循環(huán)流化床鍋爐脫硝工藝經(jīng)濟性分析

蔡 晉，吳玉新，張 縵，馬強強，劉 青，呂俊復(fù)，楊海瑞

(1.清華大學(xué) 能源與動力工程系 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，山西 太原 030032；3. 內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

我國能源以煤為主，煤炭資源儲量占全球21.4%。煤炭利用過程中，不可避免需要使用大量劣質(zhì)煤(熱值12 560 kJ/kg以下的劣質(zhì)燃料和高硫、高灰、高灰熔融溫度劣質(zhì)煤)、煤泥、矸石等劣質(zhì)燃料。由于循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃料利用率高和污染物排放低等特點[1-4]，在劣質(zhì)燃料的高效綜合利用以及節(jié)能環(huán)保方面發(fā)揮了重大作用。近年，循環(huán)流化床技術(shù)發(fā)展迅速，裝機容量明顯上升。隨著國家對燃煤電廠NOx排放的嚴格要求，多地?zé)煔馀欧艠藴氏拗芅Ox濃度不超過50 mg/m3，而循環(huán)流化床的原始NOx排放量為100～200 mg/m3，無法滿足超低排放的要求。因此，有必要對循環(huán)流化床中普遍應(yīng)用的低氮燃燒技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)和選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)等脫硝工藝開展經(jīng)濟性分析，為不同條件下循環(huán)流化床鍋爐選用合適的脫硝技術(shù)提供參考。

循環(huán)流化床鍋爐一般先通過爐內(nèi)低氮燃燒抑制、還原燃燒產(chǎn)生的NOx，再將排放煙氣脫硝凈化。煙氣脫硝工藝主要分為SCR工藝和SNCR工藝，前者為尾部煙道內(nèi)脫硝，后者為爐膛出口煙道脫硝。絕大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR工藝可以滿足超低排放要求。眾多學(xué)者分析了SCR工藝和SNCR工藝的特點，大多對這2種工藝進行了單獨的成本效益評價[5-10]，少數(shù)進行了2種工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析對比[11-13]。梁磊[11]簡要估算比較了小型CFB機組中SNCR和SCR脫硝運行費用；胡小剛[12]采用技術(shù)經(jīng)濟評級指標體系反映了燃煤電廠各煙氣脫硝工藝的特性，宏觀對比了其經(jīng)濟性，但未就各關(guān)鍵因素展開計算分析；謝風(fēng)林[13]綜合投資和運行費用比較了某CFB機組應(yīng)用SNCR和SCR脫硝技術(shù)的經(jīng)濟性，考慮因素較為詳盡，但由于是針對特定用戶提供的改造方案，參數(shù)為單一場景的固定值，適用范圍有限。此外，還有多數(shù)學(xué)者運用綜合評估模型展開了分析研究[14-18]。綜上，針對這2種脫硝工藝的全面經(jīng)濟性對比分析和較寬范圍的應(yīng)用場景分析還有待深入研究。

結(jié)合前人研究成果，通過建立相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟性分析模型，結(jié)合脫硝工藝的設(shè)計參數(shù)和運行數(shù)據(jù)，分析脫硝劑價格、催化劑價格、電價和年運行時間等因素在較大波動范圍內(nèi)對2種脫硝工藝的影響，并考量了超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)對2種工藝經(jīng)濟性的影響。

1 CFB常用脫硝技術(shù)

1.1 爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)

循環(huán)流化床鍋爐NOx原始排放主要受給煤煤質(zhì)、床溫、氧量、燃燒均勻性以及爐內(nèi)還原氣氛強弱等因素影響。爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)主要通過保證燃燒均勻性、采用流態(tài)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等耦合優(yōu)化技術(shù)措施實現(xiàn)爐內(nèi)高效抑氮?，F(xiàn)有的大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐可通過爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)將NOx控制在100 mg/m3以下。部分循環(huán)流化床鍋爐因煤質(zhì)、運行參數(shù)偏離設(shè)計工況，運行床溫高，造成鍋爐NOx原始排放超過200 mg/Nm3，單獨采用SNCR不能實現(xiàn)NOx超低排放，須進行爐內(nèi)低氮燃燒改造，爐內(nèi)低氮燃燒改造主要包括風(fēng)帽優(yōu)化、二次風(fēng)改造、煙氣再循環(huán)等。

1.2 SNCR技術(shù)

SNCR脫硝技術(shù)是指無催化劑參與時，在合適的反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)利用脫硝劑將煙氣中的NOx還原為無害的氮氣和水。該技術(shù)采用稀釋后的尿素溶液或氨水作為脫硝劑，經(jīng)噴槍霧化后噴入爐膛850～1 100 ℃煙氣中進行脫硝反應(yīng)。SNCR技術(shù)已在循環(huán)流化床中得到成熟應(yīng)用，具有系統(tǒng)簡單可靠和效率較高的優(yōu)點，脫硝效率可達60%～75%[19]，但SNCR的氨逃逸率較高，最高達到8×10-6。

1.3 SCR技術(shù)

SCR脫硝技術(shù)是指在催化劑參與時，用脫硝劑NH3將煙氣中的NOx還原成無害的氮氣和水。該技術(shù)將脫硝劑NH3噴入煙氣中，含有氨氣的煙氣通過含有專用催化劑的反應(yīng)器，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)。SCR脫硝技術(shù)在煤粉鍋爐煙氣脫硝中得到廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)可靠，脫硝效率高達90%以上。循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用該技術(shù)時，需重點考慮燃用劣質(zhì)煤時含塵量大所導(dǎo)致的催化劑磨損問題，以及爐內(nèi)石灰石脫硫?qū)е碌拇呋瘎┲卸镜葐栴}，這將直接影響脫硝效率和催化劑的使用壽命。

2 技術(shù)經(jīng)濟性分析模型

2.1 成本計算方法

對循環(huán)流化床鍋爐的脫硝成本用運行費用和綜合費用進行評估。運行費用主要包含機組運行期間的脫硝劑消耗、催化劑消耗、電耗、水耗以及蒸汽消耗，綜合費用則包含設(shè)備投資折舊費用、維護費用、人工費用和財務(wù)費用。

2.1.1SNCR運行費用

1)脫硝劑費用

脫硝效率與氨氮摩爾比直接相關(guān)，根據(jù)入口煙氣量的值，可求出使NOx排放值小于50 mg/Nm3的臨界脫硝效率，從而反推出所需氨氮摩爾比。

氨氮摩爾比根據(jù)實際數(shù)據(jù)擬合得出

(1)

尿素消耗量為

(2)

式中，γ為氨氮摩爾比；ηtx為爐內(nèi)脫硝效率，%；Bns為尿素消耗量，t/h；C(NOx)為SNCR入口NOx含量，mg/Nm3(按照NO占95%，NO2占5%計算)；Vy為SNCR入口煙氣量，Nm3/h。

尿素費用W1為

W1=Bnsv1H×10-4，

(3)

式中，v1為尿素單價，元/t；H為年運行時間，h。

2)用水費用

尿素使用前需用水稀釋為一定濃度的尿素溶液。用水費用W2為

(4)

式中，b為尿素溶液濃度；v2為水費，元/t。

3)運行耗電費用

根據(jù)電廠實際數(shù)據(jù)確定脫硝耗電功率P2。由運行數(shù)據(jù)獲得耗電與尿素耗量之間的近似關(guān)系為

P2=20Bns，

(5)

運行耗電費用W3為

W3=P2v3H×10-4，

(6)

式中，v3為電價，元/kWh。

2.1.2SCR運行費用

1)脫硝劑費用

SCR使用液氨，氨氮摩爾比為0.9時，脫硝效率可達90%[4]。因此后續(xù)氨氮摩爾比取0.9，可以滿足排放要求。

液氨消耗量為

(7)

式中，B(NH3)為液氨消耗量，t/h；γ′為氨氮摩爾比。

液氨費用W′1為

W′1=B(NH3)v′1H×10-4，

(8)

式中，v′1為液氨單價，元/t。

2)運行耗電費用

(9)

運行耗電費用W′2為

W′2=P′2v′2H×10-4，

(10)

3)蒸汽耗量成本

吹灰以及加熱脫硝劑需消耗蒸汽。蒸汽耗量成本W(wǎng)′3為

W′3=sv′3H×10-4，

(11)

4)催化劑費用

參照300 MW機組SCR反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)，催化劑按照2+1層進行布置，只上2層，NOx脫除效率不低于80%；預(yù)留1層。當(dāng)?shù)?層催化劑同時投入時，總NOx脫除效率不低于90%。催化劑的價格取30 000元/m3。催化劑的化學(xué)使用壽命不小于連續(xù)24 000 h。

(12)

2.1.3綜合費用

1)折舊成本

脫硝裝置固定資產(chǎn)形成率按95%計算，則折舊費用Vzj為

(13)

式中，F(xiàn)為脫硝裝置靜態(tài)總投資費用，萬元；n為設(shè)備使用年數(shù)，a。

2)維修成本

維修費用按靜態(tài)投資的3%計算，則維修費用Vwx為

Vwx=F×3%。

(14)

3)人工成本

假定每臺機組增加運行人員5人，每人年均工資6萬元，人工費用Vrg為30萬元。

4)財務(wù)成本

財務(wù)費用按靜態(tài)投資的5%計算，則財務(wù)成本Vcw為

Vcw=F×5%。

(15)

2.2 關(guān)鍵因素敏感性分析

SNCR脫硝運行成本W(wǎng)a、SCR脫硝運行成本W(wǎng)b、運行成本W(wǎng)yx、綜合費用Vzh以及總費用W為

Wa=W1+W2+W3，

(16)

Wb=W′1+W′2+W′3+W′4，

(17)

Vzh=Vzj+Vwx+Vrg+Vcw，

(18)

W=Wyx+Vzh。

(19)

針對2種脫硝工藝，基于入口NOx濃度為200 mg/m3，分析了單位發(fā)電總成本和噸NOx脫除成本隨入口NOx濃度的變化關(guān)系，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 計算邊界條件

2.2.1脫硝設(shè)備入口NOx濃度

350 MW循環(huán)流化床采用SNCR脫硝工藝時，不同NOx入口濃度下的脫硝成本如圖1所示?？芍S著入口NOx濃度的增大，單位發(fā)電量總成本上升。其中，尿素成本占主要比例，且隨著入口NOx濃度增大，污染物脫除量增大，尿素耗量顯著增加，其占比顯著增大。當(dāng)入口NOx濃度為200 mg/m3時，要達到50 mg/m3的超低排放，脫硝效率需要達到75%，之后入口NOx濃度繼續(xù)增大，氨氮摩爾比的增加對脫硝效率的影響很小。本文尿素耗量為簡化計算，但可以反映成本的真實變化趨勢。實際中水耗成本和電耗成本的變化與尿素成本呈正相關(guān)，但由于二者占比均很小，增長幅度不明顯。單位發(fā)電量折舊成本、維修成本、財務(wù)成本、人工成本和投資成本保持不變，此處認為入口NOx濃度對這些成本的影響可以忽略。

圖1 SNCR工藝下入口NOx濃度對脫硝成本的影響Fig.1 Effect of NOx concentration on the total denitrificationcost by SNCR

350 MW循環(huán)流化床采用SCR脫硝工藝時，不同NOx入口濃度的脫硝成本如圖2所示?？芍S著入口NOx濃度的增大，單位發(fā)電量總成本上升，但增幅明顯小于SNCR脫硝工藝。其中，液氨成本和催化劑成本占主要比例，隨著入口NOx濃度的增加，液氨成本增加，但增幅相對SNCR工藝中的尿素耗量較小，這是由于相同脫除效率下SNCR工藝的氨氮摩爾比顯著大于SCR工藝。蒸汽成本和電耗成本與液氨成本的趨勢一致，電耗成本明顯大于SNCR工藝的電耗成本，主要是因為SCR工藝需要布置催化劑層，增加了沿程阻力，導(dǎo)致引風(fēng)機電耗大幅增加。

圖2 SCR工藝下入口NOx濃度對脫硝成本的影響Fig.2 Effect of NOx concentration on the total denitrificationcost by SCR

2種脫硝工藝的成本隨入口NOx濃度的變化如圖3所示?？芍肟贜Ox濃度低于140 mg/m3時，SNCR工藝的運行成本相對較低；入口NOx濃度低于228 mg/m3時，SNCR工藝的總成本相對較低。2種脫硝工藝配置的總成本構(gòu)成如圖4所示，計算中入口NOx濃度為200 mg/m3?？梢?，脫硝劑成本、催化劑成本是脫硝成本的主體。其中，SNCR脫硝工藝的脫硝劑成本很大，占總成本約82%；SCR脫硝工藝的脫硝劑和催化劑成本占比之和約為46%。

圖3 不同入口NOx濃度下2種脫硝工藝成本比較Fig.3 Cost comparison of two FGD methods underdifferent NOx concentration

圖4 不同脫硝工藝的分項成本比例Fig.4 Percentage subentry cost of differentdenitrification technologies

2.2.2其他因素

將脫硝劑單價、電價、催化劑單價和年運行時間作為考察因素，對脫硝總成本W(wǎng)進行敏感性分析。敏感性采用敏感度系數(shù)SW表征，即單位發(fā)電量總成本變化率與自變量變化率之比。

(20)

式中，ΔF/F為自變量F的變化率；ΔW/W為自變量F發(fā)生變化時，因變量W的變化率。

SW>0，表示評價脫硝總成本與自變量正相關(guān)；SW<0，表示評價脫硝總成本與自變量負相關(guān)。|SW|數(shù)值越大，說明該自變量對于脫硝總成本越敏感。取用各因素變化率分別為-40%、-20%、20%和40%等4種情況進行分析計算。基于單一變量原則計算，計算邊界條件見表1。

年運行時間對脫硝成本的敏感性分析如圖5所示，可知，SNCR和SCR工藝年運行時間的敏感度值均小于0，同時年運行時間對SCR工藝成本的敏感度更高，說明SCR成本受年運行時間的影響相對較大，這主要與SCR的初投資較高有關(guān)。

基于以上計算方法，2種脫硝工藝的脫硝劑單價、電價以及催化劑單價的敏感度都是常數(shù)，不隨各自變量變化。不同因素對2種脫硝工藝的敏感性分析見表2。

表2 不同因素對2種脫硝工藝的敏感性分析

由表2可知，相較于SNCR工藝，SCR工藝的脫硝劑單價敏感度系數(shù)很低，而SCR工藝的電價和催化劑單價敏感度系數(shù)則相對較高，說明脫硝劑單價對SNCR工藝成本的影響程度較大，電價和催化劑單價則對SCR工藝成本的影響程度較大。SNCR工藝脫硝成本的敏感度因素由大到小依次為脫硝劑單價、電價，而SCR工藝脫硝成本的敏感度因素由大到小依次為脫硝劑單價、催化劑單價、電價。

2.2.3不同脫硝工藝的情景分析

結(jié)合以上分析結(jié)果，說明脫硝劑成本、催化劑成本和運行時間是影響脫硝工藝成本的主要因素?；诒?的邊界條件，改變單一變量得到不同脫硝工藝相應(yīng)的曲線，進而獲得2種工藝經(jīng)濟性的臨界變量值。

不同脫硝工藝對應(yīng)不同尿素單價下的單位發(fā)電成本如圖6所示。可知基于運行成本來看，尿素單價低于2 296元/t時，SNCR工藝的運行成本較低。基于總成本來看，尿素單價低于3 402元/t時，SNCR工藝的總成本相對較低。當(dāng)前尿素市場均價在2 000～3 000元/t，最高均價不超4 000元/t，顯然對于絕大多數(shù)情景，使用尿素較為經(jīng)濟。

圖6 不同脫硝工藝下尿素單價對脫硝成本影響Fig.6 Effect of urea price on denitrification costunder different denitrification technology

不同脫硝工藝對應(yīng)不同液氨單價下的單位發(fā)電成本如圖7所示。

圖7 不同脫硝工藝下液氨單價對脫硝成本影響Fig.7 Effect of liquid ammonia price on denitrification costunder different denitrification technologies

由圖7可知基于運行成本來看，液氨單價低于7 500元/t時，SCR工藝的運行成本較低?；诳偝杀緛砜矗喊眴蝺r高于3 300元/t時，SNCR工藝的總成本相對更為經(jīng)濟。當(dāng)前液氨市場均價在3 000～5 000元/t，顯然SCR運行成本較低，而總成本的經(jīng)濟性臨界點處于液氨的市場價格范圍內(nèi)，是否經(jīng)濟取決于液氨的采購價格。

催化劑單價對脫硝成本的影響如圖8所示?？芍诮o定的催化劑價格范圍內(nèi)，不存在經(jīng)濟性臨界點。當(dāng)前催化劑市場均價在30 000～50 000元/m3，顯然SCR的運行成本低于SNCR，而SNCR的總成本低于SCR。

圖8 不同催化劑單價下的脫硝成本對比Fig.8 Cost comparison of two denitrification technologiesunder different catalyzer tariff

不同脫硝工藝對應(yīng)不同運行時間下的單位發(fā)電成本如圖9所示?？芍\行時間對單位發(fā)電量運行成本沒有影響。從總成本來看，運行時間低于7 500 h時，SNCR的總成本始終低于SCR。

圖9 不同運行時間下的脫硝成本Fig.9 Cost of two denitrification technologiesunder different operate time

2.2.4SNCR-SCR聯(lián)合的經(jīng)濟性

對于循環(huán)流化床而言，NOx原始排放較低，通過上述分析可知，選用SNCR要比SCR更經(jīng)濟，但SNCR的脫硝效率相對低，且同等效率下的氨氮摩爾比高，氨逃逸量相對較大?？紤]到煤種的變化和日益嚴格的環(huán)保標準，部分循環(huán)流化床鍋爐會在尾部預(yù)留裝設(shè)SCR的空間，下面對比分析SNCR-SCR聯(lián)合脫硝的經(jīng)濟性。

SCR脫硝工藝中，2層催化劑占總投資比例的30%～40%[8]，SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝中按設(shè)1層催化劑考慮，總投資成本約90元/kWh，其余計算條件同表2。SNCR脫除50%的NOx，剩余NOx由SCR脫除，不同入口NOx濃度對SNCR-SCR聯(lián)合脫硝成本的影響如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)入口NOx濃度為151～273 mg/Nm3時，SNCR-SCR聯(lián)合脫硝單位發(fā)電量總成本最高，而當(dāng)入口NOx濃度高于273 mg/Nm3時，SNCR-SCR聯(lián)合脫硝的經(jīng)濟性要高于SNCR脫硝。

圖10 SNCR-SCR聯(lián)合脫硝成本Fig.10 Cost of SNCR-SCR combined denitrification

2.3 超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)對SCR、SNCR經(jīng)濟性的影響

循環(huán)流化床鍋爐具有天然的低NOx排放優(yōu)勢，目前通過調(diào)整合適床溫、過量空氣系數(shù)等可實現(xiàn)100 mg/m3的標準，而要實現(xiàn)超低排放要求仍有很大挑戰(zhàn)。目前的低氮燃燒路線是通過提高床質(zhì)量、增加循環(huán)量，進一步強化爐內(nèi)不同區(qū)域的還原性氣氛，使NOx原始排放更低[20-22]。工程實踐表明，220 t/h循環(huán)流化床鍋爐使用該超低排放技術(shù)后，NOx原始排放均小于50 mg/m3的超低排放指標。

循環(huán)流化床鍋爐的NOx原始排放一般不高于200 mg/m3，該值低于計算的總成本臨界點228 mg/m3。使用超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)后，NOx原始排放量低于計算的運行成本臨界點140 mg/m3。在不使用其他脫硝工藝的條件下，超低排放循環(huán)流化床技術(shù)進一步降低了NOx原始排放，基本滿足小于50 mg/m3的超低排放要求，僅需在啟停機或非常規(guī)運行條件下NOx排放量較高時投入脫硝設(shè)備即可。綜上可知，超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)直接減少了NOx原始排放量，整體改善了脫硝工藝的經(jīng)濟性。考慮到脫硝裝置的使用頻率和經(jīng)濟成本，使用SNCR脫硝工藝最為經(jīng)濟。

3 結(jié) 論

1)影響脫硝成本的主要因素包括脫硝劑價格、催化劑價格和年運行時間。尿素價格對SNCR脫硝成本的敏感度最大，液氨對SCR脫硝成本的敏感度大于催化劑價格。單憑SNCR無法實現(xiàn)超低排放時，需要將SNCR與SCR技術(shù)相結(jié)合，最為經(jīng)濟。當(dāng)入口NOx濃度低于140 mg/m3時，SNCR的運行成本相對較低；當(dāng)入口NOx濃度低于228 mg/m3時，SNCR的總成本相對SCR更經(jīng)濟。

2)在相同爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上，當(dāng)尿素價格低于3 402元/t時，SNCR總成本低于SCR。而市場尿素均價在2 000～3 000元/t，使用尿素的運行成本更低，因而SNCR的脫硝成本較經(jīng)濟。在催化劑和年運行時間的研究范圍內(nèi)，SNCR的總成本始終最低，最經(jīng)濟。

3)基于低氮燃燒的超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)可以改善SCR工藝和SNCR工藝的經(jīng)濟性。綜合考慮脫硝裝置的經(jīng)濟成本，SNCR脫硝工藝的運行成本和總成本均最低。