600 MW燃煤發(fā)電機組的SO3生成與排放特性

吳昊，盤思偉，張凱

(1.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

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600MW燃煤發(fā)電機組的SO3生成與排放特性

吳昊1，盤思偉2，張凱2

(1.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

采用控制冷凝法在某600MW燃煤發(fā)電機組選擇性催化還原(selectivecatalyticreduction，SCR)脫硝反應(yīng)器入口和出口、干式靜電除塵器(dryeletrostaticprecipitator，DESP)入口和出口、濕式靜電除塵器(wetelectrostaticprecipitator，WESP)入口和出口進行現(xiàn)場SO3質(zhì)量濃度測試，分析了鍋爐的SO3生成特性及各煙氣處理設(shè)備對其的影響。結(jié)果表明，爐內(nèi)燃燒過程會產(chǎn)生15.2～21.6mg/m3的SO3，其生成質(zhì)量濃度隨負荷升高有所降低；SCR脫硝過程中部分SO2轉(zhuǎn)化為SO3，導致SO3質(zhì)量濃度升高55.4%～58.3%；DESP、WFGD裝置和WESP的SO3脫除效率分別為44.67%～44.57%、74.1%～75.6%和51.4%～57.6%；WFGD裝置對SO3的脫除效率顯著低于對SO2的脫除效率，而WESP對SO2和SO3的脫除效率無明顯差異。

鍋爐；SO3；選擇性催化還原脫硝反應(yīng)器；濕法煙氣脫硫裝置；濕式靜電除塵器

SO3是燃煤電廠排放的一種重要污染物[1]。一方面，煙氣中SO3與H2O反應(yīng)生成H2SO4，使煙氣酸露點升高而誘發(fā)煙道及設(shè)備低溫腐蝕；為避免H2SO4冷凝，通常需要提高煙氣溫度，從而導致機組的經(jīng)濟性降低[2]；同時，SO3會在選擇性催化還原(selectivecatalyticreduction，SCR)脫硝反應(yīng)器中與NH3、H2O等反應(yīng)，生成NH4HSO4等黏性物質(zhì)，造成催化劑失活及下游空氣預熱器(airpreheater，APH)阻塞，對電廠的安全運行產(chǎn)生威脅[3]。另一方面，排放進入環(huán)境的SO3、H2SO4，既產(chǎn)生藍色或黃色煙羽現(xiàn)象，又會加重顆粒物和酸沉降，造成環(huán)境污染，對人體健康產(chǎn)生不利影響[4-5]。

Tonn、Moretti、Snyder等[4-6]對煤燃燒過程中SO3的生成、轉(zhuǎn)化及控制方法進行了綜述，指出燃煤鍋爐內(nèi)的SO3主要通過兩個路徑生成。在鍋爐內(nèi)高溫燃燒過程中，煤中的硫分被氧化，其中大部分被氧化成SO2，小部分(0.5%～1.5%)被氧化成SO3；另外，當前燃煤機組普遍安裝SCR脫硝反應(yīng)器用以減少NOx排放，其催化劑中的V2O5成分會催化煙氣中的SO2，并部分氧化為SO3。對于中高硫煤，脫硝裝置出口處SO3體積分數(shù)可達35～55μL/L，甚至更高。

SO3的排放特性不僅受其生成特性影響，還與下游靜電除塵器(eletrostaticprecipitator，ESP)、濕法煙氣脫硫(wetfluegasdesulfurization，WFGD)裝置等煙氣凈化設(shè)備密切相關(guān)[5, 7-9]。在經(jīng)過ESP時，部分SO3與H2O反應(yīng)生成H2SO4，進而在飛灰表面凝結(jié)沉積，隨除塵過程從煙氣中脫除，脫除效率約20%。在WFGD過程中，漿液捕集作用對SO3有50%的脫除效率。由于ESP和WFGD裝置不能有效地控制SO3排放，因此SO3以硫酸氣溶膠的形態(tài)通過煙囪排放后，不但增加了煙囪排放的煙羽濁度，而且對環(huán)境造成污染。近年來，大量電廠加裝濕式ESP(wetelectrostaticprecipitator，WESP)用以實現(xiàn)對SO3、顆粒物(particulatematter，PM)、汞(Hg)等多種污染物的終端控制[7-8, 10]。

充分認識電廠運行過程中SO3的生成特性及各個煙氣凈化裝置尤其是WESP的作用特性，對控制SO3具有重要的意義。本文對600MW燃煤機組SO2、SO3的質(zhì)量濃度變化進行現(xiàn)場測試和分析，研究SO3的生成特性及其沿程質(zhì)量濃度變化情況，并進一步分析SCR脫硝反應(yīng)器、ESP、WFGD裝置和WESP等煙氣凈化設(shè)備對SO3的作用特性。

1　試驗

1.1試驗工況

試驗在某600MW燃煤發(fā)電機組上進行，機組采用煤粉鍋爐，四角切圓燃燒方式。鍋爐為單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、露天布置結(jié)構(gòu)，省煤器后安裝SCR脫硝裝置、APH、干式ESP(dryeletrostaticprecipitator，DESP)、WFGD裝置和WESP等設(shè)備，用于煙氣凈化。SCR脫硝裝置采用V2O5-WO3/TiO2催化劑，以液氨作為還原劑。DESP為線板式結(jié)構(gòu)，采用水平、雙室四電場布置。脫硫塔為噴淋空塔。WESP為雙室雙電場結(jié)構(gòu)，安裝于脫硫塔和煙囪之間的水平煙道上，運行過程中向煙氣中噴水以增加煙氣濕度，并使用水沖洗極板，噴淋液經(jīng)處理后循環(huán)使用，其中添加NaOH溶液維持噴淋液pH?，F(xiàn)場試驗共在6個位置進行，依次為SCR脫硝裝置前、SCR脫硝裝置后、DESP前、DESP后、WFGD裝置后和WESP后。根據(jù)各采樣位置、煙道大小設(shè)置不同數(shù)量的測點(共16個)，其具體布置如圖1所示。

圖1　采樣點分布

1.2采樣方法

SO3質(zhì)量濃度的測定采用控制冷凝法，參考GB/T21508—2008《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法》[11]，采樣系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　SO3采樣系統(tǒng)

2　結(jié)果與討論

2.1SO3的質(zhì)量濃度及生成特性

圖3為75%額定負荷和100%額定負荷兩種工況下各測點煙氣中SO3的質(zhì)量濃度。

圖3　煙道沿程各測點煙氣的SO3質(zhì)量濃度

當鍋爐負荷由75%額定負荷升高至100%額定負荷后，SO3質(zhì)量濃度由34.2mg/m3降低到23.6mg/m3，即負荷升高后SCR過程產(chǎn)生的SO3由12.6mg/m3降低至8.4mg/m3。SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)空速升高，反應(yīng)停留時間變短，不利于反應(yīng)氣體在催化劑微孔中的擴散吸附，導致反應(yīng)速率降低，造成高負荷下SO3生成率低于低負荷工況下。

2.2煙道沿程SO3質(zhì)量濃度變化情況

由圖3可知：煙氣在依次經(jīng)過APH、DESP、WFGD裝置和WESP的過程中，SO3質(zhì)量濃度呈下降趨勢，但各個煙氣處理設(shè)備對SO3轉(zhuǎn)化的影響程度不同。圖4為各煙氣處理設(shè)備對煙氣中SO3的脫除效率。

圖4　各煙氣處理設(shè)備對SO3的脫除效率

經(jīng)過APH后，SO3質(zhì)量濃度由23.6～34.2mg/m3變?yōu)?4.4～25.8mg/m3，變化范圍為 -3.3%～24.6%， 該結(jié)果與文獻報道值(0～50%)基本吻合。在APH中，煙氣溫度由350 ℃降低到135 ℃。煙氣條件下SO3酸露點接近上述溫度區(qū)間，所以APH中煙氣溫度降低會促使SO3在飛灰表面及煙道壁面冷凝，進而導致SO3質(zhì)量濃度降低，由于煙氣停留時間較短，所以SO3質(zhì)量濃度變化不大。同時，經(jīng)過SCR脫硝裝置的煙氣中SO3增加，產(chǎn)生了更多的硫酸氫銨。上述物質(zhì)在174 ℃以上是液態(tài)，容易粘結(jié)在APH上，導致煙氣中SO3降低[17-18]。

在DESP內(nèi)，SO3質(zhì)量濃度由24.4～25.7mg/m3降低至13.5～14.3mg/m3，降低了44.67%～44.57%。該結(jié)果與文獻報道ESP的沉積比例(20%～80%)基本相符，低于布袋除塵器的沉積比例(90%)。在DESP內(nèi)，冷凝和放電過程同時對SO3質(zhì)量濃度的變化產(chǎn)生影響。ESP的煙氣溫度約130 ℃，低于酸露點溫度，SO3在飛灰表面或煙道壁面發(fā)生冷凝沉積，由于煙氣在ESP中有較長的停留時間，冷凝沉積比在APH中顯著。同時，燃煤飛灰中存在的堿性組分(Na2O等)與SO3發(fā)生反應(yīng)，ESP極板上捕集的飛灰多呈蓬松結(jié)構(gòu)，進一步促進該反應(yīng)過程。然而，在ESP中，電暈放電會氧化空氣中的O2而產(chǎn)生O3，O3促進SO2氧化而產(chǎn)生SO3?？傮w來說，由于新生成的SO3較少，所以SO3質(zhì)量濃度呈下降趨勢。

在WFGD過程中，堿性石灰石漿液與煙氣中SO2、SO3等酸性氣體組分發(fā)生化學反應(yīng)，導致SO3質(zhì)量濃度降低，降低幅度為74.1%～75.6%，略高于文獻中WFGD裝置的脫除效率(30%～50%)。SO3易與水蒸氣反應(yīng)形成硫酸蒸汽，當溫度低于120 ℃時，形成的SO3幾乎全部形成硫酸蒸汽[19]。煙氣經(jīng)過WFGD裝置時，由于停留時間短，溫度下降快，硫酸蒸汽很快冷凝形成亞微米級小液滴[20]。這些氣溶膠比較容易穿透吸收塔的噴淋層和除霧器，因而SO3的脫除效率一般較低[21]。

2.3SO2和SO3的控制效果差異

煙氣中的SOx主要為SO2和SO3，WFGD裝置和WESP等設(shè)備對SO2和SO3的控制效果有顯著差別。表1和表2分別為WFGD裝置和WESP中SOx的質(zhì)量濃度和脫除效率，圖5為WFGD裝置和WESP中煙氣的SO3占SOx的比例。

表1WFGD裝置和WESP的SOx質(zhì)量濃度mg/m3

采樣位置SO2質(zhì)量濃度75%額定負荷100%額定負荷SO3質(zhì)量濃度75%額定負荷100%額定負荷WFGD入口1042.0968.714.313.5WFGD出口7.011.73.73.3WESP出口2.23.71.81.4

表2WFGD裝置和WESP的SOx脫除效率%

設(shè)備SO2脫除效率75%額定負荷100%額定負荷SO3脫除效率75%額定負荷100%額定負荷WFGD裝置99.398.874.175.6WESP69.068.351.457.6

圖5　WFGD裝置和WESP中SO3占SOx的比例

由表2和圖5可知：WFGD裝置對SO2的脫除效率優(yōu)于對SO3的控制作用，經(jīng)過WFGD裝置后煙氣中SO3占SOx的比例升高。在WFGD裝置中，主要通過SO2+CaCO3→CaSO3和SO3+CaCO3→CaSO4固定SOx。在高濕度的WFGD煙氣中，大量SO3以H2SO4氣溶膠存在，使其與脫硫液滴的接觸能力(液-液)遠低于SO2氣體與脫硫漿液液滴(氣-液)，從而導致SO3脫除效率遠低于SO2脫除效率。

安裝于WFGD裝置下游的WESP對SO2和SO3的控制作用相近。由表1、表2和圖5看出，經(jīng)過WESP后，SO2質(zhì)量濃度由7.0～11.7mg/m3降低至2.2～3.7mg/m3，脫除效率為 68.3%～69.0%。 在WESP運行過程中，噴淋漿液會捕獲煙氣中的SO2，而漿液中加入的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，促進對SO2的捕集。經(jīng)WESP后，SO3質(zhì)量濃度由3.3～3.7mg/m3降低至1.4～1.8mg/m3，脫除效率為51.4%～57.6%。WESP對SO3的捕獲作用體現(xiàn)在兩方面：一方面，H2SO4氣溶膠在WESP中產(chǎn)生荷電效應(yīng)，并通過靜電力作用捕集于收塵極板上；另一方面，WESP運行過程中向煙氣中噴淋漿液沖洗極板，漿液循環(huán)使用過程中添加NaOH溶液，使pH值維持在弱堿性(pH=7～9)，NaOH等堿性組分能與SO3、H2SO4等酸性組分反應(yīng)，促進SO3脫除。WESP對SO2和SO3的脫除效果相近，因此經(jīng)過WESP后SO3占SOx比例無顯著變化。

3　結(jié)論

本研究通過現(xiàn)場測試分析，研究了600MW燃煤機組運行過程中SO2和SO3在煙道沿程質(zhì)量濃度的變化情況，分析了SCR脫硝反應(yīng)器、APH、DESP、WFGD裝置和WESP對其排放的影響。爐內(nèi)燃燒過程產(chǎn)生的SO3質(zhì)量濃度為 15.2～21.6mg/m3，其生成質(zhì)量濃度隨負荷升高有所降低。SCR脫硝過程中部分SO2轉(zhuǎn)化為SO3，導致SO3質(zhì)量濃度升高55.4%～58.3%。DESP、WFGD裝置和WESP的SO3脫除效率分別為44.67%～44.57%、74.1%～75.6%和51.4%～57.6%，WFGD裝置對SO3的脫除效率顯著低于SO2脫除效率，而WESP對SO2和SO3的脫除效率相近。

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(編輯李麗娟)

FormationandEmissionCharacteristicofSO3in600MWCoal-firedGeneratingUnit

WUHao1,PANSiwei2,ZHANGKai2

(1.GuangdongYuedeanJinghaiPowerGenerationCo.,Ltd.,Jieyang,Guangdong515223,China; 2.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China)

ControlcondensationmethodisusedforfieldtestingonSO3massconcentrationattheinletandoutletofselectivecatalyticreduction(SCR)reactorofthe600MWcoal-firedgeneratingunit,inletandoutletofthedryelectrostaticprecipitator(DESP)aswellasinletandoutletofthewetelectrostaticprecipitator(WESP).ThispaperanalyzesformationcharacteristicofSO3andinfluenceofvariousfluegasprocessingequipments.Resultsindicatethatinprocessoffurnacecombustion,thereis15.2～21.6mg/m3SO3tobeproducedofwhichmassconcentrationreduceswithincreaseofload.SomeSO2maytransfertoSO3inprocessofSCRDeNOxwhichmaycauseSO3massconcentrationrise55.4%～58.3%.SO3removalefficiencyofDESPdevice,WFGDdeviceandWESPdeviceisrespectively44.67%～44.57%, 74.1%～75.6%and51.4%～57.6.SO3removalefficiencyofWFGDdeviceisobviouslylowerthanSO2removalefficiencywhiletherearenoobviousdifferencesbetweenremovalefficiencyofSO2andSO3ofWESPdevice.

boiler;SO3;selectivecatalyticreduction(SCR)reactor;wetfluegasdesulfurization(WFGD);wetelectrostaticprecipitator(WESP)

2016-05-20

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.008

X701.3

B

1007-290X(2016)07-0039-05

吳昊(1983)，男，山東濱州人。工程師，主要從事火電廠環(huán)保技術(shù)監(jiān)督工作。

盤思偉(1975)，男，廣東臺山人。高級工程師，工學碩士，主要從事電廠環(huán)保的科研和試驗工作。

張凱(1987)，男，湖南湘潭人。工程師，工學博士，主要從事電廠環(huán)保的科研和試驗工作。