[摘 要]

對(duì)某電廠 300 MW 機(jī)組在不同煤種、不同負(fù)荷條件下，選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器、低低溫電除塵器、海水脫硫以及濕式電除塵器等裝置中 SO3遷徙轉(zhuǎn)化特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：低低溫電除塵器對(duì) SO3的脫除效率可達(dá) 65%；海水脫硫?qū)O3的脫除效率約為 15%；濕式電除塵器對(duì)煙氣中 SO3脫除效率約為 5%；煙氣經(jīng)過(guò) SCR脫硝裝置后 SO3明顯增加，這是造成尾部煙氣中 SO3質(zhì)量濃度升高的主要原因；經(jīng)低低溫電除塵器、海水脫硫裝置以及濕式電除塵器對(duì)煙氣中 SO3的協(xié)同脫除，能實(shí)現(xiàn)最終 SO3排放質(zhì)量濃度低于 2 mg/m3。

[關(guān) 鍵 詞]燃煤電廠；超低排放；SO3；遷移轉(zhuǎn)化；協(xié)同脫除；脫硝系統(tǒng)；空氣預(yù)熱器；電除塵器

現(xiàn)有燃煤電廠中裝配的脫硫、脫硝及除塵設(shè)備裝置能實(shí)現(xiàn)煙氣中灰塵、NOx、SO2等常規(guī)污染物的有效脫除。但近年來(lái)，相關(guān)運(yùn)行情況及研究發(fā)現(xiàn)，脫硝裝置入口煙氣中一部分 SO2會(huì)進(jìn)一步被選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑氧化，形成 SO3，SO3容易與脫硝裝置中過(guò)量的 NH3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸氫銨（ABS）等物質(zhì)，造成脫硝床層以及下游空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）等裝置的嚴(yán)重堵塞。ABS沉積在空預(yù)器內(nèi)部，會(huì)降低空預(yù)器換熱效率，同時(shí)也嚴(yán)重影響鍋爐安全正常運(yùn)行，引起爐膛負(fù)壓大幅波動(dòng)，甚至引起爐膛滅火而停爐。因此，深入解析燃煤電廠煙氣中 SO3、NH3等組分生成及遷徙轉(zhuǎn)化規(guī)律，是保證煙氣污染物控制裝置高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠超低排放的關(guān)鍵。

近年來(lái)，針對(duì)燃煤電廠現(xiàn)有環(huán)保裝置對(duì) SO3協(xié)同控制效果及排放進(jìn)行了大量總結(jié)研究并開(kāi)展部分工業(yè)測(cè)試。李小龍等針對(duì)典型機(jī)組的測(cè)試結(jié)果表明，低低溫電除塵器對(duì) SO3的脫除效率差別較大（1.8%~96.6%）；大部分濕法脫硫技術(shù)對(duì) SO3的脫除效率高于 50%；SO3在濕式電除塵器中脫除效率也大于 50%；超低排放條件下，大部分機(jī)組的 SO3排放質(zhì)量濃度低于 2 mg/m3。李高磊等對(duì)江西某電廠 3×340 MW 機(jī)組的研究表明，濕式靜電除塵器和化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)的超低排放改造能夠明顯提高燃煤電廠 SO3的脫除率，濕式電除塵器（WESP）耦合電除塵器（ESP）及濕法脫硫（WFGD）在高負(fù)荷下對(duì) SO3脫除效率可達(dá) 80%以上。但同時(shí)張雪峰等通過(guò)開(kāi)展 SO3對(duì)高濕靜電場(chǎng)中電暈放電的影響機(jī)制研究提出，煙氣中高濃度 SO3所形成的硫酸氣溶膠顆粒會(huì)產(chǎn)生電暈封閉現(xiàn)象，一定程度上造成濕式電除塵器效率下降。王定幫等對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)燃煤機(jī)組研究發(fā)現(xiàn)，低低溫電除塵系統(tǒng)對(duì) SO3脫除有很好的效果。Bongartz 等人研究表明，在爐內(nèi)噴入鈣基吸收劑能夠有效降低 SO3的排放。目前，針對(duì)燃煤煙氣中 SO3脫除的相關(guān)研究雖已有所開(kāi)展，但對(duì)不同工況下 SO3在不同污染物脫除裝置中的遷徙及轉(zhuǎn)化規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究和分析，從而無(wú)法從根本上解決 SO3對(duì)各系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境帶來(lái)的影響。

本文以某電廠 300 MW 機(jī)組為研究對(duì)象，研究不同負(fù)荷條件下 SCR 脫硝系統(tǒng)、低低溫電除塵器、海水脫硫、濕式電除塵等污染物控制裝置中的 SO3整體遷移轉(zhuǎn)化特性，以期為消除 SO3對(duì)系統(tǒng)的影響和 SO3最終控制提供理論基礎(chǔ)。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為某電廠 300 MW 機(jī)組，其鍋爐為上海鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，亞臨界參數(shù)、中間再熱、控制循環(huán)、平衡通風(fēng)、冷態(tài)排渣汽包爐。鍋爐設(shè)計(jì)燃用山西晉北煙煤，配正壓直吹式制粉系統(tǒng)，采用四角切圓燃燒方式。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1，煤質(zhì)分析見(jiàn)表 2。

表 1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

表 2 鍋爐煤質(zhì)

電廠尾部煙氣處理裝置包括 SCR 脫硝系統(tǒng)、低低溫電除塵器、海水脫硫系統(tǒng)、濕式電除塵器等。SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝布置，布置在省煤器與空預(yù)器之間。反應(yīng)器內(nèi)催化劑按“二用一備”模式布置，底層為預(yù)留層。反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置，且在煙道不同位置設(shè)導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器和整流器等裝置以保證煙氣和氨氣進(jìn)入反應(yīng)器前充分混合。

煙塵脫除采用低低溫電除塵器，按雙室五電場(chǎng)布置，每個(gè)電場(chǎng)配 4 只灰斗，陽(yáng)極板型為 BE 型，煙氣流速為 1.15 m/s，在除塵器內(nèi)的停留時(shí)間為15.86 s，除塵效率為 99.91%。煙氣脫硫采用海水脫硫工藝（SW—FGD），設(shè)計(jì)脫硫效率為 98.3%，脫硫塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)為填料塔，設(shè) 5 級(jí)噴淋層+2 級(jí)屋脊除霧器。洗滌煙氣的海水在脫硫塔內(nèi)水力停留時(shí)間約為 2.5 min，煙氣與海水的接觸時(shí)間約 2.45 s。

濕式電除塵器采用臥式單室一電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)粉塵去除率≥75%，PM2.5去除率≥90%，霧滴去除率≥80%，SO3去除率≥60%。

1.2 試驗(yàn)工況與方法

煙氣中 NH3、SO3等污染物遷移轉(zhuǎn)化特性試驗(yàn)分別在機(jī)組燃用高硫煤和低硫煤條件下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)機(jī)組的負(fù)荷分別穩(wěn)定在 300、170 MW。在不同試驗(yàn)工況下，分別測(cè)試分析 SCR 脫硝裝置進(jìn)/出口、低低溫電除塵器進(jìn)/出口、脫硫裝置進(jìn)/出口、濕式電除塵器進(jìn)/出口的 SO3質(zhì)量濃度。試驗(yàn)工況見(jiàn)表 3。

表 3 試驗(yàn)工況

SO3質(zhì)量濃度測(cè)量依據(jù) EPA method 8 標(biāo)準(zhǔn)。在各測(cè)點(diǎn)采集 SO3煙氣樣本，并記錄所采集的干煙氣流量和 O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。利用化學(xué)滴定法分析樣品中的硫酸根質(zhì)量濃度，并根據(jù)所測(cè)量 O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和煙氣流量，計(jì)算各采集點(diǎn)煙氣中的干基 SO3質(zhì)量濃度。SO3取樣測(cè)量設(shè)備如圖 1 所示。

圖 1 SO3取樣設(shè)備

2 結(jié)果及討論

2.1 SO3整體遷移轉(zhuǎn)化特性

圖 2 為不同工況下各污染物控制裝置進(jìn)/出口的 SO3質(zhì)量濃度分布。由圖 2 可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下 SCR 脫硝裝置中 SO3質(zhì)量濃度都顯著上升。有研究表明，SCR 脫硝過(guò)程中催化劑將 NOx催化還原成 N2的同時(shí)，SCR 催化劑中活性組分也會(huì)將部分的 SO2（大約占總 SO2的 0.25%~1.25%）催化氧化成 SO3。從 SCR 脫硝裝置出口到低低溫除塵器沿程 SO3質(zhì)量濃度有所下降，該段煙氣流經(jīng)了空預(yù)器，SO3會(huì)與逃逸的 NH3反應(yīng)生成硫酸氫氨，這是造成空預(yù)器堵塞的主要原因。

圖 2 不同工況下各采樣位置 SO3質(zhì)量濃度當(dāng)煙氣通過(guò)低低溫電除塵器時(shí)，煙氣溫度會(huì)降低到酸露點(diǎn)以下，煙氣中的 SO3會(huì)冷凝形成硫酸液滴或者硫酸鹽，這些物質(zhì)會(huì)沉積在飛灰表面，最終被電除塵裝置捕集，SO3也同時(shí)被脫除。海水脫硫裝置進(jìn)一步脫除 SO3，其主要利用了海水中的堿性物質(zhì)吸收 SO3，達(dá)到脫硫目的。同時(shí)，濕式除塵器也對(duì) SO3有一定的脫除作用。不同工況下各裝置SO3質(zhì)量濃度降低比例見(jiàn)表 4。煙氣中 SO3的整體遷徙轉(zhuǎn)化特性如圖 3 所示。

表 4 不同工況下各裝置 SO3質(zhì)量濃度降低比例 單位：%

圖 3 煙氣中 SO3的遷移轉(zhuǎn)化特性

從表 4 和圖 3 可以看出，低低溫電除塵器對(duì)SO3的相對(duì)脫除效率最高，當(dāng)煙氣流經(jīng)低低溫電除塵器后，各工況下 SO3的相對(duì)脫除率均超過(guò) 55%。因此，需密切關(guān)注 SO3對(duì)低低溫電除塵器造成的腐蝕等危害。海水脫硫裝置各工況下對(duì) SO3的脫除率在 13%~18%，最終剩余少部分 SO3在濕式電除塵器中被脫除。經(jīng)過(guò)一系列現(xiàn)有的污染物控制裝置后，最終煙氣中的 SO3質(zhì)量濃度低于 2 mg/m3（圖 2）。

圖 2 不同工況下各采樣位置SO3質(zhì)量濃度

2.2 SCR 脫硝裝置中SO3的生成

不同工況下 SCR 脫硝裝置前后 SO3質(zhì)量濃度變化見(jiàn)表 5。從表 5 可見(jiàn)，經(jīng) SCR 脫硝裝置后，煙氣中 SO3質(zhì)量濃度均有所上升，不同工況下脫硝裝置出口 SO3質(zhì)量濃度增加幅度為 113%~145%。

表 5 不同工況下 SCR 脫硝裝置前后 SO3質(zhì)量濃度

這表明煙氣中部分 SO2被 SCR 催化劑氧化成了 SO3。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，SCR 脫硝裝置中 SO3生成量在一定程度上與機(jī)組負(fù)荷相關(guān)。隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，SCR 脫硝裝置入口的煙溫也增加。在 SCR催化劑中對(duì) SO2氧化起主要作用的是活性組分V2O5，其通過(guò) V5+與 V4+之間價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì) SO2的氧化（式(1)、式(2)）。這一反應(yīng)發(fā)生的溫度通常為 350 ℃。當(dāng)煙氣溫度升高時(shí)，其反應(yīng)速率提高，導(dǎo)致催化劑表面 SO3轉(zhuǎn)化率增加。

2.3 空預(yù)器中 SO3與 NH3的轉(zhuǎn)化

表 6 為不同工況下空預(yù)器進(jìn)出口 SO3與 NH3含量變化。

表 6 不同工況下空預(yù)器進(jìn)出口 SO3和 NH3含量

由表 6 可以看出，空預(yù)器進(jìn)出口煙氣中 SO3和NH3含量均出現(xiàn)了不同程度的降低，這表明在空預(yù)器中 SO3和 NH3發(fā)生了一定程度的反應(yīng)?？疹A(yù)器入口 SO3和 NH3含量越高，空預(yù)器出口 SO3和 NH3含量降低程度也會(huì)越加明顯，兩者在空預(yù)器中反應(yīng)愈劇烈，由此造成空預(yù)器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)也越高。

另外，由表 6 還可見(jiàn)，相較于低硫煤，高硫煤燃燒會(huì)導(dǎo)致空預(yù)器進(jìn)口 SO3質(zhì)量濃度大幅度增加，此時(shí)若不嚴(yán)格控制脫硝裝置出口 NH3逃逸量，也會(huì)進(jìn)一步增大空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 低低溫電除塵器中 SO3的脫除

試驗(yàn)中不同工況下低低溫電除塵器前后的 SO3質(zhì)量濃度變化見(jiàn)表 7。由表 7 可以看出，低低溫電除塵器對(duì) SO3的脫除率均在 70%以上。

表 7 不同工況下低低溫電除塵器前后 SO3質(zhì)量濃度

表7中試驗(yàn)結(jié)果顯示，燃用高硫煤種時(shí)低低溫電除塵器對(duì)SO3的脫除效率高于燃用低硫煤種。由表2煤質(zhì)分析結(jié)果可知，高硫煤中灰分比低硫煤高，而灰分增加會(huì)使煙氣中飛灰含量增加，這促進(jìn)了SO3與飛灰中堿性物質(zhì)的反應(yīng)程度，從而使得SO3更容易被飛灰捕捉而通過(guò)電除塵器除去。另一方面，隨著溫度降低，SO3也會(huì)形成硫酸酸霧，當(dāng)飛灰顆粒物吸附硫酸酸霧后，顆粒物表面會(huì)生成一層液膜，這層液膜能夠增強(qiáng)顆粒物之間的茹附性，強(qiáng)化團(tuán)聚作用，從而進(jìn)一步提高SO3的脫除效果。

2.5 海水脫硫裝置中 SO3的脫除

海水的 p H 值一般為 7.8~8.3，堿度為 2.0~ 3.0 mmol/L。由于海水中具有一些氯化物和硫酸鹽，這些物質(zhì)具有酸堿緩沖的作用，因此是很好的 SO3吸收劑。試驗(yàn)中不同工況下海水脫硫裝置前后 SO3質(zhì)量濃度變化見(jiàn)表 8。

表 8 不同工況下海水脫硫裝置前后 SO3質(zhì)量濃度

由表 8 可以看出，煙氣經(jīng)過(guò)低低溫電除塵器后，煙氣中 SO3質(zhì)量濃度不超過(guò) 20 mg/m3，再經(jīng)過(guò)海水脫硫裝置脫除之后，海水脫硫裝置出口 SO3的質(zhì)量濃度均低于 6 mg/m3。雖然海水脫硫裝置入口 SO3質(zhì)量濃度不高，但海水脫硫裝置對(duì) SO3進(jìn)一步脫除效率一般能夠達(dá)到 60%~70%，且其脫除效率受燃用煤種與機(jī)組負(fù)荷的影響不大。

需要指出的是，當(dāng)煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔之后，煙氣的溫度降低到酸露點(diǎn)之下，煙氣中的大部分氣態(tài)的 SO3會(huì)冷凝成 SO3液滴。粒徑大于 10 μm 的硫酸液滴會(huì)被吸收塔中海水吸附，而 0.5~2.5 μm 粒徑的硫酸液滴會(huì)形成氣溶膠，其很難被海水脫除。

2.6 濕式電除塵器中 SO3的脫除

不同工況下濕式電除塵器進(jìn)出口 SO3質(zhì)量濃度變化見(jiàn)表 9。由表 9 可見(jiàn)，濕式電除塵器對(duì) SO3的脫除效率為 65%~87%，且低負(fù)荷下 SO3脫除效率高于高負(fù)荷條件下的脫除效率。

表 9 不同工況下濕式電除塵器進(jìn)出口 SO3質(zhì)量濃度

機(jī)組煙氣中 SO3經(jīng)過(guò)低低溫電除塵器以及海水脫硫裝置后，最終由濕式電除塵器進(jìn)一步脫除后，最終煙氣中 SO3質(zhì)量濃度低于 2 mg/m3。

3 結(jié) 論

1）某電廠 300 MW 機(jī)組環(huán)保設(shè)備中低低溫電除塵器對(duì) SO3的相對(duì)脫除效率最高，其脫除相對(duì)比例可達(dá) 65%；海水脫硫?qū)?SO3脫除相對(duì)比例約為15%；濕式電除塵器對(duì)煙氣中 SO3脫除相對(duì)比例約為 5%；其余約 15%的 SO3會(huì)在空預(yù)器中與 NH3發(fā)生反應(yīng)，增加空預(yù)器的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

2）煙氣經(jīng)過(guò) SCR 脫硝裝置后 SO3質(zhì)量濃度增加幅度為 113%~145%，是造成尾部煙氣中 SO3質(zhì)量濃度升高的主要原因。相較于低硫煤，燃用高硫煤會(huì)導(dǎo)致 SCR 脫硝裝置出口的 SO3質(zhì)量濃度大幅度增加。

3）總體而言，超低排放環(huán)保裝置中的低低溫電除塵器、海水脫硫以及濕式電除塵器對(duì)煙氣中 SO3整體協(xié)同控制效果較好，能有效控制最終 SO3排放質(zhì)量濃度低于 2 mg/m3，但需進(jìn)一步關(guān)注 SO3對(duì)這些環(huán)保設(shè)備自身運(yùn)行造成的影響。