燃煤電廠煙氣中SO3的測量與分析

汪 波，王瑀喆，李永華

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

其它

燃煤電廠煙氣中SO3的測量與分析

汪 波，王瑀喆，李永華

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

燃煤電廠煙氣中高濃度SO3的存在，不僅會使煙囪出口出現(xiàn) “藍羽” 現(xiàn)象，而且會對鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成污染和腐蝕，嚴重影響機組運行。針對這一現(xiàn)象,采用了控制冷凝法對某電廠煙氣進行SO3排放濃度取樣測試，運用重量法對結(jié)果進行處理，分析了不同工況下SO3濃度的變化，探討了煙氣中SO3的發(fā)生機理和SO3在鍋爐系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化過程，為電廠抑制和脫除SO3提供思路。

燃煤電廠；控制冷凝法；轉(zhuǎn)化

當(dāng)前，少數(shù)火電廠煙囪出口出現(xiàn) “藍羽” 現(xiàn)象，對于燃燒高硫煤和安裝有選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)的鍋爐，“藍羽”現(xiàn)象較為明顯。 這種現(xiàn)象主要是由煙氣中SO3與水、顆粒物結(jié)合產(chǎn)生的硫酸氣溶膠造成的視覺污染，由于硫酸氣溶膠的粒徑微小，對短波長的光散射較強，因此使得煙氣呈現(xiàn)藍色。高濃度SO3會在排煙中形成硫酸氣溶膠，影響煙氣顏色和煙氣抬升高度，阻礙煙氣的擴散，是形成酸雨或酸霧的重要成分，對環(huán)境和人體健康造成危害[1-2]。高濃度SO3會提高煙氣中的酸露點，對爐膛下游的設(shè)備造成污染和腐蝕，導(dǎo)致機組效率降低、熱耗率增加，降低燃煤機組運行的經(jīng)濟性與安全性。因此，測量與脫除煙氣中的SO3具有重要意義。

1 產(chǎn)生機理

燃煤鍋爐系統(tǒng)煙氣中SO3的氧化機理、形成途徑以及方式尚未得出統(tǒng)一結(jié)論，但普遍認為主要有以下產(chǎn)生途徑[3-4]。

a.SO3被氧原子氧化。此反應(yīng)受溫度控制，主要發(fā)生在鍋爐系統(tǒng)的高溫部分。爐膛火焰內(nèi)部由于高溫產(chǎn)生的原子態(tài)O與SO2直接發(fā)生氧化反應(yīng)，主要反應(yīng)如下。

SO2+ O→SO3

上述反應(yīng)式直接影響著SO3的生成，在火焰燃燒中心，SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率幾乎為零，而在火焰帶下游的熾熱反應(yīng)區(qū)，氧原子濃度達到最大值，此時SO2向SO3的氧化反應(yīng)最為劇烈。燃燒產(chǎn)物離開反應(yīng)區(qū)后，溫度迅速降低，同時各種原子的濃度急劇減少，SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)不明顯，因此，SO3濃度變化較小[5]，動力學(xué)預(yù)測表明[6]，SO3最終濃度是SO2濃度的1/40～1/80。

b.SO2與O2的催化氧化反應(yīng)。 有催化劑存在時，該反應(yīng)可以在 400 ℃以下進行。

SO2+O2→SO3

煙氣飛灰中含自帶的Fe2O3、V2O5、Cr2O3等金屬氧化物作為催化劑，能將SO2氧化成SO3。隨著SCR系統(tǒng)的推廣使用，SO3的含量普遍增加，原因是SCR系統(tǒng)中使用的是釩基催化劑，能將SO2催化氧化為SO3，轉(zhuǎn)換率取決于V2O5含量、 催化劑壁厚、 催化劑形態(tài)和煙氣溫度等。對于SCR系統(tǒng)，最佳反應(yīng)溫度為300～400 ℃[7]，隨著催化劑中V2O5的擔(dān)載量增大，SO3的轉(zhuǎn)化效率也增高。

2 研究方法

2.1 取樣方法

采用GB/T 21508—2008附錄C的方法進行SO3現(xiàn)場取樣，即控制冷凝法取樣。取樣裝置流程如圖1所示。

圖1 取樣流程

控制冷凝法的采樣原理是煙氣中以氣態(tài)形式進入螺旋管的SO3氣體和H2SO4，在經(jīng)過有水浴的蛇形冷凝管時，立即冷凝形成酸霧霧滴，煙氣抽吸過程中在螺旋管中產(chǎn)生離心力，將霧滴狀的H2SO4甩到螺旋管壁面，并利用酸霧霧滴的強吸附性，粘附在收集管壁面上[8]。由于SO2在硫酸酸霧中的穩(wěn)定性較差，利用控制冷凝在螺旋管中形成酸霧，避免了SO2的誤 捕集,從而不會對測定產(chǎn)生干擾。

取樣前保證玻璃蛇形收集管和玻璃濾板清潔、干燥,取靠近煙道測量斷面中心的一點或幾點作為采樣點，取樣前應(yīng)測量取樣處的煙氣流速。調(diào)節(jié)水浴溫度為60～65 ℃；電加熱采樣管和石英過濾器的溫度保持在260 ℃；抽取的煙氣流速應(yīng)該滿足等速采樣的要求，抽取的煙氣量應(yīng)滿足分析要求；采樣完成后，用去離子水分別沖洗玻璃蛇形收集管和石英過濾器，將洗液混合后定容于容量瓶中。

2.2 分析方法

按照按GB/T 6911—2007硫酸鋇沉淀法測定洗液中硫酸根離子的含量。在強酸條件下，向收集的洗液中加入過量氯化鋇溶液，得到硫酸鋇沉淀，對其進行烘干得到硫酸鋇沉淀質(zhì)量，再經(jīng)過計算得到煙氣中SO3濃度。

2.3 測試點

測試點分別設(shè)在各臺機組的SCR出入口、脫硫塔出入口，對SO3濃度進行測量，每個測試點選取不同位置進行取樣，保證試驗結(jié)果的可靠性。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果

對河北某電廠1臺機組工況為300 MW(滿負荷)和180 MW進行SO3濃度測試，在負荷穩(wěn)定的情況下，為了試驗結(jié)果的準確性，各測點不同位置取3組平行樣進行試驗分析，并計算出煙氣中SO3濃度(SO3濃度都已換算成變干、6%O2含量狀態(tài))。得到試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同負荷下SO3嘗試測試結(jié)果

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分別繪出滿負荷和60%負荷工況下，煙氣中SO3濃度變化曲線圖。

由圖2和圖3可知，從爐膛出來的煙氣已經(jīng)含有部分SO3，經(jīng)過SCR裝置后，SO3濃度明顯增加，并達到最大值；流經(jīng)空預(yù)器、除塵器等設(shè)備后SO3濃度大大降低，最后被脫硫塔沖洗，SO3減少到極低水平。

3.2 煤質(zhì)分析

對2個負荷時段的煤樣進行元素分析，如表2所示。由表2可知，煤樣Ⅰ的含硫量比煤樣Ⅱ的含硫量高，經(jīng)過實際測量，在取樣階段，脫硫前煙氣

圖2 300 MW工況煙氣中SO3濃度變化

圖3 180 MW工況煙氣中SO3濃度變化

機組負荷/MW煤樣NdCdHdSdOd300煤樣Ⅰ1.2559.223.870.677.95180煤樣Ⅱ1.2154.963.720.5810.47

中的SO2濃度分別為2 237 mg/m3、1 777 mg/m3。SO2濃度的不同必然會對SO3的生成量產(chǎn)生影響。

4 結(jié)果分析

由于各個測點工況基本相同，對各個測點的數(shù)值取平均，再對2種負荷下的SO3濃度進行對比，如表3所示。變化曲線對比如圖4所示。

表3 不同負荷下SO3濃度對比結(jié)果

圖4 不同負荷下SO3濃度變化曲線對比

由表3可知，在2種負荷下,測得SCR入口的SO3濃度值分別為20.583 3 mg/m3、13.5 mg/m3,所以在爐膛內(nèi)SO2與原子態(tài)O的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別為0.67%、0.55%。滿負荷下的SO3轉(zhuǎn)化率高于60%，隨著負荷升高，導(dǎo)致爐膛內(nèi)溫度升高，有利于爐膛內(nèi)SO2氧化生成SO3。普遍認為燃煤電廠鍋爐生成的SO2中有0.5%～2%轉(zhuǎn)化為SO3[9]。

從SCR進出口的SO3濃度分析，滿負荷下的轉(zhuǎn)化率為1.02%，60%負荷下的轉(zhuǎn)化率為0.83%。SO2在有催化劑、高溫的條件下被催化氧化產(chǎn)生SO3，其產(chǎn)生過程復(fù)雜。 煙道中影響因素相對復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率會隨著負荷變大，此時主要影響因子是煙氣溫度，煙溫升高，有利于催化劑的反應(yīng)。但并不是負荷越高，轉(zhuǎn)化效率越高，因為隨著負荷的增加，煙道內(nèi)的煙氣流速也會逐漸增大，當(dāng)流速超過一定值時，煙氣在催化劑表面停留的時間會縮短，反而會降低轉(zhuǎn)化率。

從上述圖表中可發(fā)現(xiàn)，煙氣從脫硝出口到脫硫入口過程中SO3濃度明顯降低，滿負荷工況時SO3減少57.5%，60%工況時減少57.9%。導(dǎo)致SO3濃度降低的主要原因是在空氣預(yù)熱器段的突然降溫，另外電除塵器的吸附脫除效果也會導(dǎo)致SO3濃度降低。

在空氣預(yù)熱器段會減少SO3，這是因為煙氣側(cè)溫度降低會使煙氣中的硫酸蒸汽冷凝，并且附著在空預(yù)器和飛灰的表面，SO3的減少量取決于煙氣的溫度和空預(yù)器的類型，煙氣的冷卻速度越快，空預(yù)器出口的煙溫越低，SO3的減少量越大。值得注意的是，在煙溫降低的同時，生成H2SO4就會增多，與脫硝中未反應(yīng)的氨氣反應(yīng)生成硫酸氫銨，增大了空預(yù)器被腐蝕的風(fēng)險。

電除塵器吸附脫除效果會減少SO3，減少程度取決于煙氣溫度和飛灰成分，如果飛灰對SO3的脫除率太高，會影響電除塵器的除塵效率。

另外， SO3濃度減少還受到濕法脫硫塔的影響。該電廠采用的是濕法脫硫，煙氣流經(jīng)脫硫塔進入煙囪，SO3濃度減少分別為33.5%、33.4%，減少比例相近。所以濕法洗滌塔會減少SO3的排放。在濕法脫硫裝置中，部分SO3和H2SO4被迅速冷卻到露點以下，被吸收塔內(nèi)的吸收劑吸收，顆粒較大的液滴被吸收塔除去[10]。經(jīng)過濕法洗滌后的煙氣溫度低于硫酸的露點溫度，吸收塔對于硫酸氣溶膠的脫除較差，因此煙氣中未被吸收脫除的SO3都以硫酸霧的形態(tài)排出。洗滌塔對SO3的脫除效率取決于洗滌塔的設(shè)計，噴淋的層數(shù)以及塔內(nèi)溫度和流場的變化。

5 結(jié)束語

a.SO3的源頭主要是爐內(nèi)氧化生成和SCR處催化氧化產(chǎn)生，為了消除由于SO3濃度過高導(dǎo)致的影響和危害，應(yīng)該從源頭上對SO3的產(chǎn)生進行抑制，例如煤質(zhì)的選擇、優(yōu)化燃燒或在脫硝出口噴射堿性吸收劑來進行脫除等。

b.煙氣從脫硝出口到排出煙囪，SO3已經(jīng)被脫除90%以上。但是在空預(yù)器附近因為形成硫酸液滴或硫酸鹽而被煙道壁吸附成為一種有害的脫除方式，對空預(yù)器、煙道等設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備的正常運行，降低經(jīng)濟性。

c.在不影響除塵效果的前提下，除塵器對SO3的脫除效果影響明顯。脫硫塔對SO3的脫除是最直接的，不會造成任何負面影響。可以根據(jù)實際情況對脫硫塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，改進噴淋層的噴淋方式或增加層數(shù)，最大限度脫除SO2和SO3。

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Measurement and Analysis on Sulphur Trioxide in Coal-fired Power Plant Flue Gas

WANG Bo, WANG Yuzhe，LI Yonghua

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China)

Chimney outlet forms blue or yellow plume because of high concentration SO3in flue gas of coal fired power plant, this phenomenon can cause pollution and corrosion to boiler system structure, also severely affects unit operation. According to the phenomenon, this paper tests SO3concentration by controlled condensation method,deals with the results by weight method.Concentration changes are analyzed, the mechanism, generation and transformation process of SO3are discussed.This results offer a reference for power plants.

coal-fired power plant;sulphur trioxide; controlled condensation

X773

A

1004-7913(2017)01-0047-03

汪 波(1992)，男，在讀碩士，研究方向為潔凈煤燃燒技術(shù)。

2016-09-15)