【技术汇】燃煤电厂脱硫技术及超低排放改造费效分析

电力行业节能环保公众服务平台2019-01-16 04:35:18

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作者 | 卢晗 郑鑫 李薇 王灵志 吴楠楠 包哲 张小飞

华北电力大学教育部区域能源系统优化重点实验室

南瑞(武汉)电气设备与工程能效测评中心

南瑞集团公司(国网电力科学研究院)

国网北京经济技术研究院

摘要

基于燃煤电厂二氧化硫排放现状及超低排放的要求,构建石灰石一石膏法脱硫费效计算模型,分别分析机组容量、年运行小时数、不同SO2排放限值及托盘塔改造对成本效益的影响,以“费用最小化、效益最大化”为原则,寻求节能减排新途径。

结果表明:

在煤炭含硫量和脱硫效率一定时,100MW、200MW、300MW、600MW和1000MW机组的减排量分别为3.47万,5.5万,8.2万,15.5万,25万t,呈逐渐增大趋势,同时,费效比逐渐减小,说明大容量机组环境、经济效益明显;同一机组容量,脱硫成本与年利用时间呈负相关;SO2排放标准越严格,吨SO2脱除成本和单位发电量运行成本越高;托盘塔超低排放改造技术经济可行,费效比<1,减排效益明显,可作为燃煤电厂脱硫设施改造的重点技术。

关键词:燃煤电厂;石灰石一石膏法脱硫;超低排放;费效分析;托盘塔技术


0 引言


2015年,我国煤炭消耗总量约为29.5亿t,电煤消耗占总消耗量的52%,燃煤电厂二氧化硫排放量占全国的26%,是导致空气污染的主要原因之一。

最新的GB 13223一2011《火电厂大气污染物排放标准》对锅炉二氧化硫排放浓度进行了更严格地限制。2017年,我国在政府工作报告中再次提及超低排放,在2020年前对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造。截止目前,我国超低排放新格局已基本形成,多种污染物控制技术也趋于成熟,针对火电厂燃煤烟气脱硫,托盘塔技术改造即可有效降低SOz排放浓度,同时达到脱硫除尘的目的。

由于减排技术及污染物排放浓度的限制,实现“超低排放”会造成经济上投入增加较多的现象,但其所带来的环境效益却相对薄弱。费效分析可有效研究技术可行性及不同减排情景下的环境、经济效益,对提高电厂污染物控制效率,改善大气环境质量具有重要意义。本文即从经济和环境效益角度,研究燃煤电厂脱硫设施运行各因素对脱硫成本效益的影响情况,以及超低排放改造后的成本和由此减少的污染物排放量,以“费用最小化、效益最大化”为原则,寻求节能减排新途径。


1燃煤电厂二氧化硫排放及减排措施现状


文献统计显示,2014年全国废气中二氧化硫排放量为1975万t,工业二氧化硫排放量为1740万t,占总二氧化硫排放量的88%。如图1所示,自“十三五”实施以来,我国二氧化硫排放量呈下降趋势,这与电力行业大力推进脱硫措施密切相关。

图1近5年SO2排放情况

为满足日益严格的污染物排放标准,我国燃煤脱硫机组容量呈现不断增长的趋势,2015年当年新建投运火电厂烟气脱硫机组容量约0.53亿kW,截止2015年底,全国已投运火电厂烟气脱硫机组容量约8.2亿kW,占全国火电机组容量的82.8 %,占全国煤电机组容量的92.8%。其中,石灰石一石膏湿法所占的比例高达93 %,除此之外,还包括烟气循环流化床法、氨法、海水法等,如图2所示。

图2  2015年电厂脱硫机组的脱硫方法

针对燃煤电厂目前应用最广泛的石灰石一石膏湿法脱硫技术,构建费效计算模型,开展费效情景分析,对实现火电厂环境和经济的双赢具有重要意义。


2石灰石一石膏法脱硫费效计算模型


2.1费用计算模型

燃煤电厂烟气脱硫系统运行成本包括固定成本和变动成本两部分。固定成本OPE固,SO2通常包括折旧成本、维修成本、人工成本和管理成本,变动成本OPE变, SO2即脱硫技术的物耗量,与炉型f,煤质cq、控制技术t、机组容量q、污染物入口浓度c、脱除效率η以及年利用小时数h有关。烟气脱硫运行成本计算公式见式(1):

石灰石一石膏法脱硫的物耗包括石灰石耗量、电力耗量及工艺水耗量,计算见式(2):

本文以脱硫设施的吨污染物脱除成本及单位发电量运行成本来衡量石灰石一石膏法脱硫的经济性,其计算方法见式(3)、式(4):

2. 2减排效益模型

随着机组脱硫设施装机容量的逐渐增大,二氧化硫减排量亦在逐年增加,2015年SOz排放量比上年减少5. 8%,在改善空气质量问题的同时也为我国带来一定的经济效益。电厂脱硫的经济效益主要来源于排污费的减少和环保电价的补贴,污染物减排的环境效益以污染物减排量为指标进行评估,因此,根据物料衡算法,石灰石一石膏法脱硫的环境效益由式(5)计算:

2007年我国发布《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》,规定二氧化硫排污费为1.26元/kg,燃煤电厂脱硫设施上网电价执行在现行上网电价基础上加价1.5分/(kW·h)的脱硫加价政策。因此,燃煤电厂脱硫经济效益的计算为:

通过计算费效比,更为直观的分析脱硫技术的经济可行性,当费效比<1时,说明该技术经济可行,反之不可行,费效比的计算见式(7):

3石灰石一石膏法脱硫费效分析

本研究所用数据通过文献调研、统计等方法获得,因素定值设定如下:煤质发热量Qarcq,。取20934kJ/kg,燃煤锅炉,根据现行市场价格调研,石灰石价格取130元/t,工艺水价格取5元/t,上网电价取0.3365元/(kW﹒h),经计算A值为0.1633。本文即选定若干影响脱硫设施运行的关键因素,包括机组容量、年运行时间、不同SOz排放限值、煤炭中硫含量等进行分析研究,得出各因素对脱硫成本及效益的影响规律,以寻求石灰石一石膏法脱硫设施运行的最佳状态。

3. 1模型机组容量对成本效益的影响

设定含硫量为1%,脱硫效率为95%,机组容量分别为100,200,300,600,1000WM,年运行时间为5000h,分别计算其吨SO2脱除成本、单位发电量运行成本和年减排量。如图3、图4所示,大容量机组有助于降低吨SOz脱除成本及单位发电量运行成本。随着机组容量的增加,吨SOz脱除成本逐渐减小,是因为脱硫设施总运行成本和年SOz减排量都呈增长趋势,但幅度不同,导致吨SO2减排成本降低。在脱硫效率和含硫量一定时,随着机组容量提升,单位发电量运行成本逐渐减少,主要是因为随着机组规模增大,单位容量投资成本逐渐减少;脱硫电耗率降低,导致电耗成本减少;锅炉热效率升高,发电标煤耗降低,使得石灰石耗量减少,成本随之降低;水耗量虽逐渐增大,但单位发电量的成本与规模效应有关,呈减少趋势。总而言之,机组规模越大,脱硫设施单位发电量运行成本越低。

如图5所示,大容量机组的污染物年减排量较大,主要是因为发电标煤耗随着容量的增加而减少,使SOz排放量减少。脱硫设施的费用效益比值<1,且随着机组容量的增大而减小,说明大容量机组的经济效益更为显著,有利于实现环境和经济的双赢。

3. 2年运行小时数对成本的影响

年运行时间是影响脱硫设施运行成本的重要因素,设定燃煤含硫率为1%,脱硫率为95 %,机组容量分别为600,1000MW,分别计算年利用时间为4000,4500,5000,5500,6000h下的单位发电量运行成本及吨SO2脱除成本,如图6、图7所示。随着年利用时间的增加,单位发电量运行成本及吨SO2脱除成本均呈减少趋势。

在中国的电力监管框架下,电网公司不仅拥有和经营输配电网络,而且还是该系统的运营商,决定每个电厂发电和向电网销售电力的小时数。如果系统操作员可以根据每个发电厂的排放情况调度运行时间,增加“清洁”电厂的运行时间,同时减少“污染”电厂的运行时间,以支持那些已经安装并且脱硫效率高的电厂,在达到更好减排效果的同时降低成本。

3. 3不同SO2排放限值对成本的影响

近几年,我国正推动燃煤电厂超低排放改造以接近天然气电厂水平,会对解决大气环境问题带来积极的影响。分别针对100,200,300,600,1000 MW机组,燃烧相同含硫量1%的煤,分析计算SO2排放达到一般地区排放限值100 mg/m3、重点地区排放限值50 mg/ m3及超低排放限值35 mg / m3这3种情景的成本,如图8、图9所示。达到重点地区SO2排放限值的单位发电量运行成本比达到一般地区排放限值的成本高约20 %,吨SO2脱除成本高约15%;达到超低排放限值的单位发电量运行成本比达到重点地区排放限值的成本高约10%,吨SO2脱除成本高约8% 。

图8不同容量机组达到不同排放限值的单位发电量运行成本

图9不同容量机组达到不同排放限值的吨SO2脱除成本


4托盘塔技术改造

托盘塔技术是在吸收塔内增设一层多孔合金托盘,使烟气在托盘截面分布均匀,在烟气从托盘下往上流动过程中,有效吸收SO2。目前,巴布科克一威尔科克斯公司的专利技术托盘应用最为普遍,我国武汉凯迪电力环保有限公司引进了该技术。火力发电机组可在现有脱硫塔的基础上进行改造,工程量小,提高SO2吸收效率的同时,降低脱硫能耗。日前,该技术在长兴电厂、玉环电厂的实际应用结果显示:排放烟气中p(SO2) ,20 mg/耐,表明该技术在超低排放上取得了突破,实现了燃煤机组“超低排放”。

本文基于费效计算模型,研究原有石灰石一石膏法脱硫设施经托盘塔技术改造后的成本效益,计算费效比,分析其经济可行性。设定含硫量为1%,脱硫效率为95 %,年运行5000 h,机组容量分别为600、1000 MW,其吨SO2脱除成本及单位发电量运行成

本如图10、图11所示。

图10  600MW和1000MW机组托盘塔改造前后的吨SO2脱除成本

图11  600MW和 000 MW机组托盘塔改造前后的单位发电量运行成本

由图10、图11可以看出:托盘塔改造后单位发电量运行成本有小幅度增加的趋势,但吨SO2脱除成本大大减少,SO2减排量明显增加,经计算,机组费效比约0. 04 < 1,说明托盘塔改造经济可行,减排效果显著。虽然增设托盘后浆液循环泵流量降低,但是系统所需增压风机规模加大,使总电耗略有增加;托盘塔的使用提高了脱硫设施吸收SO2的能力,减排能力大大提升。增设托盘塔后投资费用增加约80万元,年运行成本也有所增加,但其减少的排污费和电价补贴所带来的经济效益远大于成本增加的费用,因此托盘塔超低排放改造的环境、经济效益显著,并且对系统节能降耗有良好效果。

5结论

1)在含硫量和脱硫效率一定时,随着机组容量的增加,吨SO2脱除成本及单位发电量运行成本均逐渐减少,年减排量逐渐增大,费效比逐渐减小,即大容量机组有利于节省费用,减排效益明显。

2)在含硫量和脱硫效率一定时,设定机组容量为600 MW,计算发现,随着年运行时间的增加,吨SO2脱除成本及单位发电量运行成本均呈减少趋势,建议电网公司根据每个发电厂的污染物排放情况调整其运行时间,对污染物排放量较低的电厂给予较高的年运行时间,在达到更好减排效果的同时降低成本。

3)在含硫量一定时,达到重点地区SO2排放限值的单位发电量运行成本比达到一般地区SO2排放限值的成本高约20 %,吨SOZ脱除成本高约15%;达到超低排放限值的单位发电量运行成本比达到重点地区排放限值的成本高约10%,吨SO2脱除成本高约8%。

4)托盘塔技术可有效降低烟气中二氧化硫浓度,提高SO2吸收效率。设定含硫量为1%,脱硫效率为95 %,年运行5000 h,机组容量分别为600、1000 MW,对比研究发现,增设托盘塔后SO2吸收率及年减排量大大增加,费效比<1,环境、经济效益明显。该改造方法亦可作为火电厂脱硫装置改造的首选方法。

本文发表于《环境工程》 2018年1月

作者简介:卢晗,女,在读硕士研究生,主要研究方向为大气、水污染控制及费效分析。

   


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