1.上海迪夫格环境科技有限公司 上海 201199；2.上海交通大学 上海 200240
摘要：燃煤电厂锅炉在燃烧过程时会产生一定量的SO3，会对环境造成污染，并严重影响机组的正常、安全运行。本文介绍了一种碱基喷吹脱除三氧化硫的技术，采用碱金属盐，通过溶解送至烟道，与烟气充分混合后发生反应，脱除SO3，实现90%以上的脱除效率，有效解决SO3污染问题。
关键词：燃煤电厂；选择性催化还原法（SCR）脱硝技术；SO3；SO3脱除
Abstract：The boilers will produce a certain amount of SO3 during the combustion process in the coal-fired power plant, which will causes environmental pollution and seriously influence on the normal and safe operation of the unit. This paper introduces a technique of alkaline sorbent injection to remove sulfur trioxide. Alkali metal salt is used to be sent to the flue by dissolution, reacts with flue gas to remove SO3, the removal efficiency of which can be more than 90%. The SO3 pollution problem is solved effectively.
Keywords：Coal-fired power plant; Selective catalytic reduction (SCR) denitrification technology; SO3; SO3 removal
引言
电力行业是国民经济和社会发展的基础产业，我国“富煤、少油、缺气”的能源结构决定了燃煤电厂仍是我国当前社会发展的重要支柱。2015年12月国家三部委制订了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，明确提出了大气污染物的超低排放要求，并同时提出要大幅减少汞、SO3、砷等污染物排放。
本文针对SO3产生来源及危害，对碱基喷吹脱除SO3技术进行了系统的阐述，为SO3治理提供参考和借鉴。
1 SO3来源
燃煤锅炉烟气SO3的产生主要有以下几个来源：
（1）炉膛燃烧：炉膛燃烧温度高于1700℃时，热力学上主要生成SO2，然而在燃烧物急剧降温时，平衡向生成SO3转移。900℃时，在均相气相反应中就SO3会生成。
反应方程式：SO2 + O2 → SO3 + O
炉膛中的氧化率为0.5%-2%，燃烧过程中产生的SO3的量取决于锅炉类型、煤中硫含量、过量空气系数、催化剂的作用等因素。催化作用主要有悬浮飞灰催化、管壁积灰催化和管壁金属氧化物催化共同作用。当氧气浓度从3.5%降至2.1%时，烟气中SO3降低了大约20%。
（2）脱硝系统催化氧化
SCR装置中氧化催化剂V2O5的运用使得烟气中部分SO2催化剂催化氧化为SO3。尤其是在低负荷运行时，SO3氧化率急剧增加。在SCR脱硝系统中，约0.5%～1.5%的SO2被催化氧化为SO3，SO2氧化率取决于催化剂的类型和运行工况。
2 SO3的危害
SO3具有以下危害：
图1 SO3浓度与酸露点关系曲线图
（1）产生“蓝羽”
排烟呈现“蓝羽”现象源于硫酸酸雾气溶胶的产生，由于其粒径非常小，对光线产生散射。SO3最低浓度取决于大气环境和烟囱的特征。
（2）提高烟气酸露点
烟气的酸露点取决于烟气中SO3和H2O 的浓度，随着SO3浓度的增加而升高。当SCR投运后，酸露点一般会升高5～11℃。
（3）空预器积灰
在空预器中，当烟气温度降低至酸露点以下，冷凝酸液附着在飞灰上，形成具有一定粘性的沉积物沉积在空预器表面，造成空预器积灰和结垢。
（4）生成硫酸氢铵
在空预器中，当烟气温度冷却至177～215℃时，SCR反应器中未反应的NH3与SO3发生反应生成硫酸氢铵。硫酸氢铵是一种粘性很强并具有较强腐蚀性的物质，硫酸氢铵的粘性造成大量飞灰沉积在空预器表面引起空预器堵塞，增加空预器的阻力，增加引风机的功率消耗，严重时甚至迫使机组停炉以清理空预器。
3 碱基喷吹脱除SO3技术
目前各国学者都在研究SO3控制技术，总结起来有掺烧低硫煤、碱基喷吹、静电除尘器前烟气增湿、WESP。国外运用比较广泛的是碱基喷吹技术，根据SO3产生的位置碱基喷吹可选择在炉内、SCR入口、SCR出口或空预器入口位置。
碱基吸收剂可以是粉末也可以是液体，两者脱除SO3的原理大致相同，但是脱除效果存在差别。
用于干法脱除SO3的碱基颗粒粒径一般为20~150μm；用于湿法的碱基溶液通过喷嘴雾化后粒径可以达到10μm，这大大提高了吸收剂的比表面积，使得碱基能够均匀的分布于烟气流中，促进与SO3的混合，极大地提高了SO3脱除效率。同时，实际运行效果表明直接喷射粉末很容易造成固化和粘接，不利于脱除反应的进行，导致碱基与SO3摩尔比大大高于反应当量，导致干法脱除SO3效率远低于湿法技术。因此，在工程应用中推荐采用湿法碱基喷吹技术脱除SO3。
4 工艺介绍
4.1 工艺原理
湿法碱基喷吹的工艺方法是采用碱金属盐，通过溶解送至烟道，与烟气充分混合后发生反应，脱除烟气中的SO3，达到前端脱除SO3的目的。
采用的碱基包括碳酸钠、亚硫酸钠或亚硫酸氢钠，常规工况下烟气的温度反应区间为300~400℃，吸收剂直接采用液体的形式通过雾化喷嘴喷入，在该烟温下雾化的液滴干燥时间为0.1s，最终碱性小颗粒能达到10μm左右。以碳酸钠作为碱基为例，具体反应过程如下：
首先，碳酸钠与SO2在烟气流中发生反应：
Na2CO3 + 2 SO2 + H2O → 2 NaHSO3 + CO2
Na2CO3 + SO2 → Na2SO3 + CO2
接着亚硫酸钠作为SO3的吸收剂发生反应脱除SO3。当反应物过量时，将会生成硫酸钠。
Na2SO3 + SO3 → Na2SO4 + SO2
当喷射的反应物大大少于SO3，硫酸钠会继续和SO3反应生成硫酸氢钠。
Na2SO4 + SO3 + H2O → 2 NaHSO4
碳酸钠溶液通过雾化喷头喷入烟道，水分在距离喷射点很短的距离内被蒸发。在干燥的短时间内发生了一些重要的液相反应，大多数SO3的去除是与干燥的颗粒发生的固相反应。吸收的颗粒十分细小，反应活性很高，被CO2、SO2、H2O包裹着产生的效果如同“爆米花”效应，干燥的反应物随粉尘在ESP中除去。
4.2 吸收剂选择
（1）类型与用量
钠基盐有Na2CO3、NaHCO3、天然碱（Na2CO3、NaHCO3）、倍半碳酸钠（Na2CO3•NaHCO3•2H2O）等，钙基盐有CaO、Ca(OH)2等；镁基盐有MgO、Mg(OH)2。碱性不同，摩尔比也不同。例如采用干式脱除三氧化硫喷吹碱性颗粒摩尔比，SO3与Mg(OH)2、NaHCO3、Ca(OH)2、倍半碳酸钠摩尔比分别为1:3、1:5、1:8、1:6。而喷射液态摩尔比则是1:（1~1.5）。吸收剂用量除了考虑类型外还应考虑烟气的烟气量以及SO3的去除率，同时还与锅炉的运行负荷有关。
（2）粒径
粉末状吸收剂的粒径一般在40~100μm之间，较液态吸收剂粒径大，若粒径较大，将会导致吸收剂在烟道内的分布不均，影响吸收剂对SO3的吸收，降低对SO3的去除效率，从而增加运行成本。
（3）停留时间
吸收剂在烟道的停留时间取决于烟气流速、烟道尺寸等。喷射液体的反应停留时间最低控制在1s，以保证SO3足够的去除效率，同时避免和空预器间的不必要的化学反应和副反应。过长的停留时间也会导致副反应的产生生成硫酸氢钠，对空预器产生不利影响。
4.3 喷吹位置
喷吹位置的不同会带来不同的脱除效果，一般推荐在SCR出口喷吹，但是当SCR到空预器之间反应停留时间不充足时，可在SCR上游设喷射点。一般推荐的喷吹点还有空预器后，或者炉内喷射。
（1）炉内喷射
通过向炉内喷射碱性吸收剂，如Mg(OH)2，可有效脱除燃烧过程中产生的SO3。在炉膛上部喷入Mg(OH)2浆液，浆液迅速蒸发变成MgO颗粒，然后与SO3反应生成MgSO4。美国Gavin 电厂长期的现场运行数据表明，当Mg /SO3摩尔比为7 时，SO3的脱除效率可达90%。炉内喷镁技术可有效地脱除燃烧过程中产生的SO3，降低SCR反应器入口烟气中SO3的浓度，避免在低负荷运行时产生硫铵盐，可拓宽SCR运行温度窗口，使SCR在低负荷下运行。
（2）空预器前
在炉后烟气中喷入碱性吸收剂可有效降低SO3的浓度，碱性吸收剂主要有：MgO、NaHSO3、Na2CO3、天然碱等，喷入位置一般在省煤器或SCR之间。当Na /SO3比在1.5~2.0时，去除率可达90%~98%，并且Na 盐起到了类似SO3调节飞灰比电阻的作用，可提高静电除尘器的效率。
研究发现，在空预器前喷入碱性吸收剂脱除烟气中的SO3，可以减少硫酸氢铵的生成，避免空预器的堵塞；降低酸露点，降低空预器出口的烟气温度，提高锅炉的热效率；降低尾部受热面的腐蚀，减少设备的维护。
（3）空预器后
通过在空预器与静电除尘器之间喷入Ca(OH)2、NaHCO3等碱性吸收剂脱除烟气中的SO3，但该技术需要高的吸收剂喷射量才能达到较高的SO3脱除效率，同时，钙基吸收剂增加了飞灰的比电阻，降低了电除尘器的效率。
4.4 喷射单元
（1）喷枪与喷嘴
在喷射液态吸收剂时，确保喷枪雾化效果好，保证吸收剂能够均匀分布到烟道中。建议根据烟道内烟气气流组织CFD模拟来确定喷枪和喷嘴的最佳位置。
同时相邻喷嘴间的距离、喷嘴与烟道内壁上、下、左、右四个壁面的距离、相邻主喷嘴的距离、喷嘴与水平面的夹角等对喷射的影响都应考虑到。
喷嘴需要根据实际情况调整主喷嘴的组数，每组主喷嘴的个数、主喷嘴中小喷嘴的个数及出口流速，提高喷嘴流速可增加吸收剂分布的均匀度，但这样不仅会增加喷嘴的耗气量，降低烟气温度，提高空压机的功率，增加能耗，同时也会加大吸收剂对喷嘴的磨损，缩短喷嘴的使用寿命，喷嘴数量、布置角度及出口流速的选择应保证吸收剂与烟气的均匀混合，同时尽量减小烟道阻力。
图2 典型CFD仿真模拟
（2）增强措施
采取适当的措施可以增强吸收剂在烟道中分布的均匀度。流体调节装置的设计，比如导流板，均质器，分配器等。如设置扰流板增加混合度；设置防磨板减小烟气对喷嘴的磨损，并优化调整，最大限度减小烟道阻力。
5结论
现有的燃煤机组普遍存在一定量的SO3，带来一系列的问题，包括脱硝催化剂失活、催化剂磨损、空气预热器堵塞等，由于上述问题的存在，导致SCR 脱硝装置效率下降，电厂能耗升高，并影响燃煤机组的正常运行。
采用湿法碱基喷吹技术，根据CFD仿真模拟结果，在特定区域向烟道中喷射碱基溶液，可以有效脱除烟气中的SO3，实现90%以上的脱除效率，大幅降低催化剂连续喷氨的运行温度，实现脱硝装置的全负荷运行。同时还能减少空预器硫酸氢铵结晶的风险，降低了烟囱出口形成蓝羽的可能性。本技术已成功应用于国外多个电厂，建议国内电厂推广使用。
参考文献
[1]郭彦鹏，狄华娟，潘丹萍，等.燃煤烟气中SO3的形成及其控制措施[J].中国电力，2016，49(8) : 154-156.
[2] Zhiqiang Wang, Qingchao Huan, Chenlu Qi, et al. Study on the Removal of Coal Smoke SO3 with CaO[J]. Energy Procedia，2012，14: 1911-1917.
[3] 邵媛，徐劲松.燃煤烟气SO3检测及控制技术探讨[J]. 东北电力技术，2016，37 ( 4) : 49-52.
[4] 陈晓露，赵钦新，鲍颖群，等.SO3脱除技术实验研究[J]. 动力工程学报，2014，34 (12) : 966-971.
作者简介
吴永杰（1990- ），男，硕士研究生，主要研究方向为大气污染控制技术。
论文作者:吴永杰1,戴永阳1,姚晔2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：烟气论文; 碱基论文; 喷嘴论文; 吸收剂论文; 技术论文; 粒径论文; 烟道论文; 《基层建设》2019年第5期论文;