燃煤電廠堿基噴吹脫除三氧化硫的應用研究

吳永杰，戴永陽

(上海迪夫格環(huán)境科技有限公司，上海 201199)

0 引言

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)，我國“富煤、少油、缺氣”的能源結構決定了燃煤電廠仍是我國當前社會發(fā)展的重要支柱。2015年12月國家三部委制訂了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，提出了大氣污染物的超低排放要求，并同時提出要大幅減少汞、SO3、砷等污染物的排放。

燃煤電廠鍋爐在燃燒過程時會產(chǎn)生一定量的SO3，近年來，由于選擇性催化還原技術(SCR)的大規(guī)模應用，SCR催化劑會催化氧化SO2產(chǎn)生更多的SO3。SO3濃度過高會導致“藍煙”現(xiàn)象發(fā)生，同時提高煙氣酸露點，并產(chǎn)生硫酸氫銨，導致空預器堵塞，嚴重影響機組的正常、安全運行。

本文針對SO3產(chǎn)生來源及危害，對堿基噴吹脫除SO3技術進行了系統(tǒng)的闡述，為SO3治理提供參考和借鑒。

1 SO3的來源

燃煤鍋爐煙氣中的SO3主要有以下幾個來源：

(1)爐膛燃燒：爐膛燃燒溫度高于1 700 ℃時，煤中的硫絕大部分被氧化成SO2，然而在燃燒物急劇降溫時，將有一定的SO3生成。900 ℃時，在均相氣相反應中SO3就會生成[1]。

反應方程式：SO2+O2→SO3+O

煤在爐膛中燃燒時，煤中的硫份0.5%～2%被氧化成SO3。鍋爐中SO3的生成量受鍋爐類型、過剩空氣量和催化劑量的影響[2]。

(2)煙氣在尾部受熱面換熱過程中，受到金屬管壁、飛灰的催化氧化作用，一部分SO2會被氧化成SO3。

2 SO3的危害

(1)產(chǎn)生“藍色煙羽”

硫酸氣溶膠顆粒的光學散射效應將使得煙囪煙羽產(chǎn)生視覺變色，即藍色煙羽現(xiàn)象。導致藍色煙羽發(fā)生的最低SO3濃度受大氣條件(日照量、溫度、相對濕度和風速)和煙囪特性(煙囪直徑和出口煙氣速度)影響。

當SO3濃度低于18 mg/m3時，一般不會發(fā)生藍色煙羽現(xiàn)象，而當煙氣SO3濃度提升至36 mg/m3時，就可導致煙羽混濁度大于50%。

(2)提高煙氣酸露點，增加腐蝕風險

圖1是SO3濃度與酸露點的關系曲線圖。酸露點溫度是酸在該溫度或低于該溫度的任何表面上冷凝的溫度。當SCR裝置投入使用后，酸露點一般會升高5～11 ℃[6]。如果空預器出口煙溫不作相應的升高，則會提高后端設備的腐蝕風險。如果空預器出口煙溫作相應的升高，則會增加機組的熱能損失。

(3)對空預器的影響

在177～215 ℃溫度范圍內，如果SO3的摩爾濃度超過NH3的摩爾濃度，它們將反應產(chǎn)生硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種粘性固體且腐蝕性高，硫酸氫銨攜帶灰分附著在空預器表面，造成空預器堵塞以及壓損增加，進而影響機組的正常運行[7-8]。

(4)對SCR脫硝裝置的影響

在276～332 ℃溫度范圍內，SO3也可以在SCR脫硝裝置中與NH3發(fā)生反應。上述溫度通常稱之為最低操作溫度，主要取決于SO3濃度。因此，噴氨的溫度應在最低操作溫度之上，以盡量避免硫酸氫銨產(chǎn)生。

3 堿基噴吹脫除SO3技術

基于SO3排放的種種弊端及脫除的益處，目前各國學者都在研究SO3控制技術，主要有摻燒低硫煤、爐內噴堿、爐后噴堿、空預器后噴堿、靜電除塵器前煙氣增濕、濕式靜電除塵器(WESP)等技術[9]，各技術優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 SO3脫除技術對比

干法與濕法噴吹均可達到脫除SO3的效果，兩者脫除SO3的原理大致相同，但是兩種方法的脫除效果存在差別，表2是干法和濕法技術特點對比。

表2 干法及濕法堿基噴吹技術特點對比

濕法堿基噴吹堿基一般優(yōu)選鈉基，因為相比鈣基和鎂基，鈉基溶解性好，而且堿性更高。根據(jù)Codan公司的研究，將Na2SO3或Na2CO3溶液作為堿基噴入煙氣中，堿基/SO3摩爾比1.5～2.0時，可以實現(xiàn)90%以上的SO3脫除效率[10]。由表3可知，與噴射鈣基(消石灰)相比，噴射鈉基(碳酸鈉)的運行成本也并不高。

表3 消石灰和碳酸鈉運行經(jīng)濟性分析

用于干法脫除SO3的堿基顆粒粒徑一般為20～150 μm，但用于濕法的堿基溶液通過噴嘴霧化后粒徑可以達到10 μm，這大大提高了吸收劑的比表面積，使得堿基能夠均勻的分布于煙氣流中，促進與SO3的混合，極大地提高了SO3脫除效率。同時，實際運行效果表明直接噴射粉末很容易造成固化和粘接，不利于脫除反應的進行，導致堿基與SO3摩爾比大大高于反應當量，導致干法脫除SO3效率遠低于濕法技術。因此，在工程應用中優(yōu)選濕法堿基噴吹技術脫除SO3。

4 工藝介紹

4.1 工藝原理

濕法堿基噴吹的工藝方法是采用堿金屬鹽，溶解后送至煙道，與煙氣充分混合后發(fā)生反應，達到脫除煙氣中的SO3的目的。

采用的堿基包括碳酸鈉、亞硫酸鈉或亞硫酸氫鈉，常規(guī)工況下煙氣的溫度反應區(qū)間為300～400 ℃，吸收劑直接采用液體的形式通過霧化噴嘴噴入，在該煙溫下霧化的液滴干燥時間為0.1 s，最終堿液粒徑能達到10 μm左右。以碳酸鈉堿基為例，具體反應流程如下：

首先，Na2CO3與SO2在煙氣流中發(fā)生反應：

Na2CO3+ 2SO2+H2O→2NaHSO3+CO2

Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2

接著Na2SO3作為吸收劑與SO3發(fā)生反應。當反應物過量時，將會生成硫酸鈉。

Na2SO3+SO3→Na2SO4+SO2

當噴射的反應物大大少于SO3時，硫酸鈉會繼續(xù)和SO3反應生成硫酸氫鈉。

Na2SO4+SO3+H2O→2NaHSO4

碳酸鈉溶液通過霧化噴頭噴入煙道，水分在距離噴射點很短的距離內被蒸發(fā)。在干燥的短時間內發(fā)生了一些重要的液相反應，大多數(shù)SO3的去除是與干燥的顆粒發(fā)生固相反應。吸收的顆粒十分細小，反應活性很高，被CO2、SO2、H2O包裹著產(chǎn)生的效果如同“爆米花”效應，干燥的反應物隨粉塵在靜電除塵器(ESP)中除去。

4.2 吸收劑選擇

(1)類型與用量[11-12]

鈉基鹽有Na2CO3、NaHCO3、天然堿(主要成分為Na2CO3、NaHCO3)、倍半碳酸鈉(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)等，鈣基鹽有CaO、Ca(OH)2等；鎂基鹽有MgO、Mg(OH)2等。堿性不同，摩爾比也不同。例如采用干式脫除三氧化硫噴吹堿性顆粒摩爾比為：SO3與Mg(OH)2、NaHCO3、Ca(OH)2、倍半碳酸鈉摩爾比分別為1∶3、1∶5、1∶8、1∶6。而噴射液態(tài)摩爾比則是1∶(1～2)。吸收劑用量除了考慮類型外還應考慮煙氣的煙氣量以及SO3的去除率，同時還與鍋爐的運行負荷有關。

(2)粒徑

粉末狀吸收劑的粒徑一般在40～100 μm之間，較液態(tài)吸收劑粒徑大，若粒徑較大，將會導致吸收劑在煙道內的分布不均，影響吸收劑對SO3的吸收，降低對SO3的去除效率，從而增加運行成本。

(3)停留時間

吸收劑在煙道的停留時間取決于煙氣流速、煙道尺寸等。噴射液體的反應停留時間最低控制在1 s，以保證SO3足夠的去除效率，同時避免和空預器間的不必要的化學反應和副反應。過長的停留時間也會導致副反應生成硫酸氫鈉，對空預器產(chǎn)生不利影響。

4.3 噴吹位置

噴吹位置的不同會帶來不同的脫除效果，一般推薦在SCR出口噴吹，但是當SCR到空預器之間反應停留時間不充足時，可在SCR上游設噴射點。一般推薦的噴吹點還有空預器后或者爐內噴射。

4.4 噴射單元

(1)噴槍與噴嘴

在噴射液態(tài)吸收劑時，確保噴槍霧化效果好，保證吸收劑能夠均勻分布到煙道中。建議根據(jù)煙道內煙氣氣流組織CFD模擬來確定噴槍和噴嘴的最佳位置。同時還應考慮到相鄰噴嘴間的距離、噴嘴與煙道內壁上、下、左、右四個壁面的距離、相鄰主噴嘴的距離、噴嘴與水平面的夾角等對噴射的影響。

應根據(jù)實際情況設置主噴嘴的組數(shù)、每組主噴嘴的個數(shù)、主噴嘴中小噴嘴的個數(shù)及出口流速。提高噴嘴流速可增加吸收劑分布的均勻度，但這樣不僅會增加噴嘴的耗氣量，降低煙氣溫度，提高空壓機的功率，增加能耗，同時也會加大吸收劑對噴嘴的磨損，縮短噴嘴的使用壽命。噴嘴數(shù)量、布置角度及出口流速的選擇應保證吸收劑與煙氣的均勻混合，同時盡量減小煙道阻力。

(2)增強措施

采取適當?shù)拇胧┛梢栽鰪娢談┰跓煹乐蟹植嫉木鶆蚨取＠缭O置擾流板增加混合度；設置防磨板減小煙氣對噴嘴的磨損，并優(yōu)化調整，最大限度減小煙道阻力。

5 應用實例

某300 MW機組采用SCR脫硝，脫硝入口煙氣參數(shù)如下表4所示。

表4 SCR脫硝入口煙氣參數(shù)

續(xù)表

擬在SCR脫硝裝置出口噴射25%的Na2CO3溶液脫除SO3，SCR脫硝系統(tǒng)SO2/SO3轉化率按1%考慮，因此堿基噴吹系統(tǒng)入口SO3濃度按100 mg/Nm3設計，主要設計參數(shù)如表5所示。

表5 堿基噴吹系統(tǒng)設計參數(shù)

系統(tǒng)流程如圖2所示，系統(tǒng)主要包括堿液溶解制備系統(tǒng)、計量稀釋系統(tǒng)、堿液噴射系統(tǒng)。堿液溶解制備系統(tǒng)主要包括脫鹽水儲罐、溶解罐、溶解水泵及進料泵；計量稀釋系統(tǒng)主要包括稀釋水泵、稀釋水流量計、堿溶液流量計、密度計和流量控制閥組；堿液噴射系統(tǒng)包括噴槍和噴嘴，噴槍與噴嘴連通，噴嘴布置于煙道內。

將碳酸鈉固體通過料斗車輸送至溶解罐，顆粒粒徑≤30 mm；向溶解罐中加入脫鹽水獲得稀釋堿液，并加熱稀釋堿液的溫度至30～40 ℃，通過計量稀釋系統(tǒng)調節(jié)稀釋堿液的質量濃度至25%；將壓縮空氣和稀釋堿液分配至設置于煙道中的噴射系統(tǒng)中，并根據(jù)煙道中SO3的濃度、煙氣流速以及稀釋堿液的質量濃度控制稀釋堿液流量和壓縮空氣的壓力。在噴嘴的煙氣上游配置均質混流器，有效保證煙氣與吸收劑的充分混合，在接近吸收SO3化學反應計量比的條件下，通過優(yōu)化的工藝保證噴射堿液霧化液滴的高比表面積，以此獲得高的反應活性，實現(xiàn)90%以上的SO3脫除效率。

6 結論

現(xiàn)有的燃煤機組普遍存在一定量的SO3，故會帶來一系列的問題，包括脫硝催化劑失活、催化劑磨損、空氣預熱器堵塞等。由于上述問題的存在導致SCR脫硝裝置效率下降，電廠能耗升高，并影響燃煤機組的正常運行。

采用濕法堿基噴吹技術，根據(jù)CFD仿真模擬結果，在特定區(qū)域向煙道中噴射堿基溶液，可以有效脫除煙氣中的SO3，實現(xiàn)90%以上的脫除效率，大幅降低催化劑連續(xù)噴氨的運行溫度，實現(xiàn)脫硝裝置的全負荷運行。同時還能減少空預器硫酸氫銨結晶的風險，降低了煙囪出口形成藍羽的可能性。