燃煤电厂烟气SCR脱硝成本分析与优化_杜振

第46卷中 国 电 力 中 国 电 力 ELECTRIC POWER 第46卷 第10期 2013年10月 Vol 46 No 10 Oct 2013 燃煤电厂烟气S C R 脱硝成本分析与优化 杜振1 钱徐悦2 何胜1 朱跃1 1 华电电力科学研究院 浙江 杭州310030 2 浙江环科环境咨询有限公司 浙江 杭州310007 摘要 针对中国现有机组烟气SCR脱硝成本较高的问题 研究了机组类型 机组容量 脱硝效率 还原 剂类型 入口NOx浓度 脱硝厂用电率等因素对烟气SCR脱硝平均成本的影响 同时通过分析SCR脱硝 成本的组成得到运行成本和财务成本是脱硝成本的主要组成部分 进而提出降低脱硝成本的还原剂耗量优 化 吹灰系统优化 催化剂优化等措施 为烟气SCR脱硝系统的经济 稳定运行提供指导 关键词 火电厂 烟气脱硝 SCR 脱硝成本 中图分类号 X701 7 文献标志码 A 文章编号 1004 9649 2013 10 0124 05 收稿日期 2013 05 14 作者简介 杜振 1985 男 河南平舆人 工程师 从事电厂环保设备的监测 诊断和优化 电厂污染物治理方面的研 究工作 E mail adozn 0引言 随着中国环保要求的日益严格以及执法力度 的加强 NOx的排放问题越来越受到国家环保部 门和公众的重视 1 国家环保总局从20世纪90年 代就对燃煤电站锅炉NOx的排放做出了限制 并 在随后历经2次修订 不断加强对NOx排放限值 且 十二五 期间中国已将NOx排放列为总量控 制目标 排放大户燃煤电厂将会予以强制减排 为了满足日益严格的国家环保标准要求 加大燃 煤锅炉NOx脱除控制已势在必行 而选择性催化 还原 SCR 烟气脱硝技术是迄今为止脱除烟气中 NOx最有效的方法 2 3 SCR脱硝技术具有脱硝效 率高 工艺设备紧凑 运行可靠等优点 4 5 但 SCR脱硝技术的投资大 运行维护成本高 采用 SCR脱硝技术进行烟气脱硝必将增加发电企业的 运行成本 6 7 国家发展和改革委员会下发 国家 发展改革委关于扩大脱硝电价政策试点范围有关 问题的通知 规定全国所有安装脱硝设施并验收合 格的燃煤发电机组均执行脱硝电价0 8分 kW h 的标准 鼓励火电企业积极开展NOx治理工作 本文将从分析我国现有脱硝机组的SCR脱硝成本 入手 研究烟气SCR脱硝成本的组成和影响因 素 并提出降低脱硝成本的优化措施 1研究方法 SCR脱硝成本主要包括运行成本 检修维护 成本和财务成本3个部分 其中运行成本是SCR 脱硝装置正常运行时产生的各项生产支出 它由 还原剂费用 电费 水费 蒸汽费 人工费等组 成 检修维护成本是维持SCR脱硝系统正常运行 的各项维护费用支出 它是由催化剂更换费用 检修维护费用等组成 财务成本是由SCR脱硝装 置建设和运行筹集资金时所发生的贷款利息 增 值税 固定资产折旧费用和其他财务费用等组成 本次共调研了48台机组的烟气SCR脱硝系 统 机组类型如表1所示 从表中可以看出本文 研究的对象具有代表性 可有效地反映烟气SCR 脱硝系统的真实运行水平 2脱硝成本影响因素 2 1机组类型的影响 供热煤耗占总煤耗比例与脱硝成本的关系如 图1所示 本文研究的SCR脱硝机组分为供热机组和纯 凝机组 从图1中可以看出供热煤耗与总煤耗之 比越高 脱硝的运行成本越高 其中纯凝机组脱 硝平均成本为1 411分 kW h 供热煤耗占总煤 耗5 时 脱硝平均成本为1 69分 kW h 供热 煤耗占总煤耗的20 时 脱硝平均成本增加到 2 04分 kW h 供热煤耗占总煤耗的33 3 时 脱硝平均成本达2 53分 kW h 供热机组脱硝 平均成本偏高的主要原因是各种脱硝成本的计算 均未将机组供热部分发生的脱硝成本折算到电价 技术经济技术经济 124 第10期 中所导致 2 2机组容量的影响 机组容量与脱硝成本的关系如图2所示 从 图2可 知 装 机 容 量 为1 000 MW级 的 SCR脱硝平均成本为1 09分 kW h 600 MW 级的SCR脱硝平均成本为1 32分 kW h 300 MW级的SCR脱硝平均成本为1 76分 kW h 200 MW级的SCR脱硝平均成本为2 53分 kW h 表明随着装机容量的增大 SCR脱硝平均成 本逐渐下降 即实际脱硝成本和脱硝装机容量呈 反向关系 2 3脱硝效率的影响 脱硝效率与脱硝成本的影响关系如图3所示 从图3可知 不同脱硝效率其脱硝的运行成 本不同 脱硝效率从71 增加到80 时 脱硝平 均成本从1 21分 kW h 增加到1 79分 kW h 脱硝成本随着脱硝效率的增加而增加 这是因为 脱硝效率的增加 势必会增加脱硝的运行 检修 与维护成本 从而增加了脱硝的成本 另外脱硝 效率的增加 SCR脱硝所需还原剂单位用量也不 断增加 也就是随着脱硝效率的增加 还原剂成 本也增加 即增加了SCR脱硝成本 2 4还原剂类型的影响 还原剂类型与脱硝成本的关系如表2所列 机组利用小时均按5 500 h计 脱硝效率按 设计效率来算 本次调研的所有机组中尿素SCR 脱硝机组的脱硝平均成本为1 95分 kW h 液 氨SCR脱硝机组的脱硝平均成本为1 54分 kW h 尿素SCR机组的脱硝成本偏高的主要原因是 尿素分解系统用电或燃油成本增加 同时尿素 SCR脱硝机组还原剂的单位用量明显大于液氨 SCR脱硝机组还原剂的单位用量 从而导致脱硝 成本明显偏高 2 5入口NOx浓度的影响 脱硝装置入口NOx浓度对脱硝成本影响较大 表1研究机组类型 Tab 1The unit type for the study 类别 机组容量机组类型煤种 1 000 MW级600 MW级300 MW级200 MW级供热纯凝烟煤无烟煤贫煤褐煤 机组台数1014195192931656 所占比例 20 829 239 610 439 660 464 612 510 412 5 图1机组类型对脱硝成本的影响 Fig 1Effect of unit type on denitrification costs 图2机组容量对脱硝成本的影响 Fig 2Effect of unit capacity on denitrification costs 图3脱硝效率对脱硝成本的影响 Fig 3Effect of denitrification efficiency on denitrification costs 表2还原剂类型与脱硝成本 Tab 2Reductant type and denitrification costs 还原剂类型机组台数所占比例 平均脱硝成本 分 kW h 1 尿素918 751 95 液氨3981 251 54 杜振等 燃煤电厂烟气SCR脱硝成本分析与优化 技术经济技术经济 125 第46卷中 国 电 力 详见图4 SCR入口NOx质量浓度超过600 mg m3 的机组 脱硝平均成本为1 82分 kW h 且浓 度越高 脱硝成本越高 其中燃用无烟煤的W火 焰 锅 炉 脱 硝 平 均 成 本 可 达2 34分 kW h SCR入口NOx质量浓度低于600 mg m3的脱硝机 组 脱硝的平均成本为1 38分 kW h SCR入 口NOx浓度偏高的机组 脱硝成本偏高的主要原 因是还原剂 厂用电等消耗量相应增加 运行维 护所需要的成本也相应增加 同时需增加催化剂 层数方能实现达标排放 增加的费用也大于NOx 浓度较低的机组 2 6脱硝系统厂用电率的影响 脱硝厂用电率对脱硝成本的贡献如图5所示 由图5可知 随着脱硝厂用电率的增加烟气 SCR脱硝的成本不断增加 脱硝厂用电量主要根 据引风机电流增加及公用系统电耗测算 同时由 于长期投运的脱硝系统 为达到不同负荷下的脱 硝效率要求 氨的过量喷入也使空气预热器堵塞 更为严重 引起烟气系统阻力进一步增加 导致引 风机电流明显加大 最终导致脱硝厂用电率增加 3SCR 运行费用分析 3 1脱硝成本构成 SCR脱硝成本主要是由运行成本 检修维护 成本 财务成本及其他成本构成 详见图6 从 图6可以看出对于不同的脱硝效率 SCR脱硝的 运行成本和财务及其他成本占主要部分 而且随 着脱硝效率的增加 脱硝的运行成本呈增加趋势 3 2运行成本分析 脱硝的运行成本主要包括 还原剂费用 脱 硝用电费用 工艺水费 蒸汽费用及运行人工费 用等 其各自所占的比例如表3所示 还原剂费用主要与SCR脱硝装置的还原剂秏 量 装置年运行小时数及还原剂的单位价格等有 关 而由前面分析可知还原剂耗量与SCR的脱硝 效率及入口NOx浓度有关 SCR脱硝系统的用电费用包括2个部分 脱 硝装置本身电耗的费用 因SCR脱硝装置的使 用引起引风机电耗增加而产生的费用 而对于采 用液氨做还原剂的SCR脱硝装置 其本身的电耗 较小 但由于系统阻力增加引起的引风机电耗增 加的费用占主要部分 SCR脱硝装置的蒸汽费用和运行人工费用相 对较少 所占的比例分别为4 37 和3 14 而 SCR脱硝装置的水耗非常少 有的脱硝装置水耗 图4脱硝系统入口NOx浓度对脱硝成本的影响 Fig 4Effect of inlet NOxconcentration on denitrification costs 图5脱硝系统厂用电率对脱硝成本的影响 Fig 5Effect of power consumption rate on denitrification costs 图6脱硝成本构成分析 Fig 6Analysis of denitration cost structure 表3运行维护成本构成 Tab 3Composition of operation and maintenance costs 序号类别所占比例 1还原剂费用60 45 2脱硝用电费用31 88 3工艺水费0 16 4蒸汽费用4 37 5运行人工费3 14 技术经济技术经济 126 第10期 接近于零 水费仅占运行成本的0 16 3 3检修维护成本 检修成本包括检修维护费用和催化剂更换费 用等 目前由于不同燃煤 烟气温度 灰分品质 烟气流场 原烟气NOx浓度等因素对催化剂的 损 坏程度不同 催化剂的设计寿命一般为16 000 24 000 h 如年运行 按5 500 h计 算 更 换 年 限 再计算催化剂的年更换费用 进而计算到脱硝成 本中 检修维护费用中需考虑脱硝系统投运后 空 气预热器 监测系统 风机等检修工作量将明显 增加 从而导致检修维护费用相应增加 3 4财务成本及其他成本 目前 发电企业经营困难 且现役机组进行 脱硝改造难度大 部分原未预留改造空间的机组 增加SCR脱硝装置后 为了确保锅炉的安全 经 济和环保运行 还将进行锅炉尾部烟道改造 钢 结构加固 引风机及空气预热器改造等工作 明 显增加了改造投资 而发电企业又难以自筹改造 资金 大部分改造投资为银行贷款 这样就导致 财务成本更大 财务成本的主要组成为 财务费 用 增值税 固定资产折旧费和其他费用 其各 自所占比例如表4 财务费用由长期贷款利息 短期贷款利息和 流动资金贷款利息组成的 其中工程建设长期借 款利息是主要部分 占财务费用的90 以上 由 表4可知 财务费用占财务成本的约29 93 固定资产折旧费指一定时期内为弥补设备损 耗按照规定的固定资产折旧率提取的设备折旧费 用 由表4可知 固定资产折旧费是SCR脱硝财 务成本中又一重要成本 占29 27 其他费用包括催化剂试验 检测 处置等费 用 鉴于目前国家对重金属的整治工作力度明显 加大 发电企业处置失效催化剂的难度和费用也 将显著增加 4SCR 脱硝系统的优化 通过对国内电厂烟气SCR脱硝成本的影响因 素和主要构成的分析 对SCR脱硝系统成本分布 有了全面的了解 目前SCR脱硝系统在节能方面 还存在有一些现实问题 本文借鉴一些电厂的节 能实践 在保证装置脱硝效果 减少装置的运行 成本 提高脱硝装置的可用率的同时 提出以下 降低SCR脱硝成本的优化措施 4 1还原剂秏量优化 由于还原剂的费用占脱硝运行成本的比例较 大 通过减少还原剂的消耗量可以有效地降低脱 硝运行成本 SCR脱硝装置还原剂大多为液氨 而在烟气脱硝装置中 氨的扩散 氨与NOx的混 合和分布效果是影响烟气脱硝效率和避免氨逃逸 的关键因素之一 8 为了避免高的氨逃逸 提高系 统脱硝率 要求烟气气流和氨浓度分布均匀 可 以通过加装导流板来提高烟气速度场和还原剂浓 度场的均匀性 这样不会增加反应器内部的压 降 整流格栅还可以优化进入首层催化剂的气流方 向 使烟气垂直进入催化剂层 另外还可以根据 实际运行工况对系统的喷氨量进行调整 在NOx 浓度高的区域增加喷氨量 低NOx浓度区域减少 喷氨量 4 2吹灰系统优化 SCR反 应 过 程 中 会 生 成 化 合 物NH4HSO4和 NH4 2SO4具有粘性的细小颗粒 引起催化剂表面 钝化 即导致催化剂活性降低 这时需要吹灰系 统来保证脱硝系统的安全稳定运行 根据SCR反 应器内的烟气成分和催化剂的性质 目前普遍应 用的是声波和蒸汽2种吹灰器 当催化剂表面沉 积灰尘较小时 蒸汽吹灰器和声波吹扫的效果是 等同的 当催化剂表面沉积灰尘量较多时 采用 蒸汽吹灰效率更高 因此 对于灰分高的SCR项 目 应优先考虑使用蒸汽式吹灰器 同时应根据 SCR装置实际积灰特征选择具体的吹灰方式 另 外 无论是否喷氨 在锅炉引风机运行后 应将 吹灰系统投入运行 4 3催化剂的维护优化 催化剂的正常工作温度为300 450 只有 当烟气温度在此范围内时 催化剂才能正常工作 当条件变化时就会导致催化剂失活 催化剂的失 活是一个复杂的物理和化学过程 包括 沾污 孔堵塞 中毒和热烧结等 其中 当运行温度过 高时 催化剂在长期使用过程中出现微晶结构变 化而造成烧结的现象 催化剂的烧结会导致催化 剂比表面积的丧失 从而使催化剂的脱硝活性下 降 因此 必须严格控制催化剂的反应温度 尤 其是在机组启停阶段 同时在设计时根据锅炉设 计与燃用煤种 SCR反应塔的布置 SCR入口的 烟气温度 烟气流速与NO浓度分布以及设计脱 硝效率 允许的氨逃逸量 允许的SO2 SO3转化率 表4财务成本构成 Tab 4Composition of financial costs 序号按组成成分所占比例 1财务费用29 93 2增值税29 27 3设备折旧费29 81 4其他费用10 99 杜振等 燃煤电厂烟气SCR脱硝成本分析与优化 技术经济技术经济 127 第46卷中 国 电 力 AnalysisandOptimizationforOperatingCostsofGasSCRDeNOxinCoal FiredPowerPlants DUZhen1 QIANXu yue2 HESheng1 ZHUYue1 1 HuadianElectricPowerResearchInstitute Hangzhou310030 China 2 ZhejiangHuankeEnvironmentalConsultingCo Ltd Hangzhou310007 China Abstract In order to lower the high DeNOxcosts of the existing coal fired power generating units the effects of various factors on the average SCR DeNOxcosts are studied including the unit type unit capacity denitrification efficiency reductant type inlet NOx concentration and the power consumption rate of denitrification etc Through the analysis on the composition of the SCR DeNOxcost it is concluded that the operating costs and the financial costs are the major parts of the DeNOxcost Therefore optimizations on reductant consumption soot blowing system and catalyst are proposed to reduce the DeNOxcosts so as to lay solid foundation for the economic and stable operation of the flue gas SCR system Keywords thermal power plant flue gas denitrification SCR DeNOxcost 与催化剂使用寿命保证值等因素确定 5结语 本文通过对燃煤脱硝机组烟气SCR脱硝成本 的分析 得到机组容量 机组供热量 SCR还原 剂类型 脱硝效率 脱硝装置入口NOx浓度等均 对脱硝成本有很大的影响 机组容量增加SCR 脱硝成本呈下降趋势 机组供热比例增加 脱 硝效率增加 以及脱硝装置入口NOx浓度增加 SCR脱硝成本均随之增加 SCR还原剂采用尿 素的脱硝成本比还原剂为液氨的成本高 烟气 SCR脱硝成本主要由运行成本 检修维护成本和 财务成本组成 其中运行成本的主要部分是还原 剂费用 检修维护成本的主要部分是催化剂更换 费用 财务成本的主要部分是贷款利息及增值税 等 通过对还原剂秏量 吹灰系统以及催化剂 维护等方面进行优化可以减少SCR脱硝成本 有 利于脱硝的实施 总之 燃煤机组在安装SCR脱硝装置后 脱 硝成本必然会增加火电企业的发电成本 国家应 尽快出台相关政策 引导电力企业积极治理NOx 排放 从而促进能源与环境的和谐发展 参考文献 1 杨冬 徐鸿 SCR烟气脱硝技术及其在燃煤电厂的应用 J 电 力环境保护 2007 23 1 49 51 YANG Dong XU Hong Discussion on the application of the SCR technologyincoal firedpowerplants J ElectricPower Technology and Environmental Protection 2007 23 1 49 51 2 朱林 吴碧君 段玖祥 等 SCR烟气脱硝催化剂生产与应用现 状 J 中国电力 2009 42 8 61 64 ZHU Lin WU Bi jun DUAN Jiu xiang et al Situation of production and application on selective catalytic reduction flue gas de NOxcatalysts J Electric Power 2009 42 8 61 64 3 吕林 沈颖倩 NH3低温选择性催化还原NO的研究 J 燃烧 科学与技术 2011 17 2 103 108 LU Lin SHEN Ying qian Selective Catalytic Reduction with NH3 at low temperature J Journal of Combustion Science and Technology 2011 17 2 103 108 4 闫志勇 骆仲泱 高翔 等 NH3选择性催化还原NO数学模型 J 浙江大学学报 工学版 2007 41 12 2093 2097 YAN Zhi yong LUO Zhong yang GAO Xiang et al Mathematic model of Selective Catalytic Reduction of NO with NH3in experiment scale reactor J JournalofZhejiang University Engineering Science 2007 41 12 2093 2097 5 孙克勤 钟秦 黄丽娜 等 OI2 SCR烟气脱硝技术在改造工程 中的应用