應用堿性吸收劑噴射技術脫除煙氣中SO3的中試試驗研究

徐紹平，陳雨帆，吳賢豪，劉春紅

（1.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121；3.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121）

0 引言

煤炭燃燒會產生大量氣體污染物，燃煤電廠作為煤炭消耗大戶，因此也是氣態污染物的排放大戶。煤炭中含有硫分，燃燒產生的煙氣中包含一定濃度的SO2或SO3[1]。當過量空氣系數大于1時，約有0.5%～2.0%的SO2會進一步氧化生成SO3。另外，SCR（選擇性催化還原技術）裝置在脫除煙氣中的NOX的同時，也會將1.0%左右SO2氧化成為SO3。相關數據表明，較加裝SCR 裝置之前，SO3濃度會增加1 倍左右[2]。SO3是鍋爐尾部煙道腐蝕、空預器堵塞、酸雨，“藍羽”等現象的主要原因[3]。因此研究發治理煙氣中SO3的技術十分必要且意義重大。

目前，國內外燃煤電廠治理煙氣中SO3的技術主要分為物理方法和化學方法。物理方法主要有低低溫除塵器、濕式電除塵器、濕法脫硫塔等；化學方法主要有爐內摻燒石灰石/白云石技術，SCR 催化劑改性和堿基吸收劑噴射法等[4]。其中低低溫除塵器、濕式電除塵器、濕法脫硫塔雖然能夠脫除煙氣中SO3，但是無法消除SO3對上游脫硝裝置以及空預器等設備的危害[5]。爐內摻燒石灰石/白云石技術是在煤粉燃燒過程中降低SO3的生成，高效經濟，但是影響燃燒過程，降低鍋爐效率，一般在高硫煤機組中使用較多[6]。

堿性吸收劑噴射法脫除煙氣SO3技術[7-9]是通過噴射堿性吸收劑到煙道中，SO3反應生成硫酸鹽，并經過除塵設備去除。采用該法可以精準高效地脫除煙氣中的SO3。目前國外業績較多，國內研究不多，并且鮮有應用實例。

本文將建立一個基于旁路煙氣的SO3脫除技術研發的中試試驗平臺，并通過平臺測試分析常見的堿性吸收劑對煙氣SO3脫除效果，為國內開展堿性吸收劑脫除SO3技術路線選擇與堿性吸收劑的選型提供參考。

1 堿性吸收劑噴射脫除SO3的中試平臺

少量堿性吸收劑以溶液的形式噴射進入280～380 ℃的煙氣中，會發生“閃蒸”現象，迅速形成堿性顆粒。故無論堿性吸收劑是以固態粉末還是溶液的形式進入煙氣中，與SO3都是氣固兩相反應，而且是非催化氣固反應。

1.1 反應機理

一般堿性吸收劑“閃蒸”形成的顆粒反應前孔容積較小，可以視為致密固體。無孔致密性顆粒的氣固反應一般適合采用縮核反應模型[10]。

圖1 是縮核反應模型的示意。Rp 和Rc 分別是顆粒和未反應核半徑。CAO，CAP，CAC分別是反應氣體在氣膜層、顆粒表面和反應邊界上的濃度。堿性吸收劑顆粒與SO3的反應過程可簡化成：

（1）外擴散：SO3從主氣流擴散到堿性吸收劑顆粒外表面。

（2）內擴散：SO3經過產物層的孔隙擴散至未反應層表面。

（3）界面反應：在未反應層表面SO3與堿性吸收劑發生反應。

圖1 縮核反應模型

研究表明，溫度升高對擴散速率的貢獻較小，而濃度梯度對擴散速率的影響較大。但由于鍋爐煙氣中SO3的濃度較低，溫度梯度不大，故質量擴散速率受限，為提高脫除效率，應該減小外擴散阻力，如增大吸收劑在煙氣中的數目濃度、提高分散均勻性等。堿性吸收劑溶解后霧化噴射，在高溫下干燥后可以形成均勻分布的細小顆粒，能夠有效提高SO3的脫除效率。

1.2 SO3的遷移規律

燃煤電廠煙氣中SO3從生成到排放，隨著煙氣工況條件的變化，將經歷一系列復雜的物理化學過程。了解變化其中的變化規律對于指導SO3的脫除與預防具有重要意義[11]。圖2 所示為某燃煤電廠的SO3遷移規律。

SO3在400 ℃以上幾乎都是以氣態SO3的形式存在，此時SO3對機組運行的影響較小。溫度降低400 ℃以下后，SO3會生成NH3HSO4、硫酸霧等腐蝕性物質，對機組影響較大。取省煤器后的真實煙氣作為氣源來研究堿性吸收劑的效果以及對下游煙道的影響效果比較全面合理。

圖2 燃煤電廠SO3的遷移規律

1.3 采用真實煙氣的堿性吸收劑噴射脫除SO3中試平臺

堿性吸收劑噴射脫除SO3的中試試驗平臺建立在某330 MW 機組上，使用省煤器出口的真實煙氣作為氣源可以更全面地開展堿性吸收劑在爐后煙氣排放各階段脫除SO3能力的研究。為了提高SO3的脫除效率，中試平臺采用霧化噴射堿性吸收劑溶液的方式混入堿性吸收劑。主要包括除塵系統，換熱系統，加藥系統，脫硝系統以及煙道、閥門和相關動力與監測設備等。另外，通過添加除塵、換熱以及SCR 脫硝等功能來實現靈活控制平臺的工況條件。中試試驗平臺的尾氣經過增壓引風機加壓后去往電除塵，經鍋爐尾部煙氣處理設備治理后排空。中試平臺的工藝流程及其現場如圖3、圖4 所示。

圖3 堿性吸收劑噴射脫除SO3中試試驗平臺工藝流程

圖4 堿性吸收劑噴射脫除SO3中試試驗平臺現場

2 堿性吸收劑噴射脫除SO3的中試試驗

2.1 堿性吸收劑的選擇

堿基吸收劑與SO3反應過程中形態的變化對SO3吸收性能的影響很大。較為常見的NaOH，Mg（OH）2，Ca（OH）2與SO3反應后的產物比較致密。而Na2CO3與SO3反應過程中，不斷產生CO2氣體，使得顆粒物保持多孔結構，有助于SO3擴散到未反應的吸收劑表面；多孔結構又增加了比表面積，從而提高了SO3的脫除效率并能夠使反應更完全。在本案例中，采用Na2CO3作為堿性吸收劑來研究真實煙氣下堿性吸收劑對SO3脫除效率的影響因素。

2.2 實驗方法

通過調整平臺上各裝置參數來得到相應工況條件，并用異丙醇吸收法來測量煙氣中的SO3濃度，通過計算噴射前后的SO3濃度來計算脫除效率。以此研究不同工況條件下SO3的脫除效率，分析得到不同控制參數對SO3脫除效率的影響。SO3的脫除效率的計算方法為：

式中：Cin為噴射前的SO3濃度；Cout為噴射后的SO3濃度。

2.3 SO3脫除效率的影響因素研究

2.3.1 反應物摩爾比對SO3 脫除效率的影響

在穩定負荷下，通過擋板門調節開度和換熱系統處理，保持噴射格柵后的煙溫與流量不變，通過控制Na2CO3溶液的噴入量來改變Na2CO3與SO3的摩爾比。本次試驗中Na2CO3溶液的濃度為52.6 mg/m3，進口SO3平均濃度約為33 mg/m（已換算為標況下，以下同），進出口的測孔分別為1和3，機組平均負荷300 MW，調節門開度為30%，通過調節換熱系統參數保持噴射點后煙氣溫度維持在320 ℃左右。試驗得到SO3的脫除效率隨n（Na2CO3）:n（SO3）的變化如圖5 所示。由圖5 可知，在n（Na2CO3）:n（SO3）較低時，SO3脫除效率較低。當比值增加到3:1 后，效率明顯挺高，但是繼續增大比值，趨勢線變緩。可能停留時間短，部分吸收劑未參與反應。

2.3.2 停留時間對SO3 脫除效率的影響

圖5 SO3脫除效率與n（Na2CO3）:n（SO3）的關系

在噴射格柵后面，設置了一段加粗的直煙道。煙道內徑加大，流速降低，以便在相對短的煙道內得到足夠多的停留時間間隔較長的測孔位置。本次試驗中，Na2CO3溶液的濃度為52.6 mg/m3，進口SO3平均濃度約為31 mg/m3，機組平均負荷303 MW，調節門開度為30%，煙氣平均溫度為322℃，噴射點到測孔1—4 的停留時間分別為1.21 s，2.18 s，3.06 s 和3.94 s。在n（Na2CO3）:n（SO3）為1:4的情況下，SO3脫除效率隨停留時間的變化如圖6 所示，可見，隨著停留時間變長，脫除效率的提高是比較明顯的。這是由于更多的吸收劑參與反應，綜合經濟與效益，停留時間最好控制在2～3 s 以內。

圖6 SO3脫除效率與停留時間的關系

2.3.3 煙氣溫度對SO3 脫除效率的影響

中試平臺的換熱系統，通過更換冷熱換熱介質與改變介質流速來控制噴射格柵出口煙溫。本次試驗中，Na2CO3溶液的濃度為52.6 mg/m3，進口SO3平均濃度約為35 mg/m3，機組平均負荷301 MW，調節門開度為30%，n（Na2CO3）:n（SO3）為1:4 的情況下，進出口測孔為1 和3。試驗得到SO3脫除效率隨煙溫的變化如圖7 所示。可見，煙溫在300～400 ℃，脫除效率的變化不大。可能是由300 ℃以上，SO3的吸收速率受氣固界面的反應的影響較小。

2.3.4 煙塵含量對SO3 脫除效率的影響

圖7 SO3脫除效率與煙溫的關系

中試平臺的除塵系統可以通過改變電場的強度，來改變出口塵濃度。本次試驗中，Na2CO3溶液的濃度為52.6 mg/m3，進口SO3平均濃度約為34 mg/m3，機組平均負荷298 MW，調節門開度為30%，n（Na2CO3）:n（SO3）為1:4 的情況下，進出口測孔為1 和3。通過改變除塵系統出力，得到4 個煙塵濃度251 mg/m3，1 547 mg/m3，4 680 mg/m3，1 1042 mg/m3。試驗得到SO3脫除效率隨煙塵含量的變化如圖8 所示。由圖8 可知，隨著煙氣中含塵量增加，脫除效率在4 680 mg/m3左右達到最高值。分析原因可能是當煙氣中含塵量較低時，由于堿基吸收劑吸附到煙塵上后，得到了更大的比表面積，提高了一定的脫除效率。當煙氣中含塵量繼續增大，部分多孔結構的煙塵與堿性吸收劑固體顆粒競爭SO3，使得SO3不易與堿基吸收劑結合，從而使脫除效率有所下降。最佳煙塵濃度在4 680 mg/m3左右。

圖8 SO3脫除效率與煙塵含量的關系

3 堿性吸收劑噴射對脫硝催化劑的影響

為研究堿性吸收劑噴射脫除SO3對脫硝催化劑的影響，進行了堿性吸收劑脫除SO3長期運行試驗，試驗持續時間1 個月，平均負荷率228 MW，其中132 MW 以下負荷占比11%。試驗期間，平臺進口擋板門開度保持30%不變，Na2CO3溶液濃度為52.6 mg/m3，按n（Na2CO3）:n（SO3）為1:4 噴射堿液吸收劑。取試驗前后的催化劑做性能檢測，根據檢測報告得到，2 次的活性分別為36.4 和36.2。可見，噴射堿性吸收劑對催化劑的影響程度較小，在可接受范圍之內。圖9 為堿基噴射前后催化劑樣品外觀。

圖9 堿基噴射前后試驗用催化劑條的對比

4 結語

堿性吸收劑噴射技術是高效脫除燃煤電廠煙氣中SO3的有效手段。在分析氣固反應機理與SO3的遷移規律的基礎上，設計建設一臺堿性吸收劑噴射脫除SO3的中試平臺，研究了真實煙氣情況下Na2CO3溶液噴射脫除SO3效率的影響因素，并在此基礎上得出Na2CO3溶液噴射脫除SO3較優的運行工況：煙溫320 ℃，n（Na2CO3）:n（SO3）為1:4，Na2CO3溶液的濃度為52.6 mg/m3、煙塵濃度4 680 mg/m3；并通過試驗研究得出堿性吸收劑噴射對SCR 催化劑的影響很小。研究成果為發電廠煙氣SO3脫除提供了理論基礎，可供發電廠和相關研究單位參考。