超低排放燃煤電站SO3生成及全流程分布特性

張軍梅， 李學(xué)棟， 孟 鎮(zhèn)， 張立強(qiáng)

(1.山東電力工程咨詢院有限公司， 濟(jì)南 250013； 2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061)

燃煤煙氣中SO3的全流程分布特性受煤種和超低排放技術(shù)路線的影響，這方面尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文通過對多個(gè)電廠的測試，研究了含硫量對爐內(nèi)SO3生成和SCR裝置中SO2向SO3轉(zhuǎn)化的影響。同時(shí)對兩個(gè)不同超低技術(shù)路線的1 000 MW機(jī)組進(jìn)行了測試，得到了SO3的全流程分布特性。旨在為中國燃煤電站超低排放技術(shù)路線的選擇提供依據(jù)，并為SO3的減排和控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 燃煤電站超低排放系統(tǒng)典型流程圖及SO3測點(diǎn)Fig.2 Schematic of ultra-low power plant and the sample locations of SO3

1 測試方法

煙氣中SO3的采樣參照美國標(biāo)準(zhǔn)EPA-method 8A推薦的方法進(jìn)行，SO3采樣流程如圖1所示。利用加熱煙槍從煙道等速抽取煙氣，煙槍全程加熱，避免SO3的冷凝。高溫狀態(tài)下將煙塵過濾后，進(jìn)入控制冷凝器，采用蛇形冷凝管與玻璃砂芯過濾結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)SO3的采樣。采樣后的冷凝管用去離子水沖洗，SO3轉(zhuǎn)化為硫酸根，采用離子色譜對溶液中的硫酸根進(jìn)行檢測，換算得到煙氣中SO3的濃度。

采用超低排放后燃煤電站典型流程如圖2所示。對圖2中6個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行SO3濃度檢測：測點(diǎn)1的數(shù)值可近似代表鍋爐燃燒過程中生成的SO3濃度，根據(jù)測點(diǎn)1和2，可以得到SCR裝置中SO2/SO3轉(zhuǎn)化率；根據(jù)測點(diǎn)2、3、4、5、6可以分別得到空預(yù)器、除塵器、脫硫裝置、濕電裝置對SO3的協(xié)同脫除規(guī)律。

1為電伴熱管；2為加熱的石英絲毛過濾網(wǎng)；3、4為二級玻璃蛇形吸收管；5為吸收容器；6為液滴分離器；7為真空泵；8為流量計(jì)；9為大氣壓力計(jì)；10為溫度計(jì)；11為水力循環(huán)泵；12為水浴鍋圖1 煙氣中 SO3 采樣測試裝置Fig.1 Schematic of SO3 sampling system

表1 煙氣中SO2含量

2 結(jié)果與討論

2.1 SO3的燃燒生成特性

硫元素主要以有機(jī)硫和無機(jī)硫的方式在煤炭中賦存，燃燒過程中大部分轉(zhuǎn)化成SO2，少量向SO3轉(zhuǎn)化。研究認(rèn)為，SO3的生成率和煤種、燃燒狀況、鍋爐運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)：煤燃燒后飛灰中的金屬氧化物可促進(jìn)SO3的生成，煤粉爐正常燃燒時(shí)，SO3生成率為0.5%～0.7%，燃燒工況較差時(shí)可達(dá)2%。對4個(gè)火力發(fā)電廠6臺機(jī)組省煤器后煙氣中的SO3進(jìn)行了測試。原始煙氣中二氧化硫含量見表1，可見所選取的6臺機(jī)組燃用的煤種分別包括低硫煤、中硫煤和中高硫煤。根據(jù)測試結(jié)果(圖3)，燃燒過程中產(chǎn)生的SO3濃度與煤種、機(jī)組負(fù)荷有較大關(guān)系。研究表明，隨著煤中含硫量的增加，SO3的生成量呈增加的趨勢。電廠1為低硫煤機(jī)組，SO3濃度為3.95～7.59 mg/Nm3；轉(zhuǎn)化率為0.41%～0.785%。電廠2 SO3濃度為15.1～18 mg/Nm3，對應(yīng)轉(zhuǎn)化率為1.14%～1.265%。電廠3為中硫煤機(jī)組，SO3濃度相對較低，為3.3～6.5 mg/Nm3，轉(zhuǎn)化率為0.145%～0.41%。電廠4為高硫煤機(jī)組，SO3濃度為15.16～21.85，對應(yīng)轉(zhuǎn)化率為0.36%～0.48%。根據(jù)測試結(jié)果，除電廠2轉(zhuǎn)化率大于1%之外，其余機(jī)組SO3生成率在0.145%～0.785%，與文獻(xiàn)結(jié)果相符。燃燒過程中SO3生成率隨負(fù)荷增加基本呈現(xiàn)增加的趨勢，高負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度高，促進(jìn)了SO3的生成。

圖3 燃燒過程SO3生成特性Fig.3 Characteristics of SO3 formation in combustion process

2.2 SO3的SCR轉(zhuǎn)化生成特性

燃煤電站普遍采用SCR技術(shù)控制氮氧化物排放，本文測試的機(jī)組均采用釩鈦系催化劑，在催化劑的作用下，煙氣中的SO2可被氧化為SO3。SO2轉(zhuǎn)化為SO3的轉(zhuǎn)化率受催化劑性質(zhì)、煙氣流速、煙氣溫度的影響。根據(jù)測試結(jié)果(圖4)，煙氣經(jīng)SCR脫硝裝置后，煙氣中SO3含量明顯增加，其中電廠4的1號機(jī)組SO3濃度達(dá)到58.8 mg/Nm3；6臺機(jī)組的SO3生成率在0.165%～0.86%，均滿足轉(zhuǎn)化率小于1%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 SCR裝置中SO3的生成特性Fig.4 Characteristics of SO3 formation in SCR reactor

2.3 空預(yù)器前后SO3濃度變化特性

空預(yù)器的作用是利用鍋爐尾部煙道的熱煙氣加熱空氣，降低鍋爐的排煙損失，提高鍋爐的效率。空預(yù)器中，煙氣溫度從300～350 ℃降至120～150 ℃。隨著煙氣溫度的降低，SO3形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，從氣態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成硫酸蒸汽，硫酸蒸汽與飛灰中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而得到固定。根據(jù)測試結(jié)果(圖5)，經(jīng)過空預(yù)器后，煙氣中SO3濃度明顯降低，電廠1空預(yù)器對SO3的脫除效率為18.3%～22.9%；電廠2脫除率為26%～28.1%。

2.4 除塵器前后SO3濃度變化特性

除塵器內(nèi)煙氣流速降低，煙氣中的SO3繼續(xù)與飛灰中的堿性物質(zhì)反應(yīng)，此外，除塵器對硫酸蒸汽具有一定的協(xié)同脫除作用，因此經(jīng)過除塵器后，SO3濃度進(jìn)一步降低，除塵器前后SO3濃度變化如圖6所示。電廠1采用了低低溫靜電除塵器，煙氣溫度進(jìn)一步降低，促使SO3向液態(tài)硫酸霧進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了其與飛灰的反應(yīng)，因此SO3降低幅度明顯，SO3脫除率20.2%～31.4%。電廠2為傳統(tǒng)靜電除塵器，SO3脫除率為7.5%～10%，明顯低于電廠1。

圖5 空預(yù)器前后SO3變化特性Fig.5 The change characteristics of SO3 before and after air preheater

圖6 除塵器前后SO3變化特性Fig.6 The change characteristics of SO3before and after ESP

2.5 濕法脫硫前后SO3濃度變化特性

石灰石石膏濕法脫硫系統(tǒng)是燃煤電站廣泛采用的脫硫技術(shù)，煤種適應(yīng)性好，脫硫效率高。濕法脫硫塔內(nèi)，煙氣與噴淋的漿液逆流接觸，煙氣迅速降溫，成為濕飽和煙氣。煙氣進(jìn)入濕法脫硫塔后，被脫硫漿液噴淋，迅速降溫，成為飽和濕煙氣，煙氣中的SO3完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩犰F。研究表明，硫酸霧粒徑在亞微米范圍內(nèi)，因此漿液噴淋對其脫除效果遠(yuǎn)低于SO2。脫硫裝置對硫酸霧顆粒的脫除性能與脫硫塔結(jié)構(gòu)有關(guān)。電廠1和電廠2對SO3的脫除性能如圖7所示。電廠1脫硫塔為空塔噴淋塔，SO3脫除效率為22.2%～29.5%，且隨著負(fù)荷增加，噴淋量增加，SO3脫除效率增加。電廠2采用高效脫硫除塵一體化裝置，脫硫塔內(nèi)分別設(shè)置高效旋匯耦合脫硫除塵裝置、噴淋層和管束式除塵除霧裝置，實(shí)現(xiàn)SO2和粉塵的協(xié)同控制。由于增加了除塵增效裝置，因此其對SO3的脫除效率得到提升，脫除效率為41.5%～42.4%。

2.6 濕除前后SO3濃度變化特性

濕式靜電除塵器可高效脫除漿液液滴和微細(xì)顆粒物，是實(shí)現(xiàn)顆粒物超低排放的終端設(shè)備，并對硫酸霧和汞等污染物有協(xié)同脫除作用。氣溶膠狀硫酸霧在靜電場中荷電后在電場力的作用下從煙氣中脫除。根據(jù)測試結(jié)果(圖8)，電廠1濕式靜電除塵器后SO3濃度明顯降低，其脫除效率為26.2%～36.7%。效率低的原因主要是該電廠燃用低硫煤，原始煙氣中SO3濃度較低，經(jīng)過空預(yù)器、電除塵器、濕法脫硫裝置后逐漸降低，濕式靜電除塵器入口SO3濃度僅為3.16～5.31 mg/Nm3，較低的入口濃度影響了SO3脫除效率的提高。電廠1濕法脫硫+濕式靜電的組合裝置對SO3的總脫除效率為48.4%～66.2%，高于電廠2脫硫除塵一體化裝置。

圖8 濕式靜電除塵器前后SO3濃度變化Fig.8 The change characteristics of SO3 before and after wet ESP

2.7 煙氣全流程SO3濃度變化特性

電廠1和電廠2全流程煙氣中SO3濃度變化特性如圖9所示。根據(jù)測試結(jié)果，煙氣中SO3主要包括兩部分：一部分在鍋爐內(nèi)燃燒生成，另一部分在SCR裝置內(nèi)生成。電廠1 SCR后SO3濃度為6.39～14.3 mg/Nm3，電廠2為17.9～22.1 mg/Nm3，SO3的生成量與煤中含硫量有關(guān)，隨著含硫量的增加，SO3濃度升高。SCR裝置之后，煙氣中SO3濃度逐漸下降，空預(yù)器、除塵器、脫硫裝置、濕式靜電除塵器均可實(shí)現(xiàn)煙氣中SO3的協(xié)同脫除。1#電廠采用濕法脫硫+濕式靜電除塵器的組合方式實(shí)現(xiàn)SO2和煙塵的超低排放，SO3總脫除效率為61.2%～76.4%，最終排放濃度為2.48～3.36 mg/Nm3。隨機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷增加，煙氣中的SO3濃度基本呈增加的趨勢。電廠2采用高效脫硫除塵一體化的方式實(shí)現(xiàn)SO2和煙塵的超低排放，SO3總脫除效率為59.3%～62%，最終排放濃度高于電廠1，為6.8～8.6 mg/Nm3。試驗(yàn)結(jié)果表明，濕法脫硫+濕式靜電除塵器的組合方式對SO3的脫除性能高于脫硫除塵一體化裝置。

圖9 電廠煙氣SO3濃度全流程變化特性Fig.9 Changes of SO3 concentration in flue gas process of power plant

3 結(jié)論

(1)燃煤電站煙氣中SO3含量與煤中硫元素的含量有關(guān)，對燃用不同含硫量煤種的電站進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，隨著煤中含硫量的增加，燃燒后煙氣中SO3濃度逐漸增加。燃用低硫煤時(shí)，省煤器出口煙氣中SO3濃度較低，小于8 mg/Nm3；燃用高硫煤時(shí)，煙氣中SO3濃度明顯增加，最高達(dá)21.85 mg/Nm3，但轉(zhuǎn)化率下降。此外燃燒過程中SO3生成率隨負(fù)荷增加呈現(xiàn)增加的趨勢，高負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度高，促進(jìn)了SO3的生成。SCR裝置促進(jìn)了SO3的進(jìn)一步生成，燃用高硫煤電站SCR出口煙氣中SO3濃度高達(dá)58.8 mg/Nm3，但SCR裝置中SO2的氧化率小于1%，滿足SCR的技術(shù)要求。

(2)空預(yù)器內(nèi)由于煙氣溫度降低，SO3形態(tài)從氣態(tài)向硫酸蒸汽轉(zhuǎn)變，硫酸蒸汽與飛灰中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而得到固定，SO3脫除率為18.3%～28.1%。除塵器中，煙氣中的SO3繼續(xù)與飛灰等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，濃度進(jìn)一步降低，低低溫靜電除塵器的脫除率高于傳統(tǒng)靜電除塵器。

(3)傳統(tǒng)濕法脫硫裝置對SO3脫除效果有限，SO3脫除效率為22.2%～29.5%。高效脫硫除塵一體化裝置強(qiáng)化了脫硫塔的除塵作用，而濕法脫硫塔內(nèi)SO3以硫酸霧的狀態(tài)存在，因此脫硫除塵一體化裝置對SO3有較好的協(xié)同脫除作用，脫除效率為41.5%～42.4%。濕式靜電除塵器對SO3具有協(xié)同脫除作用，脫除率為26.2%～36.7%。

(4)采用濕法脫硫+濕式靜電除塵器的組合方式實(shí)現(xiàn)超低排放的燃煤電站對SO3具有較好的協(xié)同控制作用，總脫除效率為61.2%～76.4%，最終排放濃度為2.48～3.36 mg/Nm3。采用高效脫硫除塵一體化裝置的燃煤電站SO3總脫除效率為59.3%～62%，最終排放濃度為6.8～8.6 mg/Nm3。