李 皎, 王永翔, 高 巖, 繆濱賢, 廖國權(quán), (. 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 山西 太原 030006；. 天津華能楊柳青熱電有限責(zé)任公司, 天津 300380)

0 引言

在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，中國能源結(jié)構(gòu)仍將以煤炭利用為主，而燃煤電廠作為耗能大戶，對環(huán)境的污染很大[1]。目前降低燃煤電廠SO2排放主要采用煙氣脫硫(FGD)的手段，主要的FGD技術(shù)包括石灰石-石膏法、氨法、鎂法、LIFAC、SDA、CDSI等，其中石灰石-石膏法效率高、適用煤種硫分范圍寬、市場占有率大[2]。我國的石灰石一石膏濕法FGD由于技術(shù)與管理的問題，投資與運維成本相當(dāng)高。本文以楊柳青電廠石灰石-石膏濕法FGD系統(tǒng)為研究對象，通過分析主要能耗指標(biāo)及控制因素，總結(jié)運行過程中的節(jié)能降耗經(jīng)驗，探討健全和完善FGD系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行考核體系，在達(dá)到環(huán)保要求的基礎(chǔ)上，保障FGD系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運行。楊柳青電廠現(xiàn)有三、四期工程，總裝機(jī)容量4×300MW，機(jī)組煙氣脫硫均采用石灰石-石膏濕法FGD系統(tǒng)。兩爐兩塔一煙囪，布置旁路煙道和氣-氣煙氣換熱器(GGH)，四期7、8號機(jī)組在增加煙氣脫硝后取消煙氣換熱器。

1 運行經(jīng)濟(jì)性分析

石灰石-石膏濕法FGD系統(tǒng)運行在降低排放的同時，發(fā)電成本也隨著前期建設(shè)投入和運維成本的增加而增加。據(jù)統(tǒng)計，帶FGD系統(tǒng)的燃煤機(jī)組運維費用一般要比不帶的高3%左右，所以對FGD系統(tǒng)運維成本的構(gòu)成分析和節(jié)降研究意義重大。燃煤電廠脫硫成本核算需綜合考慮脫硫設(shè)備的建設(shè)安裝費用、折舊率、運維成本以及服務(wù)年限內(nèi)的機(jī)組發(fā)電量等，具體應(yīng)包括石灰石粉耗、水耗、電耗、蒸汽成本(GGH高溫高壓蒸汽吹掃)、人工成本、設(shè)備維修費用、折舊、銀行貸款利息及其他費用[3-7]。原材料成本主要是SO2排放量多少的影響，電耗成本是因為設(shè)備運行造成廠用電成本的增加而使得環(huán)保成本內(nèi)部化，人工成本簡單視為參與環(huán)保設(shè)備運行和檢修人員的薪酬福利待遇，此外，檢修維護(hù)時用的備品備件的材料費，是設(shè)備維護(hù)的重要部分。對火電廠環(huán)保設(shè)備運維成本構(gòu)成進(jìn)行分析可知，提高FGD系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行水平，應(yīng)主要從降低石灰石粉消耗、水耗、電耗等著手。

1.1 電耗指標(biāo)分析

電耗是FGD系統(tǒng)運行過程中的最大能耗，一般情況下，目前國內(nèi)燃煤電廠 FGD系統(tǒng)電耗高達(dá)廠發(fā)電量的1%～1.5%[1]。楊柳青電廠2011年廠用電率為5.03%，F(xiàn)GD系統(tǒng)耗電率1.21%，四期FGD系統(tǒng)2012年完成增容改造后耗電率達(dá)到2.0%。在FGD系統(tǒng)中，6kV段的增壓風(fēng)機(jī)、吸收塔漿液循環(huán)泵和PC段的氧化風(fēng)機(jī)、擋板密封風(fēng)機(jī)電加熱器、雜用風(fēng)機(jī)、GGH低泄漏風(fēng)機(jī)、真空泵、稀漿液返回泵等主要工藝設(shè)備的電功率占比很大[8]，可通過對這些設(shè)備在運行過程的電耗影響因素進(jìn)行分析，改善運行條件，從而降低FGD系統(tǒng)電耗。

(1)增壓風(fēng)機(jī)電耗分析控制

增壓風(fēng)機(jī)的作用是將煙氣升壓以克服FGD系統(tǒng)的設(shè)備和煙道阻力，F(xiàn)GD系統(tǒng)入口煙氣越多(質(zhì)量流量和體積流量)，相應(yīng)阻力越大，增壓風(fēng)機(jī)出力亦愈多[9〗。要降低增壓風(fēng)機(jī)電耗，可采取控制鍋爐爐膛4%左右的氧含量、綜合調(diào)配引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)出力、合理控制GGH和除霧器壓差等措施[10]。其次應(yīng)調(diào)整好鍋爐燃燒和控制好系統(tǒng)漏風(fēng)。在保證機(jī)組負(fù)荷的前提下，盡可能提高鍋爐燃燒換熱效率以減少煤耗；由于煤粉鍋爐系統(tǒng)都是負(fù)壓運行，外界空氣不可避免會向系統(tǒng)內(nèi)泄漏。漏風(fēng)會增大煙氣的質(zhì)量流量，并提高FGD系統(tǒng)的煙氣流速，其平方值與系統(tǒng)阻力成正比?？赏ㄟ^加強(qiáng)各連接處的嚴(yán)密性，和控制爐膛及煙道負(fù)壓避免系統(tǒng)內(nèi)外壓差過大來減少系統(tǒng)漏風(fēng)。另外，要降低FGD系統(tǒng)入口煙氣溫度。煙氣溫度越高，體積流量增大，使增壓風(fēng)機(jī)比功越大；同時煙氣體積流量增大會使系統(tǒng)阻力增加，增壓風(fēng)機(jī)為克服系統(tǒng)阻力而提供的壓升就越大。降低FGD系統(tǒng)入口煙氣溫度，重點在于提高鍋爐換熱效率，需保證水冷壁、過熱器、再熱器、空預(yù)器和省煤器良好的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。此外，可從設(shè)計角度減少系統(tǒng)阻力，煙道的轉(zhuǎn)彎處、GGH、吸收塔噴淋層、除霧器等部位是阻力的主要來源[11]?？蛇x用表面光滑、不易腐蝕的材料以避免裝置結(jié)垢堵塞。

(2)吸收塔漿液循環(huán)泵電耗分析控制

循環(huán)泵出力對液氣比和鈣硫比有直接影響，而液氣比和鈣硫比是決定脫硫效率的關(guān)鍵因素。運行過程中為減少循環(huán)泵電耗可采取適當(dāng)停運循環(huán)泵、保持合理的吸收塔漿液密度和液位、使用脫硫添加劑等措施[4]。此外，可在接班后向值長了解本班吸收塔入口SO2濃度預(yù)計，來相應(yīng)安排漿液循環(huán)泵運行方式。根據(jù)鍋爐與FGD系統(tǒng)運行時的負(fù)荷變化相應(yīng)調(diào)整吸收塔漿液循環(huán)泵的組合投運方式，滿足鈣硫比和液氣比的需要，能獲得理想的節(jié)約電耗效果。楊柳青電廠FGD系統(tǒng)循環(huán)泵投運可執(zhí)行如下組合方式：在100% BMCR穩(wěn)定運行條件下，三期機(jī)組FGD系統(tǒng)當(dāng)入口SO2濃度小于850mg/m3時，可停運1號循環(huán)泵；四期機(jī)組FGD系統(tǒng)當(dāng)入口SO2濃度小于1100mg/m3時，可停運4號循環(huán)泵，當(dāng)吸收塔入口SO2濃度小于1800mg/m3時，可停用1號循環(huán)泵。其他機(jī)組負(fù)荷條件下，當(dāng)入口SO2濃度穩(wěn)定且能保證脫硫效率時，可適當(dāng)提高停運循環(huán)泵的入口SO2濃度值。

1.2 水耗指標(biāo)分析

FGD系統(tǒng)水耗主要為煙囪排出煙氣中的氣態(tài)水和液態(tài)水、脫水石膏中的游離水和結(jié)晶水以及FGD系統(tǒng)排出廢水[12-14]。主要環(huán)節(jié)是煙氣與吸收塔漿液溫差導(dǎo)致的蒸發(fā)損失，可多達(dá)100多t/h，其與煙氣流量和溫度關(guān)系密切。當(dāng)煙氣進(jìn)入吸收塔噴淋區(qū)域后，被換熱冷卻到約50℃，且由于脫硫反應(yīng)過程放熱，兩部分熱量疊加，導(dǎo)致漿液中水分蒸發(fā)，隨凈煙氣排出。根據(jù)蒸發(fā)水耗形成機(jī)理，可降低吸收塔入口煙氣溫度。一般而言，有GGH的FGD系統(tǒng)比沒有GGH的蒸發(fā)水耗要小。相對于蒸發(fā)損失，煙氣攜帶液態(tài)水導(dǎo)致的水耗較小。按除霧器設(shè)計要求的最低值75mg/m3核算，每臺300MW機(jī)組的排放煙氣攜帶水分損失約0.1t/h，這部分損失控制可采取提高除霧器效率的措施，但經(jīng)濟(jì)性較差，同時水耗降低并不明顯[1]。而對脫水石膏中的游離水和結(jié)晶水來說，游離水可通過提高脫水系統(tǒng)效率來減少損失，結(jié)晶水是石膏晶體的一部分，二者節(jié)能降耗潛力有限。同樣FGD系統(tǒng)廢水排放不可避免，其為保證漿液活性，控制Cl-、可溶性重金屬離子以及粉塵含量等。

1.3 其他能耗指標(biāo)分析

FGD系統(tǒng)工藝流程較為復(fù)雜，除了工藝水和電力資源的大量消耗，吸收劑、吹掃蒸汽等的消耗也是可觀的[7]。石灰石粉作為脫硫吸收劑，其粒度對消溶性有決定性影響，為保證脫硫效率和提高利用率，應(yīng)控制購買的石灰石粉粒度和純度[15]。楊柳青電廠對入廠石灰石粉質(zhì)量要求是粒度小于44μm、碳酸鈣含量大于90%。此外，目前楊柳青電廠三期FGD系統(tǒng)還存在GGH，其利用高溫高壓蒸汽進(jìn)行吹掃。吹掃時運行人員應(yīng)對GGH差壓和內(nèi)部換熱元件的堵塞情況進(jìn)行綜合判斷，合理差壓情況下可酌情減少吹掃的次數(shù)和時間[16]。但吹掃次數(shù)減少時，應(yīng)密切監(jiān)視差壓變化，否則可能增大系統(tǒng)阻力，從而導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)的電耗增加，綜合考慮比較，減小FGD系統(tǒng)阻力對于節(jié)省能耗更有利[17]。因此，GGH高溫高壓蒸汽吹掃需嚴(yán)格執(zhí)行定期工作，控制GGH原、凈煙氣側(cè)差壓在400Pa左右。

2 運行經(jīng)濟(jì)性考核

2.1 考核指標(biāo)選擇與權(quán)重

FGD系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性考核辦法的核心內(nèi)容是指標(biāo)選取和權(quán)重分配。指標(biāo)選取應(yīng)以指標(biāo)的具體化、可量化、可操作為原則，同時以明確運行部門人員權(quán)責(zé)范圍為基礎(chǔ)。結(jié)合楊柳青電廠FGD系統(tǒng)工藝特點，選取凈煙氣SO2濃度、吸收塔漿液密度、吸收塔漿液pH值、脫除單位SO2的耗電量、脫除單位SO2的耗水量與脫除單位SO2的石灰石粉消耗量等作為考核依據(jù)，定義如下：

(1)凈煙氣SO2濃度。取煙囪入口的SO2濃度值，該濃度值的達(dá)標(biāo)是FGD系統(tǒng)運行的最低要求，直接關(guān)系到排污費用支出及脫硫電價收入。根據(jù)考核指標(biāo)的具體化、可量化、可操作原則，將凈煙氣SO2濃度轉(zhuǎn)化排放超標(biāo)時間指標(biāo)，通過定期對排放超標(biāo)時間的統(tǒng)計分析FGD系統(tǒng)的脫硫性能及變化趨勢。

(2)吸收塔漿液密度。吸收塔漿液密度是影響脫硫效率和石膏品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。在增大補(bǔ)漿量或停止出石膏的情況下，吸收塔漿液密度會逐漸增大，其大小跟鈣硫比和過飽和度這兩個因素密切相關(guān)。為保證FGD系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，將吸收塔漿液密度超過1130mg/L的時間進(jìn)行定期統(tǒng)計作為考核標(biāo)準(zhǔn)。

(3)吸收塔漿液pH值。吸收塔漿液pH值一般與凈煙氣SO2濃度連鎖。在運行過程中，應(yīng)盡量控制pH值在5.0～6.0之間以保持FGD系統(tǒng)穩(wěn)定的化學(xué)條件。因此，可將吸收塔漿液pH值超過6.0的時間進(jìn)行定期統(tǒng)計作為考核標(biāo)準(zhǔn)。

(4)單位SO2耗電量。定義為脫硫系統(tǒng)用電量除以M，M為(原煙氣SO2濃度-凈煙氣SO2濃度)×煙氣流量。楊柳青電廠一套FGD系統(tǒng)電功率設(shè)計值高達(dá)4052KW，四期FGD系統(tǒng)增容改造后電耗更大。根據(jù)考核指標(biāo)的具體化、可量化、可操作原則，將單位SO2耗電量轉(zhuǎn)化為增壓風(fēng)機(jī)電量和循環(huán)泵節(jié)能停運時間兩個指標(biāo)。增壓風(fēng)機(jī)和吸收塔漿液循環(huán)泵在FGD系統(tǒng)電耗占比多達(dá)80%左右，通過定期對增壓風(fēng)機(jī)電量和FGD系統(tǒng)投運且出口達(dá)標(biāo)條件下的循環(huán)泵節(jié)能停運時間進(jìn)行統(tǒng)計能間接掌握FGD系統(tǒng)電力消耗情況及變化趨勢。

(5)單位SO2耗水量。定義為FGD系統(tǒng)用水量除以M(M定義同上)。FGD系統(tǒng)水耗包括工藝水和工業(yè)水消耗，楊柳青電廠取河水用作FGD系統(tǒng)工藝水和工業(yè)水水源，單價成本較高。工業(yè)水主要用于真空皮帶脫水機(jī)系統(tǒng)及用作循環(huán)泵機(jī)封水、循環(huán)泵減速機(jī)冷卻水，相對于工藝水用量小且節(jié)約空間小。工藝水消耗主要是除霧器沖洗，是FGD系統(tǒng)蒸發(fā)損失的最主要來源，根據(jù)考核指標(biāo)的具體化、可量化、可操作原則，將單位SO2耗水量轉(zhuǎn)化為除霧器用水量指標(biāo)，定期對除霧器用水量進(jìn)行統(tǒng)計以掌握FGD系統(tǒng)水資源的消耗情況及變化趨勢。

(6)單位SO2石灰石粉消耗量。定義為FGD系統(tǒng)石灰石粉用量除以M。楊柳青電廠直接購買石灰石粉作為FGD系統(tǒng)SO2吸收劑，通過對單位SO2石灰石粉消耗量的計算能直觀了解石灰石粉的利用效率。根據(jù)考核指標(biāo)的具體化、可量化、可操作原則，將單位SO2石灰石粉消耗量轉(zhuǎn)化石灰石粉用量指標(biāo)，定期對石灰石粉用量進(jìn)行統(tǒng)計以分析石灰石粉品質(zhì)和FGD系統(tǒng)整體運行工況。根據(jù)對凈煙氣SO2濃度、吸收塔漿液密度、吸收塔漿液pH值、脫除單位SO2的耗電量、脫除單位SO2的耗水量與脫除單位SO2的石灰石粉消耗量等對脫硫運行成本的影響程度，確定FGD系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性考核的指標(biāo)及各自權(quán)重見下表1。

表1 FGD系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性考核指標(biāo)及權(quán)重分布

指標(biāo)名稱超標(biāo)排放時間塔漿液密度超限時間塔漿液pH值超限時間增壓風(fēng)機(jī)電量循環(huán)泵節(jié)能停運時間除霧器用水量石灰石粉用量指標(biāo)權(quán)重/%205525251010

考慮到四期機(jī)組FGD系統(tǒng)節(jié)能停運的循環(huán)泵可能是1號循環(huán)泵或4號循環(huán)泵，可以將考核指標(biāo)循環(huán)泵節(jié)能停運時間的權(quán)重進(jìn)行再分配。根據(jù)設(shè)備電功率比例，將1號循環(huán)泵節(jié)能停運時間權(quán)重設(shè)為8%，4號循環(huán)泵節(jié)能停運時間權(quán)重設(shè)為17%。

2.2 基于經(jīng)濟(jì)運行的績效考核辦法

FGD系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性考核辦法除確定考核指標(biāo)及各自權(quán)重外，還需要對數(shù)據(jù)采集方式、時間及統(tǒng)計計算方法作出規(guī)定，并將考核結(jié)果與績效獎勵掛鉤。根據(jù)實際情況，考核指標(biāo)數(shù)據(jù)采集分析可采取人工和計算機(jī)采集相結(jié)合的方式，保證數(shù)據(jù)報表的準(zhǔn)確性，降低差錯率，方便運行人員即時查看指標(biāo)完成情況[18]。

在對FGD系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行考核的過程中，非運行內(nèi)部原因?qū)е碌南到y(tǒng)限出力(無法正常補(bǔ)漿和出石膏、循環(huán)泵和氧化風(fēng)機(jī)出力不足)、在線儀表失準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸中斷、入口SO2濃度超標(biāo)、FGD啟停以及其他重大異常故障等相應(yīng)時間段內(nèi)的指標(biāo)統(tǒng)計經(jīng)上級管理人員認(rèn)可后可剔除，不計入考核。由于運行人員人為或重大疏忽造成FGD系統(tǒng)跳閘、旁路擋板門保護(hù)打開、吸收塔溢流、人身傷害或設(shè)備損壞事故，特別是發(fā)現(xiàn)采取不正當(dāng)手段和弄虛作假，破壞和諧的行為，應(yīng)取消該班組當(dāng)月經(jīng)濟(jì)運行考核績效獎，按公司相關(guān)規(guī)定進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定與處理。同時運行人員應(yīng)制止隨意使用脫硫工藝水沖洗地面及浪費水的行為；避免發(fā)生來車卸粉泄漏和石灰石粉制漿系統(tǒng)泄漏，地溝滿時應(yīng)及時聯(lián)系檢修清理；制漿密度計故障以及其他在線儀表不準(zhǔn)時及時聯(lián)系檢修處理；發(fā)現(xiàn)石灰石粉質(zhì)量問題及時反饋至策劃部；保證交接班時石灰石漿液箱液位6m以上，且漿液密度符合要求；及時檢查比較煙囪底部煙溫和吸收塔出口煙溫，保證旁路擋板的嚴(yán)密性。對運行人員出現(xiàn)上述疏忽失責(zé)應(yīng)制定相關(guān)扣分規(guī)則，不定時對現(xiàn)場情況進(jìn)行抽查，對違規(guī)現(xiàn)象從FGD系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行考核總分中扣除相應(yīng)分值。

3 結(jié)語

石灰石-石膏濕法FGD系統(tǒng)龐大復(fù)雜，運行過程能耗較大，脫硫運行成本控制關(guān)系整個機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行。本文對FGD系統(tǒng)脫硫成本的構(gòu)成及主要能耗指標(biāo)并進(jìn)行了詳細(xì)分析，探索了基于FGD系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行的績效考核辦法。隨著FGD節(jié)能降耗的深入開展，可根據(jù)FGD系統(tǒng)的運行情況和運行班組反饋的情況，對考核辦法進(jìn)行完善和修訂。不斷改進(jìn)指標(biāo)項目及評分獎勵規(guī)則，盡快實現(xiàn)完全使用計算機(jī)采集數(shù)據(jù)并自動生成報表，增設(shè)DCS畫面顯示FGD系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行考核指標(biāo)的實時和月度統(tǒng)計結(jié)果，提高考核的公平性、公開性，最終達(dá)到規(guī)范脫硫運行、提高脫硫運行經(jīng)濟(jì)性與可靠性的目的。

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