废水零排放条件下煤炭运输防冻剂的经济性对比分析

杭智军，王玉超，于 坤，陈建鹏，孙 刚

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 矿用材料分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013; 3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013;4.神东煤炭集团公司 榆家梁选煤厂，陕西 榆林 719315)

0 引 言

据中国电力企业联合会公布数据，2019年我国火电发电量5.05万亿kW·h，占全年发电量的69%。电力行业是燃煤消耗的主体，煤炭的大量燃烧所产生的SO2等污染物是我国大气环境的主要污染源[1]。目前，主要的脱硫技术有湿法、半干法及干法等脱硫技术，而石灰石-石膏湿法脱硫技术具有脱硫效率优异、技术成熟、吸收剂来源广泛和对水质变化适应性强等优点，是目前我国燃煤电厂最主流的脱硫工艺[2]。

氯是煤中常见有害元素之一，据统计，我国煤中氯元素含量整体较低，平均为0.020%，主要为低氯煤和特低氯煤。然而，由于冬季煤炭运输防冻需要，氯化钙防冻剂的使用，使煤中氯含量提升数倍，甚至数十倍[4]。据报道，经燃烧煤中90%以上的氯元素以HCl的形式转移到燃煤烟气中[5]，而最终77.3%的氯元素转移至脱硫废水中且在此富集[6]，Cl-含量的不断升高，引起管道腐蚀严重[7]，同时会影响脱硫效率及脱硫石膏的品质[8]，故脱硫浆液中氯离子质量浓度(氯度)通常被作为浆液外排的指标，其极限水平在10 000 mg/L～20 000 mg/L之间。为了保持Cl-含量的稳定，需要定期排出脱硫塔内的水，导致脱硫废水增加，由于氯离子难以去除，脱硫废水是燃煤电厂最难治理的末端废水，若直接排放将污染水域及农田。

根据我国煤中氯含量低与冬季氯化钙防冻剂的使用特征，以及出口煤对煤中氯含量的严格控制(日本：Cld<0.02%；韩国：Cld≤0.025%)，故急需开发具有经济性的无氯煤炭运输防冻剂。煤科院开发的环保型煤炭运输防冻剂(环保型防冻剂)[4]在国家能源集团神东公司日本出口煤运输防冻中已连续使用3年，笔者主要对环保型防冻剂与氯化钙防冻剂进行技术及经济性对比，重点对废水零排放条件下煤炭运输防冻剂的选择对燃煤电厂的经济性进行分析。

1 脱硫废水零排放技术

2 煤炭运输防冻剂对比

2.1 氯化钙防冻剂

CaCl2·H2O是1种白色、灰白色或稍带黄色结晶，味苦而涩，潮解性强，熔点为772 ℃，相对密度为1.835，氯含量约48.30%，溶于水后具有一定的腐蚀性，但其溶于水后可以显著降低水溶液的凝固点，且不同浓度的氯化钙溶液具有不同凝固点，目前广泛地用于煤炭冬季铁路运输防冻领域。

2.2 环保型防冻剂

环保型防冻剂是煤科院开发的1种有机无机复合防冻剂，不含N、S及P等煤中有害元素，主要含有C、H、O等有机元素，其含量约74.83%，可以随煤炭直接燃烧，不产生二次污染。环保型防冻剂具有优异的防冻性能，且氯含量低于100 μg/g，具有出色的缓释性能，可以有效降低甚至避免防冻剂对喷洒及铁路运输设备的腐蚀。

3 应用实例

以神东煤炭集团煤炭运输防冻的需求为例，根据最新的氯化钙防冻液喷洒量，依据铁路沿线气温在0 ℃～-30 ℃、每节车厢的防冻液喷洒量为0.04 t～0.24 t、防冻液的配液浓度即二水氯化钙与水质量比为0.7∶1，选择列车车型为C70，每节车厢防冻液平均喷洒量按0.14 t计算，可知防冻剂对煤中氯含量的贡献率为0.04%，超出了出口煤对氯含量的控制。

由于日本客户对煤中氯含量的严格要求，自2017—2019年冬季，神东公司已连续3个冬季日本出口煤运输使用环保型防冻剂进行防冻，环保型防冻剂中C、H、O等可燃性有机元素含量高，不含其他煤中有害元素。根据铁路沿线气温变化，环保型防冻剂与水基本按质量比0.9∶1进行配液，每节车厢平均喷洒防冻液约0.10 t，经近3年的对比分析，环保型防冻剂防冻性能与氯化钙型防冻剂相当，车厢侧壁防冻性能更优，满足冬季煤炭运输防冻需求，且对煤质没有影响，满足日本客户对煤质的要求。

4 防冻剂的经济性分析

4.1 氯化钙防冻剂的综合成本分析

基于全生命周期分析氯化钙防冻剂对煤质及废水影响的经济性，氯化钙防冻剂的吨煤综合成本(C)主要包括脱硫废水的处理费用(C1)、脱硫废水零排放技术的设备投资(C2)、防冻剂的成本(C3)及分离所得氯化钠的销售(C4)等费用。

C=C1+C2+C3-C4

为了方便计算，不考虑由于氯化钙防冻剂中Ca2+引起的水质硬度变化以及煤中固有的Ca2+、Mg2+等离子对废水水质的影响，只考虑煤中氯含量的增加，使燃煤电厂脱硫废水增加，脱硫废水处理费用增加。吨煤增加脱硫废水量(y)与吨煤增加脱硫废水处理费用(C1)可通过下式计算：

C1=yp

式中，y=(a·b)/c,p是脱硫废水的吨处理成本，元/t；其中，a是氯化钙防冻剂对煤中氯含量的增加率，%；b是煤中氯转移至脱硫废水中的比例，%；c是脱硫废水的氯含量，%。

根据应用实例中防冻剂对煤中氯含量的贡献，选取氯化钙防冻剂对煤中氯含量的增加率为0.04%，根据文献[6]选择煤中氯转移至脱硫废水中的比例为77.30%，脱硫废水的氯含量选取1.5%(忽略废水密度变化对氯含量的影响)，脱硫废水的吨处理成本为81元/t[15]，经计算由于氯化钙防冻剂的使用，吨煤废水增加量为0.020 6 t，引起吨煤增加脱硫废水处理费用(C1)为1.67元。

根据文献[15]的典型脱硫废水零排放技术，每小时处理1 t脱硫废水需投入设备固定资产额平均为193.83万元，以1台功率为1 000 MW的燃煤机组额定负荷运行为例，发电煤耗按300 g/kWh，每小时用煤量为300 t，由于氯化钙防冻剂导致脱硫废水增加量6.18 t/h，故需要投入设备固定资产为1 197.87万元，由于脱硫废水处理设备运行工况恶劣，设备设计寿命20年，假设预计残值与预计清理费用相等，采用直线折旧法计算，每年设备折旧费用为59.89万元。而每年冬季煤炭运输使用防冻剂时长为4个月，该机组冬季的耗煤量为86.40万t，吨煤设备折旧费用(C2)为0.69元。

目前神东煤炭集团煤炭运输防冻工作采用整体外包于第三方的商业模式，吨煤费用(C3)约0.79元。根据氯化钙防冻剂对煤中氯含量的贡献率为0.04%，77.30%的煤中氯转移至脱硫废水中，以及氯化钠中氯含量为60.75%，可知吨煤产生氯化钠的质量为0.000 5 t，工业氯化钠的销售单价为500元/t，故吨煤产生氯化钠的销售额(C4)为0.25元，因此，氯化钙防冻剂的使用，导致吨煤综合成本(C)增加约2.90元。

4.2 环保型防冻剂的综合成本分析

环保型防冻剂对煤质及废水影响的经济性，其费用主要包括环保型防冻剂成本与喷洒费用，主要为环保型防冻剂成本费用。日本出口煤喷洒环保型防冻剂经过3年的稳定运行，煤质指标能够得到很好的控制，满足客户需求。神东公司近三年日本出口煤喷洒环保型防冻剂的成本统计表见表1，平均吨煤成本为3.14元。

表1 神东集团近3年冬季日本出口煤用环保型防冻剂的吨煤成本核算

经过对2种防冻剂使用的综合成本对比，在仅考虑77.30%的煤中氯的情况下，环保型防冻剂的吨煤综合成本仅比氯化钙防冻剂高出0.24元。而其余的22.70%的煤中氯将转移至大气、粉煤灰及炉渣中，其中主要转移至大气中污染周边空气质量，腐蚀建筑物甚至污染水域及农田，如果氯化钙中100%的氯元素转移至脱硫废水中，按上述方法进行综合成本核算，氯化钙防冻剂的吨煤成本较环保型防冻剂高出0.61元至3.75元。

另外，由于氯化钙防冻剂的使用，导致防冻剂喷洒设备、列车等运输设备，以及煤炭燃烧炉都会受到不同程度的腐蚀，设备使用寿命缩短，更换频率增加，重点是列车车厢上的电磁阀以及高温燃煤锅炉的氯腐蚀特别严重，带来较大的经济损失，从而间接增加吨煤的氯化钙防冻剂使用成本。而环保型防冻剂具有良好的缓释性能，可以降低甚至避免对相关设备的腐蚀。上述腐蚀造成的吨煤成本增加，影响因素较多，难以精确定量统计，在此仅做定性探讨。如果煤炭利用企业、运输企业以及政府经过合理费用分配，各自承担相应的成本，使用环保型煤炭运输防冻剂可以切实实现煤炭全生命周期的清洁化供给。

5 结 论

脱硫废水零排放的提出是煤炭的清洁化利用的必然要求，煤炭的清洁化利用必须要求从开采、提质加工、流通到利用等煤炭供应全过程的清洁化，而氯元素是煤中常见有害元素之一，铁路运输防冻过程中使用氯化钙防冻剂本身有违煤炭的清洁化利用，引起燃煤废水增加以及对设备的严重腐蚀。通过氯化钙防冻剂对煤中氯含量的影响以及煤中氯含量与脱硫废水的定量关系，重点以实际案例基于全生命周期对氯化钙防冻剂与环保型防冻剂的经济性进行综合分析。经研究表明：

(1)仅考虑氯化钙防冻剂中77.30%的氯含量，氯化钙防冻剂的吨煤综合成本为2.90元，考虑氯化钙防冻剂中100%的氯含量时，氯化钙防冻剂的吨煤成本较环保型防冻剂高出0.61元至3.75元。

(2)从喷洒运输到煤炭利用整个过程，由于氯离子的存在，导致相关设备产生严重的腐蚀，特别是高温锅炉及列车上的电磁阀等易损件，从而间接增加吨煤的氯化钙防冻剂使用成本。

(3)通过经济性对比分析旨在为煤炭的清洁化运输，特别是电煤及化工煤的清洁化运输提供1种新的思路，环保型防冻剂具有良好的综合成本优势，且可以切实落实煤炭的清洁化供给与利用。