燃煤锅炉煤耗及脱硫综合成本的对比分析

张 进， 刘遐福， 冯 震， 田栗玮， 吴 岚

(贵州烟叶复烤有限责任公司， 贵阳 550000)

锅炉是工业企业的蒸汽、动力及热能来源，其运行的经济性直接关系到企业的切身利益。燃煤锅炉是目前应用最为普遍、技术最为成熟的炉型，由于燃煤的固有缺陷，锅炉燃烧过程中会产生大量的二氧化硫及烟尘。2013年8月，环保部为落实国务院批复实施的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的相关要求，进一步修改《锅炉大气污染物排放标准》，一类地区烟气中二氧化硫及烟尘的最高允许排放浓度分别为1 200 mg/m3和80 mg/m3，这无疑使企业在考虑原料成本的同时也要考虑环保成本。

在锅炉的运行成本中，燃煤及脱硫除尘成本可占到总成本的70%以上，燃煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、全硫及发热量等六项主要指标中，全硫及发热量与环保成本直接相关。采用高热低硫的优质煤燃煤成本高但环保成本低，反之采用低热高硫的劣质煤燃煤成本低但环保成本高。鉴于此，本文结合市场行情，对比分析了燃烧不同煤种配合不同脱硫工艺的燃煤及环保总成本，找出在满足国家环保标准下最经济的匹配方式。

1 分析方法

本次分析以实验锅炉产生1吨蒸汽为标准，以两种具有对比性的煤种(煤种1#高硫低发热，煤种2#低硫高发热)分为两方面进行分析:一方面是消耗的燃煤成本;另一方面是消耗的脱硫成本。然后计算燃烧不同煤种和采用不同脱硫方法所产生的燃煤脱硫总成本(其他成本如人工、水处理、排污、电耗等属于共同成本，故无需单独分析)，再与实际运行的燃煤脱硫成本进行对比，选择出最优的燃烧方式。锅炉主要运行参数及煤种具体成分见表1、2。

表1 锅炉主要参数

表2 煤种主要成分

2 脱硫工艺选择

本文将采用钙钠双碱法、石灰石-石膏法及氧化镁法三种不同的脱硫工艺来配合不同煤种进行成本对比分析。

2．1 钙钠双碱法脱硫

钙钠双碱法烟气脱硫技术是利用氢氧化钠溶液作为启动脱硫剂，配制好的氢氧化钠溶液直接打入脱硫塔洗涤脱除烟气中二氧化硫来达到烟气脱硫的目的，然后脱硫产物经脱硫剂再生池利用生石灰还原成氢氧化钠再打回脱硫塔内循环使用。脱硫工艺主要包括5个部分:(1)吸收剂制备与补充;(2)吸收剂浆液喷淋;(3)塔内雾滴与烟气接触混合;(4)再生池浆液还原钠基碱;(5)石膏脱水处理。主要反应式如下:

脱硫反应:

其中:式(1)为启动阶段Na2CO3溶液吸收SO2的反应;式(2)为再生液pH值较高时(高于9时)，溶液吸收SO2的主反应;式(3)为溶液pH值较低(5～9)时的主反应。

再生反应:

Ca(OH)2+Na2SO3→2NaOH+CaSO3

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

脱下的硫以亚硫酸钙、硫酸钙的形式析出，然后将其用泵打入石膏脱水处理系统，再生的NaOH可以循环使用。

2．2 石灰石-石膏湿法脱硫

此法主要是将一定浓度的石灰石浆液连续从脱硫塔顶部喷入，与自下而上的烟气充分混合，使烟气中的SO2被浆液中的碳酸钙吸收生成亚硫酸钙从而达到脱硫目的。溶液中的亚硫酸钙被氧化成为硫酸钙结晶物——石膏，并从脱硫塔底部排入石膏脱水系统。主要反应式如下:

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 结晶CaSO4+2H2O→ CaSO4·2H2O 结晶CaSO3+H2SO3→ Ca(HSO3)2pH控制

2．3 氧化镁湿法脱硫

氧化镁湿法脱硫工艺与石灰-石膏法脱硫工艺类似，它是以氧化镁为原料，经熟化生成氢氧化镁作为脱硫剂的一种脱硫系统。在脱硫塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的二氧化硫与浆液中的氢氧化镁进行化学反应从而被脱除，最终反应产物为亚硫酸镁和硫酸镁混合物。如采用强制氧化工艺，最终反应产物为硫酸镁溶液，经脱水干燥后形成硫酸镁晶体。主要反应式如下:

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 结晶MgSO4+7H2O→MgSO4·7H2O 结晶

3 理论成本分析

本节煤耗计算和脱硫剂耗量计算分别以热力学第一定律(能量守恒定律)、化学反应原理为理论依据。

3．1 煤种1#成本分析

根据锅炉运行参数可知，锅炉进口水温T1=105℃，进口水压 P1=3MPa，出口蒸汽温度 T2=194℃，出口蒸汽压力P2=1MPa，锅炉热效率り=67．78%，煤种1#的发热量为Q1=3 809大卡/千克，锅炉行业中人们规定1吨蒸汽锅炉发热量相当于600 000大卡。可得产生1吨蒸汽需消耗煤种1#的理论量:W=1 000 ×600/り/Q1=232．4 kg=0．232 4T

煤种1#所含全硫6．74%，产生1吨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盐外的硫化物，在燃烧时都会转化为SO2，这一部分一般占总含硫量的84%，所以SO2的总生成量为:15．66 ×2 ×0．84=26．32 kg

本次分析以将SO2全部转化为沉淀，各药品纯度为90%为基准，根据三种脱硫方法反应方程式计算可知:

石灰石法脱硫:产生1吨蒸汽消耗生石灰:26．32 ×56 ÷64 ÷0．9=25．58 kg;

钠法脱硫:产生1吨蒸汽消耗NaOH:26．32×80 ÷64 ÷0．9=36．56 kg;

镁法脱硫:产生1吨蒸汽消耗氧化镁:26．32×40 ÷64 ÷0．9=18．29 kg。

2．2 煤种2#成本分析

由煤种2#发热量Q2=6 131大卡/千克，可得产生1吨蒸汽需消耗煤种2#的理论量:W=1 000×600/り/Q2=0．144 4 T。

其所含全硫5．29%左右，产生1吨蒸汽所耗燃煤中的含硫量:144．4 kg ×5．29%=7．64 kg，SO2的总生成量为:7．64 ×2 ×0．84=12．83 kg;

石灰石法脱硫:产生1吨蒸汽消耗生石灰:12．83 ×56 ÷64 ÷0．9=12．47 kg;

钠法脱硫:产生1吨蒸汽消耗NaOH:12．83×80 ÷64 ÷0．9=17．82 kg;

镁法脱硫:产生1吨蒸汽消耗氧化镁:12．83×40 ÷64 ÷0．9=8．91 kg。

根据以上计算分析，结合市场价格:煤种1#530元/吨，煤种 2#650元/吨，CaO 560元/吨，NaOH(片碱)3 600 元/吨，MgO 700 元/吨。

煤种1#吨汽燃煤脱硫总成本:

石灰法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．255 8×530+25．58 ×0．56=149．90 元;

钠法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．255 8×530+36．56 ×3．6=267．19 元;

镁法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．255 8×530+18．29 ×0．7=148．38 元;

煤种2#吨汽燃煤脱硫总成本:

石灰法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．144 4×650+12．47 ×0．56=100．84 元;

钠法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．144 4×650+17．82 ×3．6=158．01 元;

镁法脱硫的燃煤脱硫总成本:0．144 4×650+8．91 ×0．7=100．1 元

结果汇总于表3及图1:

表3 产1吨蒸气燃煤脱硫成本 元

图1 理论燃煤脱硫成本

4 实验成本分析

本文通过实验来验证理论分析结果，以提高理论分析结果的可靠性。本次实验分为6个阶段，每个阶段历时12小时，前三个阶段燃烧煤种1#，后三个阶段燃烧煤种2#，实验总时长72小时;考虑锅炉负荷变化及技术人员对不同燃料及脱硫工艺的适应过程，每阶段实验前、后2小时共4小时作为实验过度阶段，所测数据波动较大，不作为分析依据，只以中间8小时数据进行分析;实验过程中结合烟气在线监测系统、蒸汽流量实时监测系统、脱硫剂智能添加装置等先进实验设备，保证了实验过程中各测量参数的准确性，具体实验结果见表4。理论及实验吨汽燃煤脱硫成本对比见图2。由图2可以看出，实际值与理论值之间相差极小且趋势相同，进一步论证了理论分析的准确性。

图2 理论与实验成本对比

表4 实验结果汇总

5 结论

(1)在脱硫方法相同的情况下，燃烧价格较高优质煤的吨汽燃煤脱硫成本要明显低于燃烧价格较低劣质煤的吨汽燃脱成本，根据理论值，采用石灰法、钠法及镁法脱硫的吨汽燃煤脱硫成本要分别低49．06、109．09、48．28 元，成本分别下降 32．7%，40．8%、47．88%，若按年产汽量10万吨计算，每年可分别节约成本约49万、109万及48万元，打破了企业以往燃料价格越低，企业经济效益越高的惯性思维。

(2)在三种常用的脱硫方法中，石灰法成本最低，镁法次之，钠法最高，故选用石灰法脱硫与优质煤燃烧的配合方式可将燃煤脱硫总成本控制在最小。

［1］杨世铭，陶文铨．传热学［M］．北京:高等教育出版社，1998．

［2］任玉生，徐宁．钙镁渣湿法烟气脱硫工艺的研究［J］．科技情报开发与经济，2007，17(21):171-173．

［3］王宏伟，于凤丽，路洋．烟气脱硫技术的应用与发展［J］．分析与环保，2006，(2):49-51．

［4］晏乃强，施辉，吴忠标，等．双碱法游板塔烟气脱硫工艺［J］．环境科学，1998，19(5):72-74．

［5］赵毅，许勇毅，赵翠仙．几种常见的烟气脱硫技术［J］．山西化工，2006，2(1):53-55．