燃煤電廠煙氣SO3遷移轉化特性試驗
［摘 要］
對某電廠 300 MW 機組在不同煤種、不同負荷條件下，選擇性催化還原（SCR）脫硝系統、空氣預熱器、低低溫電除塵器、海水脫硫以及濕式電除塵器等裝置中 SO3遷徙轉化特性進行了試驗分析。試驗結果表明：低低溫電除塵器對 SO3的脫除效率可達 65%；海水脫硫對SO3的脫除效率約為 15%；濕式電除塵器對煙氣中 SO3脫除效率約為 5%；煙氣經過 SCR脫硝裝置后 SO3明顯增加，這是造成尾部煙氣中 SO3質量濃度升高的主要原因；經低低溫電除塵器、海水脫硫裝置以及濕式電除塵器對煙氣中 SO3的協同脫除，能實現最終 SO3排放質量濃度低于 2 mg/m3。
［關 鍵 詞］燃煤電廠；超低排放；SO3；遷移轉化；協同脫除；脫硝系統；空氣預熱器；電除塵器
現有燃煤電廠中裝配的脫硫、脫硝及除塵設備裝置能實現煙氣中灰塵、NOx、SO2等常規污染物的有效脫除。但近年來，相關運行情況及研究發現，脫硝裝置入口煙氣中一部分 SO2會進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量的 NH3發生化學反應生成硫酸氫銨（ABS）等物質，造成脫硝床層以及下游空氣預熱器（空預器）等裝置的嚴重堵塞。ABS沉積在空預器內部，會降低空預器換熱效率，同時也嚴重影響鍋爐安全正常運行，引起爐膛負壓大幅波動，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化規律，是保證煙氣污染物控制裝置高效運行，實現燃煤電廠超低排放的關鍵。
近年來，針對燃煤電廠現有環保裝置對 SO3協同控制效果及排放進行了大量總結研究并開展部分工業測試。李小龍等針對典型機組的測試結果表明，低低溫電除塵器對 SO3的脫除效率差別較大（1.8%~96.6%）；大部分濕法脫硫技術對 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，大部分機組的 SO3排放質量濃度低于 2 mg/m3。李高磊等對江西某電廠 3×340 MW 機組的研究表明，濕式靜電除塵器和化學團聚系統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）在高負荷下對 SO3脫除效率可達 80%以上。但同時張雪峰等通過開展 SO3對高濕靜電場中電暈放電的影響機制研究提出，煙氣中高濃度 SO3所形成的硫酸氣溶膠顆粒會產生電暈封閉現象，一定程度上造成濕式電除塵器效率下降。王定幫等對國內多個燃煤機組研究發現，低低溫電除塵系統對 SO3脫除有很好的效果。Bongartz 等人研究表明，在爐內噴入鈣基吸收劑能夠有效降低 SO3的排放。目前，針對燃煤煙氣中 SO3脫除的相關研究雖已有所開展，但對不同工況下 SO3在不同污染物脫除裝置中的遷徙及轉化規律缺乏系統研究和分析，從而無法從根本上解決 SO3對各系統運行及環境帶來的影響。
本文以某電廠 300 MW 機組為研究對象，研究不同負荷條件下 SCR 脫硝系統、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整體遷移轉化特性，以期為消除 SO3對系統的影響和 SO3最終控制提供理論基礎。
1 研究對象及方法
1.1 研究對象
本文研究對象為某電廠 300 MW 機組，其鍋爐為上海鍋爐廠設計制造，亞臨界參數、中間再熱、控制循環、平衡通風、冷態排渣汽包爐。鍋爐設計燃用山西晉北煙煤，配正壓直吹式制粉系統，采用四角切圓燃燒方式。鍋爐主要技術參數見表 1，煤質分析見表 2。
表 1 鍋爐主要技術參數
表 2 鍋爐煤質
電廠尾部煙氣處理裝置包括 SCR 脫硝系統、低低溫電除塵器、海水脫硫系統、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器之間。反應器內催化劑按“二用一備”模式布置，底層為預留層。反應器入口設氣流均布裝置，且在煙道不同位置設導流板、靜態混合器和整流器等裝置以保證煙氣和氨氣進入反應器前充分混合。
煙塵脫除采用低低溫電除塵器，按雙室五電場布置，每個電場配 4 只灰斗，陽極板型為 BE 型，煙氣流速為 1.15 m/s，在除塵器內的停留時間為15.86 s，除塵效率為 99.91%。煙氣脫硫采用海水脫硫工藝（SW—FGD），設計脫硫效率為 98.3%，脫硫塔內部結構為填料塔，設 5 級噴淋層+2 級屋脊除霧器。洗滌煙氣的海水在脫硫塔內水力停留時間約為 2.5 min，煙氣與海水的接觸時間約 2.45 s。
濕式電除塵器采用臥式單室一電場結構，設計粉塵去除率≥75%，PM2.5去除率≥90%，霧滴去除率≥80%，SO3去除率≥60%。
1.2 試驗工況與方法
煙氣中 NH3、SO3等污染物遷移轉化特性試驗分別在機組燃用高硫煤和低硫煤條件下進行。試驗時機組的負荷分別穩定在 300、170 MW。在不同試驗工況下，分別測試分析 SCR 脫硝裝置進/出口、低低溫電除塵器進/出口、脫硫裝置進/出口、濕式電除塵器進/出口的 SO3質量濃度。試驗工況見表 3。
表 3 試驗工況
SO3質量濃度測量依據 EPA method 8 標準。在各測點采集 SO3煙氣樣本，并記錄所采集的干煙氣流量和 O2質量分數。利用化學滴定法分析樣品中的硫酸根質量濃度，并根據所測量 O2質量分數和煙氣流量，計算各采集點煙氣中的干基 SO3質量濃度。SO3取樣測量設備如圖 1 所示。
圖 1 SO3取樣設備
2 結果及討論
2.1 SO3整體遷移轉化特性
圖 2 為不同工況下各污染物控制裝置進/出口的 SO3質量濃度分布。由圖 2 可以發現，不同工況下 SCR 脫硝裝置中 SO3質量濃度都顯著上升。有研究表明，SCR 脫硝過程中催化劑將 NOx催化還原成 N2的同時，SCR 催化劑中活性組分也會將部分的 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質量濃度有所下降，該段煙氣流經了空預器，SO3會與逃逸的 NH3反應生成硫酸氫氨，這是造成空預器堵塞的主要原因。
圖 2 不同工況下各采樣位置 SO3質量濃度當煙氣通過低低溫電除塵器時，煙氣溫度會降低到酸露點以下，煙氣中的 SO3會冷凝形成硫酸液滴或者硫酸鹽，這些物質會沉積在飛灰表面，最終被電除塵裝置捕集，SO3也同時被脫除。海水脫硫裝置進一步脫除 SO3，其主要利用了海水中的堿性物質吸收 SO3，達到脫硫目的。同時，濕式除塵器也對 SO3有一定的脫除作用。不同工況下各裝置SO3質量濃度降低比例見表 4。煙氣中 SO3的整體遷徙轉化特性如圖 3 所示。
表 4 不同工況下各裝置 SO3質量濃度降低比例 單位：%
圖 3 煙氣中 SO3的遷移轉化特性
從表 4 和圖 3 可以看出，低低溫電除塵器對SO3的相對脫除效率最高，當煙氣流經低低溫電除塵器后，各工況下 SO3的相對脫除率均超過 55%。因此，需密切關注 SO3對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 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。經過一系列現有的污染物控制裝置后，最終煙氣中的 SO3質量濃度低于 2 mg/m3（圖 2）。
圖 2 不同工況下各采樣位置SO3質量濃度
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質量濃度變化見表 5。從表 5 可見，經 SCR 脫硝裝置后，煙氣中 SO3質量濃度均有所上升，不同工況下脫硝裝置出口 SO3質量濃度增加幅度為 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。從試驗結果來看，SCR 脫硝裝置中 SO3生成量在一定程度上與機組負荷相關。隨著機組負荷的增加，SCR 脫硝裝置入口的煙溫也增加。在 SCR催化劑中對 SO2氧化起主要作用的是活性組分V2O5，其通過 V5+與 V4+之間價態的轉換實現對 SO2的氧化（式(1)、式(2)）。這一反應發生的溫度通常為 350 ℃。當煙氣溫度升高時，其反應速率提高，導致催化劑表面 SO3轉化率增加。
2.3 空預器中 SO3與 NH3的轉化
表 6 為不同工況下空預器進出口 SO3與 NH3含量變化。
表 6 不同工況下空預器進出口 SO3和 NH3含量
由表 6 可以看出，空預器進出口煙氣中 SO3和NH3含量均出現了不同程度的降低，這表明在空預器中 SO3和 NH3發生了一定程度的反應。空預器入口 SO3和 NH3含量越高，空預器出口 SO3和 NH3含量降低程度也會越加明顯，兩者在空預器中反應愈劇烈，由此造成空預器堵塞的風險也越高。
另外，由表 6 還可見，相較于低硫煤，高硫煤燃燒會導致空預器進口 SO3質量濃度大幅度增加，此時若不嚴格控制脫硝裝置出口 NH3逃逸量，也會進一步增大空預器堵塞風險。
2.4 低低溫電除塵器中 SO3的脫除
試驗中不同工況下低低溫電除塵器前后的 SO3質量濃度變化見表 7。由表 7 可以看出，低低溫電除塵器對 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質量濃度
表7中試驗結果顯示，燃用高硫煤種時低低溫電除塵器對SO3的脫除效率高于燃用低硫煤種。由表2煤質分析結果可知，高硫煤中灰分比低硫煤高，而灰分增加會使煙氣中飛灰含量增加，這促進了SO3與飛灰中堿性物質的反應程度，從而使得SO3更容易被飛灰捕捉而通過電除塵器除去。另一方面，隨著溫度降低，SO3也會形成硫酸酸霧，當飛灰顆粒物吸附硫酸酸霧后，顆粒物表面會生成一層液膜，這層液膜能夠增強顆粒物之間的茹附性，強化團聚作用，從而進一步提高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，這些物質具有酸堿緩沖的作用，因此是很好的 SO3吸收劑。試驗中不同工況下海水脫硫裝置前后 SO3質量濃度變化見表 8。
表 8 不同工況下海水脫硫裝置前后 SO3質量濃度
由表 8 可以看出，煙氣經過低低溫電除塵器后，煙氣中 SO3質量濃度不超過 20 mg/m3，再經過海水脫硫裝置脫除之后，海水脫硫裝置出口 SO3的質量濃度均低于 6 mg/m3。雖然海水脫硫裝置入口 SO3質量濃度不高，但海水脫硫裝置對 SO3進一步脫除效率一般能夠達到 60%~70%，且其脫除效率受燃用煤種與機組負荷的影響不大。
需要指出的是，當煙氣進入脫硫吸收塔之后，煙氣的溫度降低到酸露點之下，煙氣中的大部分氣態的 SO3會冷凝成 SO3液滴。粒徑大于 10 μm 的硫酸液滴會被吸收塔中海水吸附，而 0.5~2.5 μm 粒徑的硫酸液滴會形成氣溶膠，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出口 SO3質量濃度變化見表 9。由表 9 可見，濕式電除塵器對 SO3的脫除效率為 65%~87%，且低負荷下 SO3脫除效率高于高負荷條件下的脫除效率。
表 9 不同工況下濕式電除塵器進出口 SO3質量濃度
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機組煙氣中 SO3經過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一步脫除后，最終煙氣中 SO3質量濃度低于 2 mg/m3。
3 結 論
1）某電廠 300 MW 機組環保設備中低低溫電除塵器對 SO3的相對脫除效率最高，其脫除相對比例可達 65%；海水脫硫對 SO3脫除相對比例約為15%；濕式電除塵器對煙氣中 SO3脫除相對比例約為 5%；其余約 15%的 SO3會在空預器中與 NH3發生反應，增加空預器的堵塞風險。
2）煙氣經過 SCR 脫硝裝置后 SO3質量濃度增加幅度為 113%~145%，是造成尾部煙氣中 SO3質量濃度升高的主要原因。相較于低硫煤，燃用高硫煤會導致 SCR 脫硝裝置出口的 SO3質量濃度大幅度增加。
3）總體而言，超低排放環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煙氣中 SO3整體協同控制效果較好，能有效控制最終 SO3排放質量濃度低于 2 mg/m3，但需進一步關注 SO3對這些環保設備自身運行造成的影響。
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