燃煤電廠“有色煙羽”形成機制與煙羽消白技術研究

關 昱, 周 洋, 吳 江

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.寶山鋼鐵股份有限公司電廠, 上海 200941)

為了降低煙氣排放污染物對環境的污染,燃煤電廠采用了脫硫、除塵、脫硝、脫汞等設施,有效地控制了顆粒物以及SO2和NOx等污染物的排放。但在煙氣環保設施投入運行后,部分電廠煙囪出現了“有色煙羽”,產生了視覺污染。

雖然有色煙羽對周圍環境沒有造成污染,但這種視覺污染對居民造成了一定的影響,削弱了公眾對環保工作的“安全感”,有時候被誤認為是燃煤電廠排放的煙氣污染物,甚至受到群眾的投訴。2017年是《大氣污染防治行動計劃》第一階段的收官之年,隨著霧霾天氣在我國日益頻繁的出現,許多燃煤電廠開始把有色煙羽作為環評的重要指標之一。為此,上海市環境保護局頒布了《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術要求(試行)》[1]。繼上海出臺相應政策之后,浙江、天津等地也相繼出臺了相應的政策措施,其他省份也在加緊制定大氣污染物排放地方標準。即通過采取相應技術降低煙氣排放溫度和含濕量,收集煙氣中過飽和水蒸氣中的水分,減少煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機物等可凝結顆粒物的排放,以推進石膏雨消除技術、有色煙羽治理技術的創新和裝備制造的發展。

1 燃煤電廠有色煙羽形成的原因

燃煤電廠排放出來的有色煙羽,呈現出黃煙或藍煙。其原因是:燃煤電廠煙氣排出煙囪時所形成的硫酸氣溶膠的粒徑與黃光和藍光的光波長接近,經過散射呈現出黃色和藍色[2]。煙羽越長,表明其氣溶膠顆粒濃度越高。在燃煤電廠中,大多數煙氣在排出前經過了煙氣濕法脫硫設備,煙氣通常為飽和的濕煙氣,在直接排放出去后,進入溫度較低的空氣環境中,在溫度的降低過程中,煙氣中的水蒸氣會凝結形成“煙羽”現象[3-5]。

1.1 燃燒高硫煤的影響

文獻[6]的研究表明,通過不同機組燃燒不同含硫煤時,煙氣中SO2質量濃度越高(即燃煤含硫量越高),煙囪形成有色煙羽的現象越明顯。在生成SO2的同時,SO2被氧化為SO3,SO3進而與水蒸氣反應生成硫酸霧滴,排放到環境中造成煙羽。由此可見,SO3是產生煙羽的原因之一。

圖1為SO3控制技術路線。

圖1 SO3控制技術路線

燃煤電廠中,SO3來源于兩個方面:一是在煤的燃燒過程中,煤中含有可燃性硫等,在鍋爐爐膛中燃燒時生成SO2,部分SO2進一步氧化成SO3;二是在選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脫硝過程中,煙氣中部分SO2被SCR催化劑催化氧化為SO3[7-8]。

圖2為酸露點與SO3濃度的關系。由圖2可以看出,SO3濃度越高,酸露點越高,形成的硫酸氣溶膠顆粒越多,進而造成煙羽現象越嚴重。

圖2 酸露點與SO3濃度的關系

1.2 脫硝裝置的影響

燃煤電廠火電機組SCR脫硝催化劑一般為 V2O5/TiO2,在催化還原NOx的同時會使一部分SO2氧化生成SO3,提高了煙氣中SO3的生成量和排放量。當煙囪出口SO3(包括H2SO4)排放質量濃度超過35 mg/m3時,就會出現明顯的藍色或黃色煙羽[5]。此外,在空氣預熱器中,當煙氣溫度冷卻至 177～215 ℃時,SCR反應器中未反應的 NH3與SO3發生反應生成硫酸氫銨[6],極易造成有色煙羽現象的產生。

1.3 脫硫塔的影響

煙氣通過脫硫吸收塔后,SO2得到了有效去除,但SO3的體積分數并未顯著下降。在脫硫塔中,當溫度降到酸露點以下后,所有SO3全部轉變為硫酸霧滴。對于大粒徑的霧滴,脫硫塔有較高的捕集效率,但對于新形成的小粒徑的硫酸霧滴,其捕集效率很低,且小粒徑的硫酸霧滴在脫硫塔中形成的速率高于其被捕捉的速率。當脫硫塔出口的SO3體積分數達到18.2 L/L時,會出現濃厚的不透明煙羽[9]。

1.4 煙氣再熱裝置的影響

電廠排放煙氣的透明度主要受飛灰顆粒物、液滴和硫酸霧滴的影響。當飽和熱煙氣離開煙囪后溫度急劇下降,從而形成白煙[10]。煙氣再熱裝置拆除后,煙氣含濕量增加,水分的存在加強了SO3氣溶膠的凝結,細微顆粒物的質量濃度有所增加,導致有色煙羽現象加劇。

2 燃煤電廠有色煙羽處理的可行技術

2.1 優化摻燒技術

(1) 煤粉混燒 采用混煤燃燒可以有效降低煤粉燃燒的含硫量,從根本上有效減少SO3的產生,其最直接的辦法就是燃燒低硫煤。研究發現,當燃燒溫度、通入風量等條件相同時,煤中硫在燃燒過程中轉化為SO3的質量分數隨含硫量的增大而提高[11-12],因此燃用低硫煤是降低燃煤煙氣中SO3濃度最有效的方法之一。然而我國低硫煤數量較少且價格較高,難以實現全部燃燒低硫煤,因此也可以采用摻燒部分低硫煤來降低SO3的生成,進而降低SO2/SO3的轉化率。

(2) 生物質垃圾混燒 城市中存在許多生物質垃圾,目前還沒有一種較為合理的處理辦法,而且在一般遠離化工企業的生物質垃圾中含硫量較少,因此可以采取一定比例的生物質垃圾與煤粉摻燒。這樣,既解決了城市中生物質垃圾處理難的問題,又可以減少摻燒過程中SO2的產生,進而減少在脫硝過程中轉化為SO3的含量,在煙氣排出時可以有效地降低有色煙羽現象。

2.2 優化堿性吸收劑的噴灑方式

(1) 燃燒中噴堿性吸收劑 根據爐膛運行狀況,可以在煤粉燃燒過程中向爐膛內特定的溫度區域噴灑配置好的堿性吸收劑(如氫氧化鈣和氧化鎂等),以起到脫除SO3的效果。美國電力公司Gavin 電廠在爐膛內噴灑鎂脫硫效果明顯,當Mg/SO3摩爾比為7時,SO3的脫除率高達90%左右[13]。

(2) 燃燒后噴堿性吸收劑 與爐內噴堿性物質相同,在選擇性催化還原裝置后或空氣預熱器前噴入氫氧化鈣、石灰石、氧化鎂等漿液或粉末,仍可獲得40%～90%的SO3脫除效率。此外,噴堿的種類、數量、噴入位置等不同,對SO3的去除效果也不同[14]。通過降低煙囪排放SO3的濃度,可以減弱煙囪的有色煙羽現象。

2.3 優化脫硝催化劑

目前,常用的催化劑是以TiO2為載體、V2O5為主要活性成分、WO3為添加劑的催化體系,WO3有助于抑制SO2的轉化。通過調節活性成分和添加劑的選擇,以及進一步開發低SO2/SO3轉化率的新型脫硝催化劑,可以降低SO3的轉化[15]。此外,也可以采用新型的光催化劑,如BiOI,BiOIO3,In2O3/TiO2等[16-20]以降低SO3的轉化。

2.4 采取煙氣先冷凝后加熱的方式

在脫硫塔出口設置煙氣冷卻系統和煙氣加熱系統:煙氣冷卻系統吸收脫硫后煙氣的熱量,并送至一次風管路及二次風管路;煙氣加熱系統吸收脫硫前高溫煙氣熱量,并送至煙氣冷卻系統,使煙氣升溫。通過先冷卻煙氣析出凝結水,降低濕煙氣比熱,后加熱煙氣的所需熱量減少,進而有效消除有色煙羽,同時降低耗能。

2.5 采用濕式電除塵器

濕式電除塵器的工作原理主要包括靜電收塵和濕式除塵兩部分。在直流高電壓的作用下,金屬放電線產生電暈放電,使周圍氣體電離,煙氣中的粉塵和液滴表面荷電,在電場力的作用下,荷電粒子向收塵極移動并富集,采用水膜清灰方式,噴淋水流從收塵板上部流下,并在收塵板上形成一層穩定均勻的水膜,水膜向下流動,將極板上的粉塵帶走,或依靠收集霧滴自流的清灰方式,粉塵隨后沖刷到灰斗中排出[21-25]。相比于其他類型除塵器,濕式電除塵器對粉塵無要求,沒有二次揚塵,除塵效率高,出口粉塵“近零排放”;同時,還能有效去除SO3氣溶膠、重金屬、有機污染物及PM2.5,對控制細粒粉塵、消除“藍煙”和“石膏雨”效果良好。

2.6 添加煙氣加熱裝置

當煙氣濕度較大時,在排出煙囪后會凝結成小液滴,在太陽光的照射下,會出現有色煙羽現象。因此,提高煙氣的溫度,降低煙氣的含濕量,可以有效減少有色煙羽現象。在除塵器至煙囪之間安裝煙氣加熱裝置,在煙氣通過時將煙氣加熱。這樣可以有效地降低煙氣的濕度,在煙氣排出煙囪時,就會減弱有色煙羽。

2.7 開發新型煙羽消除裝置

在煙囪尾部裝設有色煙羽的消除裝置,可以減弱有色煙羽的存在。裝置可以采用真空集熱管的材料,做出蜂窩結構,有利于儲存大量的熱量,同時新型裝置充有堿性物質。這樣,在光的照射下,集熱管可以吸收大量的熱量并儲存起來,在煙氣通過時,將煙氣進行加熱,以有效避免煙氣在煙囪出口存在冷凝的現象,同時可以吸附SO3等酸性氣體,減少氣溶膠的形成。

3 結 語

有色煙羽是由于SO3和NOx等氣體在濕煙氣中形成氣溶膠排放到環境中,在太陽光的照射下形成的現象。根據煤種、含硫量等具體情況,可以優化摻燒技術、采用濕式電除塵器、對煙氣加熱或冷凝以及先冷凝再加熱等技術、開發相應的消除裝置等,可以有效降低煙羽現象,并具有成本低、運行方便等特點,應用前景良好。