廢水零排放條件下煤炭運輸防凍劑的經濟性對比分析

杭智軍，王玉超，于 坤，陳建鵬，孫 剛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013; 3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013;4.神東煤炭集團公司 榆家梁選煤廠，陜西 榆林 719315)

0 引 言

據中國電力企業聯合會公布數據，2019年我國火電發電量5.05萬億kW·h，占全年發電量的69%。電力行業是燃煤消耗的主體，煤炭的大量燃燒所產生的SO2等污染物是我國大氣環境的主要污染源[1]。目前，主要的脫硫技術有濕法、半干法及干法等脫硫技術，而石灰石-石膏濕法脫硫技術具有脫硫效率優異、技術成熟、吸收劑來源廣泛和對水質變化適應性強等優點，是目前我國燃煤電廠最主流的脫硫工藝[2]。

氯是煤中常見有害元素之一，據統計，我國煤中氯元素含量整體較低，平均為0.020%，主要為低氯煤和特低氯煤。然而，由于冬季煤炭運輸防凍需要，氯化鈣防凍劑的使用，使煤中氯含量提升數倍，甚至數十倍[4]。據報道，經燃燒煤中90%以上的氯元素以HCl的形式轉移到燃煤煙氣中[5]，而最終77.3%的氯元素轉移至脫硫廢水中且在此富集[6]，Cl-含量的不斷升高，引起管道腐蝕嚴重[7]，同時會影響脫硫效率及脫硫石膏的品質[8]，故脫硫漿液中氯離子質量濃度(氯度)通常被作為漿液外排的指標，其極限水平在10 000 mg/L～20 000 mg/L之間。為了保持Cl-含量的穩定，需要定期排出脫硫塔內的水，導致脫硫廢水增加，由于氯離子難以去除，脫硫廢水是燃煤電廠最難治理的末端廢水，若直接排放將污染水域及農田。

根據我國煤中氯含量低與冬季氯化鈣防凍劑的使用特征，以及出口煤對煤中氯含量的嚴格控制(日本：Cld<0.02%；韓國：Cld≤0.025%)，故急需開發具有經濟性的無氯煤炭運輸防凍劑。煤科院開發的環保型煤炭運輸防凍劑(環保型防凍劑)[4]在國家能源集團神東公司日本出口煤運輸防凍中已連續使用3年，筆者主要對環保型防凍劑與氯化鈣防凍劑進行技術及經濟性對比，重點對廢水零排放條件下煤炭運輸防凍劑的選擇對燃煤電廠的經濟性進行分析。

1 脫硫廢水零排放技術

2 煤炭運輸防凍劑對比

2.1 氯化鈣防凍劑

CaCl2·H2O是1種白色、灰白色或稍帶黃色結晶，味苦而澀，潮解性強，熔點為772 ℃，相對密度為1.835，氯含量約48.30%，溶于水后具有一定的腐蝕性，但其溶于水后可以顯著降低水溶液的凝固點，且不同濃度的氯化鈣溶液具有不同凝固點，目前廣泛地用于煤炭冬季鐵路運輸防凍領域。

2.2 環保型防凍劑

環保型防凍劑是煤科院開發的1種有機無機復合防凍劑，不含N、S及P等煤中有害元素，主要含有C、H、O等有機元素，其含量約74.83%，可以隨煤炭直接燃燒，不產生二次污染。環保型防凍劑具有優異的防凍性能，且氯含量低于100 μg/g，具有出色的緩釋性能，可以有效降低甚至避免防凍劑對噴灑及鐵路運輸設備的腐蝕。

3 應用實例

以神東煤炭集團煤炭運輸防凍的需求為例，根據最新的氯化鈣防凍液噴灑量，依據鐵路沿線氣溫在0 ℃～-30 ℃、每節車廂的防凍液噴灑量為0.04 t～0.24 t、防凍液的配液濃度即二水氯化鈣與水質量比為0.7∶1，選擇列車車型為C70，每節車廂防凍液平均噴灑量按0.14 t計算，可知防凍劑對煤中氯含量的貢獻率為0.04%，超出了出口煤對氯含量的控制。

由于日本客戶對煤中氯含量的嚴格要求，自2017—2019年冬季，神東公司已連續3個冬季日本出口煤運輸使用環保型防凍劑進行防凍，環保型防凍劑中C、H、O等可燃性有機元素含量高，不含其他煤中有害元素。根據鐵路沿線氣溫變化，環保型防凍劑與水基本按質量比0.9∶1進行配液，每節車廂平均噴灑防凍液約0.10 t，經近3年的對比分析，環保型防凍劑防凍性能與氯化鈣型防凍劑相當，車廂側壁防凍性能更優，滿足冬季煤炭運輸防凍需求，且對煤質沒有影響，滿足日本客戶對煤質的要求。

4 防凍劑的經濟性分析

4.1 氯化鈣防凍劑的綜合成本分析

基于全生命周期分析氯化鈣防凍劑對煤質及廢水影響的經濟性，氯化鈣防凍劑的噸煤綜合成本(C)主要包括脫硫廢水的處理費用(C1)、脫硫廢水零排放技術的設備投資(C2)、防凍劑的成本(C3)及分離所得氯化鈉的銷售(C4)等費用。

C=C1+C2+C3-C4

為了方便計算，不考慮由于氯化鈣防凍劑中Ca2+引起的水質硬度變化以及煤中固有的Ca2+、Mg2+等離子對廢水水質的影響，只考慮煤中氯含量的增加，使燃煤電廠脫硫廢水增加，脫硫廢水處理費用增加。噸煤增加脫硫廢水量(y)與噸煤增加脫硫廢水處理費用(C1)可通過下式計算：

C1=yp

式中，y=(a·b)/c,p是脫硫廢水的噸處理成本，元/t；其中，a是氯化鈣防凍劑對煤中氯含量的增加率，%；b是煤中氯轉移至脫硫廢水中的比例，%；c是脫硫廢水的氯含量，%。

根據應用實例中防凍劑對煤中氯含量的貢獻，選取氯化鈣防凍劑對煤中氯含量的增加率為0.04%，根據文獻[6]選擇煤中氯轉移至脫硫廢水中的比例為77.30%，脫硫廢水的氯含量選取1.5%(忽略廢水密度變化對氯含量的影響)，脫硫廢水的噸處理成本為81元/t[15]，經計算由于氯化鈣防凍劑的使用，噸煤廢水增加量為0.020 6 t，引起噸煤增加脫硫廢水處理費用(C1)為1.67元。

根據文獻[15]的典型脫硫廢水零排放技術，每小時處理1 t脫硫廢水需投入設備固定資產額平均為193.83萬元，以1臺功率為1 000 MW的燃煤機組額定負荷運行為例，發電煤耗按300 g/kWh，每小時用煤量為300 t，由于氯化鈣防凍劑導致脫硫廢水增加量6.18 t/h，故需要投入設備固定資產為1 197.87萬元，由于脫硫廢水處理設備運行工況惡劣，設備設計壽命20年，假設預計殘值與預計清理費用相等，采用直線折舊法計算，每年設備折舊費用為59.89萬元。而每年冬季煤炭運輸使用防凍劑時長為4個月，該機組冬季的耗煤量為86.40萬t，噸煤設備折舊費用(C2)為0.69元。

目前神東煤炭集團煤炭運輸防凍工作采用整體外包于第三方的商業模式，噸煤費用(C3)約0.79元。根據氯化鈣防凍劑對煤中氯含量的貢獻率為0.04%，77.30%的煤中氯轉移至脫硫廢水中，以及氯化鈉中氯含量為60.75%，可知噸煤產生氯化鈉的質量為0.000 5 t，工業氯化鈉的銷售單價為500元/t，故噸煤產生氯化鈉的銷售額(C4)為0.25元，因此，氯化鈣防凍劑的使用，導致噸煤綜合成本(C)增加約2.90元。

4.2 環保型防凍劑的綜合成本分析

環保型防凍劑對煤質及廢水影響的經濟性，其費用主要包括環保型防凍劑成本與噴灑費用，主要為環保型防凍劑成本費用。日本出口煤噴灑環保型防凍劑經過3年的穩定運行，煤質指標能夠得到很好的控制，滿足客戶需求。神東公司近三年日本出口煤噴灑環保型防凍劑的成本統計表見表1，平均噸煤成本為3.14元。

表1 神東集團近3年冬季日本出口煤用環保型防凍劑的噸煤成本核算

經過對2種防凍劑使用的綜合成本對比，在僅考慮77.30%的煤中氯的情況下，環保型防凍劑的噸煤綜合成本僅比氯化鈣防凍劑高出0.24元。而其余的22.70%的煤中氯將轉移至大氣、粉煤灰及爐渣中，其中主要轉移至大氣中污染周邊空氣質量，腐蝕建筑物甚至污染水域及農田，如果氯化鈣中100%的氯元素轉移至脫硫廢水中，按上述方法進行綜合成本核算，氯化鈣防凍劑的噸煤成本較環保型防凍劑高出0.61元至3.75元。

另外，由于氯化鈣防凍劑的使用，導致防凍劑噴灑設備、列車等運輸設備，以及煤炭燃燒爐都會受到不同程度的腐蝕，設備使用壽命縮短，更換頻率增加，重點是列車車廂上的電磁閥以及高溫燃煤鍋爐的氯腐蝕特別嚴重，帶來較大的經濟損失，從而間接增加噸煤的氯化鈣防凍劑使用成本。而環保型防凍劑具有良好的緩釋性能，可以降低甚至避免對相關設備的腐蝕。上述腐蝕造成的噸煤成本增加，影響因素較多，難以精確定量統計，在此僅做定性探討。如果煤炭利用企業、運輸企業以及政府經過合理費用分配，各自承擔相應的成本，使用環保型煤炭運輸防凍劑可以切實實現煤炭全生命周期的清潔化供給。

5 結 論

脫硫廢水零排放的提出是煤炭的清潔化利用的必然要求，煤炭的清潔化利用必須要求從開采、提質加工、流通到利用等煤炭供應全過程的清潔化，而氯元素是煤中常見有害元素之一，鐵路運輸防凍過程中使用氯化鈣防凍劑本身有違煤炭的清潔化利用，引起燃煤廢水增加以及對設備的嚴重腐蝕。通過氯化鈣防凍劑對煤中氯含量的影響以及煤中氯含量與脫硫廢水的定量關系，重點以實際案例基于全生命周期對氯化鈣防凍劑與環保型防凍劑的經濟性進行綜合分析。經研究表明：

(1)僅考慮氯化鈣防凍劑中77.30%的氯含量，氯化鈣防凍劑的噸煤綜合成本為2.90元，考慮氯化鈣防凍劑中100%的氯含量時，氯化鈣防凍劑的噸煤成本較環保型防凍劑高出0.61元至3.75元。

(2)從噴灑運輸到煤炭利用整個過程，由于氯離子的存在，導致相關設備產生嚴重的腐蝕，特別是高溫鍋爐及列車上的電磁閥等易損件，從而間接增加噸煤的氯化鈣防凍劑使用成本。

(3)通過經濟性對比分析旨在為煤炭的清潔化運輸，特別是電煤及化工煤的清潔化運輸提供1種新的思路，環保型防凍劑具有良好的綜合成本優勢，且可以切實落實煤炭的清潔化供給與利用。