利用堿基干粉降低空預器堵塞現象的探究

魏 敏

上海外高橋第二發電有限責任公司

0 引言

隨著國內大型火電燃煤機組因為效益的訴求開始摻燒大量的經濟煤種，上海地區眾多企業更是響應環保號召在經濟煤種摻燒的基礎上又增加了60%和30%含水率污泥的摻燒，使機組爐膛出口的SOx經常處于高位運行，此類工況使硫酸氫銨大量生成，并附著在空預器上導致其堵塞，給機組的安全和經濟運行都造成了很大的困難，分析問題產生的原因，并尋找切實有效的解決辦法成為了當務之急。

1 三氧化硫對火電燃煤機組的影響

1.1 三氧化硫的生成

火電燃煤機組煙氣中SO3的生成主要由兩部分構成，一部分是原煤中硫分燃燒產生的SO2經過高溫氧化生成SO3，其中包括氧原子和氧分子氧化，這部分SO3含量占煙氣SO2含量的0．5%～2%，氧化率的高低與過量空氣系數的大小呈正比例關系。另一部分，煙氣中SO2在脫硝SCR 催化劑V2O5的催化作用下轉化為SO3，SO3含量基本在煙氣中SO2含量的0．5%～1．5%，而SO2的含量越高則轉化率越高，并呈非線性增長[1]。（煙氣中氧化鐵、氧化硅的催化作用因轉化量很小，故暫不作考慮）

產生的SO3在鍋爐風煙系統中反應流程如圖1所示，可以看到不同煙氣溫度的各個部件中SO3向硫酸與硫酸氫銨的整個反應過程。

圖1 SO3在火電廠風煙系統內的流程圖

1.2 三氧化硫的危害

從圖1 中可以看到如果沒有采用SO3脫除技術，將會從煙囪中排出的H2SO4，對環境產生不利影響，是導致酸雨的主要原因，對人體健康構成危害，濃度過高還會從煙囪排出時產生“藍雨”現象。

對于火電燃煤機組，SO3提高了煙氣的酸露點，增大了設備低溫腐蝕的可能性。它和SCR 中的氨氣所生成的硫酸氫銨，是一種黏附性很強的物質，而且具有一定的腐蝕性，當它沉積在SCR催化劑表面微孔時，會使催化劑失效；而黏附在空預器換熱元件上時，會造成空預器堵塞和換熱元件腐蝕。

從機組運行角度，為防止硫酸氫銨的大量生成，需要控制SCR 處的煙氣溫度。從表1 可見，爐膛出口SO2含量增加，SO3的轉化率就會增加，SCR 進口最低連續噴氨溫度定值就會升高。以外二廠為例，當機組低負荷運行時，SCR 進口煙溫305 ℃左右，高硫分工況下已經接近連續噴氨最低值，會使煙溫較低的空預器產生堵塞。

表1 最低連續噴氨煙溫定值

1.3 三氧化硫的脫除

SO3的存在對于多方面的不良作用，引起了越來越多燃煤火電企業的關注，在配備了濕法脫硫FGD 的火電燃煤機組中，濕法脫硫對SO3的脫除率可以達到75%。主要是利用CaCO3與SO3和H2SO4之間的化學反應來完成。

在上海地區大型火電燃煤機組均滿足了超凈排放的標準，在相關配套設備——低低溫電除塵中SO3的脫除率可達到80%，當灰硫比達標時，低于酸露點的SO3和H2SO4結露后會被灰所包裹，最后被電除塵捕捉實現脫除的效果[2]。

雖然上述兩個方面可以保證煙囪排放時SO3與H2SO4在很低的水平，同時也防止了下游設備發生低溫腐蝕的情況，但對布置在上游的空預器所面臨的硫酸氫銨堵塞問題卻沒有任何改善。

2 三氧化硫脫除技術的選擇

2.1 干法脫硫技術的比較

由于空預器前不能采取濕法脫硫技術，僅考慮比較成熟的干法脫硫技術。比較成熟的干法脫硫技術包括荷電干法吸收劑噴射、電子束照射、吸附法和堿基干粉噴射等，上述方法各有優缺點詳見表2。

表2 各類干法脫硫對比表

經比較，對于已投產的大型火電燃煤機組，堿基干粉噴射占地面積小、投資少、無需大幅改動系統等優點，適合已成熟運行的機組。雖然其脫硫效率偏低，但此舉旨在降低空預器進口SO3的濃度、抑制硫酸氫銨生成，而非在這一區域進行徹底的脫硫。另外，空預器進口煙溫滿足堿基干粉的快速反應，而且堿基干粉會優先和SO3進行反應。綜上所述，堿基干粉噴射是大型火電燃煤機組防止空預器堵塞的最佳選擇。

表3 國內外主流堿基干粉脫除SO3技術運用案例

2.2 堿基干粉的選擇

相比于SO2的脫除技術，國內外專項脫除SO3的技術運行相對較少，目前一些主流的堿基干粉脫除SO3技術的運用情況見表3。

堿基干粉主要有天然堿、鈉基、鈣基以及鎂基等，我國天然堿礦產儲量不足美國的1%，因此不作考慮。

對SO3的脫除能力為：鈉基>鈣基>鎂基，鈉基吸附劑價格昂貴，較便宜的小蘇打在1 200 元/t 左右、氫氧化鈉、碳酸鈉都在2 000 元/t 以上，在回收Na2SO4的情況下能收回約800 元/t 的成本，但火電燃煤機組并非焦化爐，粉塵的存在造成Na2SO4難以回收。

而我國石灰石儲量占全球儲量的64%，位居全球第一，鈣基吸附劑的價格相對便宜，因此鈣基干粉更適合我國大型火電燃煤機組應用。有研究表明，煙氣溫度在300～400 ℃,脫除SO3能力Ca(OH)2>CaCO3>CaO[3]，Ca(OH)2的市場價在500 元/t，較鈉基干粉低。綜合以上因素，Ca(OH)2是空預器前脫除SO3的最佳堿基干粉選擇。

3 氫氧化鈣干粉噴射原理和影響

以外高橋第二電廠為例，氫氧化鈣干粉噴射以空預器前取樣管為噴入口，以外設的壓縮空氣將氫氧化鈣干粉噴入煙道，與煙氣中的SO3進行氣固反應，具體反應區域和反應類型見圖2和圖3。

圖2 干式噴堿煙道反應區域圖（紅色部分）

圖3 氣固反應示意圖

氫氧化鈣干粉在空預器前與煙氣中SO3的反應機理分成兩部分，首先Ca(OH)2與SO3先發生中和反應生成水合亞硫酸鈣，然后亞硫酸鈣被氧氣氧化成硫酸鈣，Ca(OH)2在煙氣中的反應方程式見式（1）和式（2）。

機組正常運行中，空預器煙溫保持在310～360 ℃，按照短時氫氧化鈣干粉噴射的量與爐膛SO3生成量估算鈣硫比，可以保證SO3的脫除率在40%～50%左右（見圖4），基本滿足降低硫酸氫銨生成、防止空預器堵塞的要求。

圖4 Ca(OH)2脫除SO3效率圖

在空預器進口噴入氫氧化鈣干粉，除了脫除SO3外，煙氣中Hg的脫除率也可達80%。但機組正常運行中難免對其他設備運行產生影響。針對各個不同系統進行分析，找出相應的影響因素和應對措施。

3.1 對風煙系統的影響

氫氧化鈣與SO3的反應會降低煙氣的溫度，以其他行業焦化爐SDS 為例，大量噴入小蘇打干粉后，脫硫效率達90%的情況下，煙氣溫度相應下降10 ℃左右。

煙氣的含氧量和含水量在反應后也會相應降低，由于爐膛出口氧量測點在噴入點之前，并不會對鍋爐風量控制造成影響，而煙氣含水量的減小對空預器和電除塵的運行有一定的幫助作用。隨著含水量和硫含量的降低，煙氣的水露點和酸露點也會有一定的下降，需要嚴格控制空預器出口煙溫，防止電除塵前的設備受到低溫腐蝕的侵害。

3.2 對電除塵系統的影響

氫氧化鈣干粉噴入之后會造成飛灰量變大，而飛灰顆粒度也會變大從而增加其比電阻，在加強空預器吹灰的同時，會給電除塵增加一定的負擔。因此，有必要加強對電除塵效率與能耗的監視。

3.3 對環保設備系統的影響

由于氫氧化鈣干粉噴入點在脫硝SCR 之后，而所生成的硫酸鈣大部分被電除塵所捕捉，小部分進入脫硫FGD 又與其產物相同，所以對環保設備并不會構成任何影響。而鈉基干粉反應后少量產物進入脫硫FGD 則會有十水合硫酸鈉Na2SO4·10H2O（芒硝）產生，會對石膏品質與脫硫廢水產生不利影響。

對于外高橋二廠來說，實際運行中僅針對煙氣SOx較高等特殊工況，由于氫氧化鈣干粉噴射運行時間較短且噴入量較少，上述問題并沒有顯現，現階段對機組運行影響不大，如果氫氧化鈣干粉噴射的量進一步提高，則需對相關系統進行相應的試驗和調整。

4 氫氧化鈣干粉噴射的效果總結

本文分析外二廠實際使用情況，在空預器進口噴入氫氧化鈣干粉對煙氣中SO3的脫除有顯著的作用，在爐膛出口SOX含量較高時擇機采用，可以有效地減少硫酸氫銨的生成。對機組停運后的檢查，空預器內受熱面沒有任何硫酸氫銨的殘留和飛灰板結現象，基本從源頭上消除了空預器堵塞的可能，確保了機組的安全運行。氫氧化鈣干粉噴射系統簡單，原料價格低，具有可操作性，在燃煤火電行業內防止空預器堵塞方面有一定的借鑒意義和示范作用。