討濕法煙氣脫硫系統的節能方向。

脫硫;單耗;節能

我國的環境污染非常嚴重,SO2排放是大氣污染的主要污染源之一。截至 2005年,我國 SO2的排放總量高居世界第一位。國家環保總局將 SO2總量控制列為中國“十一五”期間環境保護的主要目標,火電廠作為 SO2重點排放源,各種脫硫技術得到廣泛的應用。綜觀國內的火電脫硫市場,濕法脫硫以85%的市場占有率,成為電廠脫硫的主流技術。

雖然濕法脫硫以其技術成熟、脫硫效率高等優點成為脫硫市場的主流技術,但其造價高,占地大,運行維護成本高等缺點卻成為企業經濟效益的一大負擔,如何在履行社會責任的同時,保證機組的經濟運行,是當前的火電企業必須面臨的一個重要課題。

1 脫硫系統單耗的定義及構成

為配合脫硫電價,便于煙氣脫硫成本的計算,將每生產 1 kW·h電能所產生的煙氣處理成環保合格的煙氣的過程中所消耗的物料、能量和金錢,定為煙氣脫硫系統的單耗。根據石灰石/石膏濕法脫硫系統的特點和工藝流程,脫硫系統的單耗主要包括 4個部分:物料消耗 (脫硫劑和水的消耗)、能量附加單耗(主要是電能的消耗)、設備折舊附加單耗 (由設備折舊造成的附加單耗)和維護費附加單耗 (包括人工費、材料費、大修提存費、保險等)。

2 脫硫系統單耗分析模型的建立

典型的石灰石/石膏濕法脫硫系統分為 4個部分:煙氣系統、吸收系統、漿液制備系統和石膏脫水系統。有些濕法脫硫系統沒有設置 GGH,或者沒有濕式球磨機系統,但是在進行單耗計算的時候不會受到影響,只需按照實際工藝流程進行計算即可。

2.1 物料單耗的計算

2.1.1 脫硫劑的消耗

濕法脫硫所用脫硫劑的種類很多,但是石灰、石灰石以其儲量豐富、價格便宜、不易產生二次污染、脫硫產物便于綜合利用的優勢,廣泛的應用于濕法脫硫系統,這里以石灰石為例計算脫硫劑的單耗,根據物料平衡關系可得:

式中:qv2滿負荷時脫硫系統入口煙氣流量,m3/h; ρSO2為煙氣中 SO2濃度,mg/m3;KCa/S為鈣硫比,常數,濕法脫硫正常取 1.1;wCaCO3為石灰石原料中碳酸鈣的質量分數,%;ms為滿負荷運行 1h消耗的石灰石原料,t/h。

2.1.2 工藝水消耗

脫硫系統工藝水的消耗主要包括:凈煙氣帶走的飽和水蒸汽;凈煙氣帶走的液滴;成品石膏帶走的水分;脫硫系統排放的廢水;設備冷卻用水;設備沖洗用水。其中,設備冷卻用水和設備沖洗用水最終均返回吸收塔得到重復利用,在計算水耗時可以不計;成品石膏帶走的水分主要是石膏結晶水和未脫出的水分,按石膏質量的 10%計算,水量很小;脫硫系統排放的廢水量受工藝水水質 (氯離子含量)的影響,但就1臺不大于 600MW的機組拉來說,廢水排放量一般不大于 15 t/h;凈煙氣帶走的液態水量根據除霧器的運行效果有所不同,但按照除霧器出口煙氣含液態水量控制在 75mg/m3的要求, 300MW機組滿負荷運行 1 h帶走的液滴不超過 1 t;脫硫系統水耗的 85%以上是通過凈煙氣帶走的飽和水蒸汽的方式消耗掉的。

假設脫硫系統入口標態干煙氣量為qv1,脫硫系統入口標態干煙氣質量為m0,脫硫系統入口標態濕煙氣量為qv2,吸收塔出口煙氣溫度為t0,吸收塔出口濕煙氣壓力為p0=0.1Mpa,則有:

吸收塔出口煙氣攜帶的飽和水蒸汽量為:

煙氣從脫硫系統帶走的水蒸汽量為:

假定煙氣從脫硫系統帶走的水蒸汽量占系統水耗的 85%,則脫硫系統水耗為:

2.2 能量附加單耗的計算

脫硫系統能量的消耗主要體現在電能的消耗,脫硫系統的廠用電率是衡量一套脫硫系統經濟性的一個重要指標,脫硫系統電能的消耗可以通過各設備電能消耗的總和得出,由于有些設備不是連續運行的,因此我們在這里引入一個有效運行時間的概念,設某臺設備的實際功率為Pi,有效運行時間為Ti,則該設備每小時耗電量為P’i=Pi×Ti,各設備總耗電量為:P’=P’1+P’2+∧+P’i,Ti可以根據物料的平衡關系來計算。例:

設球磨機出力為Wm(固體物干態:t/h),則球磨機的有效運行時間為:

2.3 設備折舊附加單耗的計算

假設脫硫系統初始投資值為Mz,系統全壽期為n(取決于機組的全壽期),系統凈殘值為Mc,采用直線折舊法計算年折舊費為:

取機組年平均負荷率為η,機組裝機容量為P,則設備折舊附加單耗為:

2.4 運行維護附加單耗的計算

假設脫硫系統在全壽命周期內平均每年的維護費用為Zw,則系統運行維護附加單耗為:

上述的計算可知,濕法煙氣脫硫的成本應為以上幾項單耗的總和,設脫硫劑的價格為x、工藝水的價格為y、發電標準煤耗為z、標準煤價為v,把所有單耗折合成金錢則脫硫成本為:

2.5 邊界條件及誤差分析

2.5.1 邊界條件

本模型根據典型的濕法脫硫系統建立,適用于一切濕法、半干法煙氣脫硫系統,不過在應用時需根據工藝流程的實際情況做些許調整,如有些煙氣再熱裝置采用蒸汽、燃燒加熱等方式,那么脫硫成本中需考慮蒸汽產生費用或燃油、燃氣等費用。在計算脫硫劑的消耗時,也需要根據使用脫硫劑的種類進行化學反應分析,找出相應的物料平衡關系。

2.5.2 誤差及修正

(1)煙氣流量采用設計值,運行中的數值可能與設計值有偏差,且此數值是一個不斷變化的值,在實際計算中,可以采用實際平均值加以修正。

(2)火電廠煙氣中 SO2質量濃度和煙氣含水量的計算,可根據燃用煤種的變化以及電廠周圍環境的變化取實際平均值進行修正。

(3)設備折舊費的計算有很多種,不同算法所得到的設備每年的折舊費可能有偏差,這里應以財務核算的數據為準,對設備折舊費進行修正。

(4)運行維護費用里邊包含了運行費用、維修人員的人工成本以及脫硫系統大修提存費等費用,應以財務核算的數據為準。

此模型所計算系統單耗,是以機組滿負荷運行為基礎,但實際運行中,煙氣流量和成分與負荷并不成正比,因此,此模型計算的結果只能反映一個長時間的平均值,不能用于某一時刻單耗的計算。

3 應用實例

三河電廠一期煙氣脫硫改造工程,在已經建成的2×350MW機組加裝煙氣脫硫裝置,采用石灰石—石膏濕法脫硫技術,一爐一塔,設置煙氣旁路和GGH,每臺機組單獨設置 1臺增壓風機,共用一套漿液制備系統和石膏脫水系統,吸收劑的制備,采用購石灰石,廠內制備漿液的方案。

表1 三河電廠脫硫系統設計指標

3.1 單耗的計算

系統單耗包括石灰石原料的消耗和工藝消耗兩部分。依據式(1)可計算出脫硫系統石灰石原料的消耗為 3.545 t/h。

據工藝水消耗分析,可計算出吸收塔出口處煙氣攜帶的飽和水蒸汽量為 201317.13 kg/h,由式(3)可知原煙氣中攜帶的水量為 78470.01 kg/h,由式(4)可計算出煙氣從脫硫系統帶走的水蒸汽量為122847.12 kg/h,則脫硫系統水耗為 144.53 t/h。

3.2 能量附加單耗的計算

脫硫系統能量的消耗主要是電能的消耗,可以通過系統各設備電能消耗的總和得出(見表 2)。

表 2 各耗電設備功率及每小時有效運行時間統計

根據表的統計,機組滿負荷運行 1 h,脫硫系統所消耗的電能為:

3.3 設備折舊附加單耗的計算

三河電廠一期 2×350MW機組脫硫系統初始投資總值為 21983萬元,凈殘值為 0,系統全壽期為n=20年,則由式 (7)計算得每年脫硫系統的折舊費為 549.57萬元。

由式(8)計算可得脫硫系統設備折舊附加單耗為 0.00285元/(kW·h)。

3.4 設備維護附加單耗的計算

根據三河電廠脫硫系統投產兩年來的實踐情況統計,平均每年用于一期脫硫系統的維護費用約為820萬元,則由式(9)計算得系統設備維護附加單耗為 0.00212元/(kW·h)

3.5 脫硫單耗及分布情況

三河電廠采購脫硫劑 (石灰石)的價格為 137元/t、地下水的價格為 4.1元/t,發電標準煤耗為311 g/(kW·h),標準煤價為 550元/t,由式 (10)計算可得三河電廠脫硫單耗為 0.01016元/(kW·h),其組成分布情況見表 3。

表3 三河電廠脫硫系統單耗分布

從表 1可以看出,在脫硫系統單耗中,設備折舊占 27%,維護費用和電費各占 21%,工藝水消耗和石灰石消耗分別占17%和14%。

4 濕法脫硫系統節能方向

從三河電廠脫硫系統單耗分析情況來看,相對于 0.015元/h的脫硫電價政策,濕法脫硫還具有一定的利潤空間,但就目前的脫硫系統基建和運行水平,脫硫系統的節能潛力還不容忽視,根據單耗的分布情況,脫硫系統節能應從工藝水消耗、石灰石純度、設備維護等幾個方面入手。

4.1 設備折舊費

設備折舊費用在脫硫單耗中所占比重首屈一指,因此應切實加強工程造價控制,在基建期間就為降低脫硫運營成本創造有利條件,但是節約造價并不等同于降低工程質量,在國內脫硫技術日益成熟的情況下,適當加大設備國產化程度是降低脫硫系統工程造價的一個重要途徑。

4.2 廠用電

廠用電消耗在脫硫系統單耗中所占比例較為突出,而在脫硫系統廠用電的消耗中,增壓風機的電耗最大,占整個脫硫系統電耗的 50%以上,其次是漿液循環泵,電耗占 20%以上,這兩大設備的電能消耗占著個脫硫系統的 80%以上,因此減少增壓風機、漿液循環泵等的耗電量是降低脫硫系統單耗的重要途徑之一。

4.3 設備維護費

設備維護費用在脫硫系統單耗中所占比例僅次于設備折舊費,這里面存在很大的節約空間,一方面要加強設備和系統的優化治理,提高設備和系統的健康水平。另一方面,要推進備件材料的國產化進程,降低維護成本。

4.4 工藝水

保證除霧器的運行效果,做好工藝水系統的循環利用,節省系統工藝水的消耗。

4.5 石灰石純度

在燃用煤種一定的前提下,脫硫系統石灰石消耗量只與鈣硫比和石灰石原料的純度有關,提高石灰石原料的純度,在保證脫硫效率的前提下選擇較小的鈣硫比,可有效降低系統原料消耗。

5 結語

通過對典型的濕法脫硫系統的單耗分析,從整體上闡述了濕法脫硫系統的節能方向,在各工程實踐中可采取相應的具體措施,如在環保要求相對寬松的地區,脫硫系統設計時可考慮取消 GGH來低增壓風機電耗等,使脫硫系統節能降耗真正落到實處。

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Analysis of limestone/gypsum WFGD system consumption and energy-saving

The unit consump tion analysis model of l imestone-gyp sum W FGD system was established.Taking the unit consumption analysis of Sanhe Power Plant 350MW units fo r example,the distribut ion of unit consumption was analyzed.The energy saving direction ofW FGD system was pointed out.

desulfurization;unit consumption;energy saving

X701.3

B

1674-8069(2011)03-053-04

2010-10-16;

2011-04-21

溫武斌 (1972-),男,河北張家口人,總工程師,主要從事電廠管理工作。E-mail:040207@ghepc.com