基于實(shí)測的燃煤電廠煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3去除效果的研究

陳鵬芳 朱庚富 張俊翔

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.國電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031；3.華能淮陰電廠，江蘇 淮安 223001)

基于實(shí)測的燃煤電廠煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3去除效果的研究

陳鵬芳1,2朱庚富1,2張俊翔3

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210044；2.國電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京210031；3.華能淮陰電廠，江蘇 淮安223001)

選取國內(nèi)10臺(tái)典型燃煤電廠發(fā)電機(jī)組，對(duì)其主要煙氣控制設(shè)備進(jìn)出口SO3濃度進(jìn)行實(shí)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)器的主要功能是脫硝，而低低溫電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式靜電除塵器具有很好的脫硫效果。實(shí)測得到某典型發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率分別為75%、100%的工況下，SO3綜合脫除率可達(dá)89.67%、93.98%。因此，SCR反應(yīng)器/低低溫電除塵器/濕法脫硫裝置/濕式靜電除塵器聯(lián)用是良好的脫硫脫硝煙氣協(xié)同控制技術(shù)。

燃煤電廠 煙氣協(xié)同控制SO3去除效果

目前，人們對(duì)燃煤電廠關(guān)注較多的是其產(chǎn)生的PM2.5[1-2]，但對(duì)其SO3排放情況關(guān)注不多。據(jù)報(bào)道，燃煤電廠一次可凝結(jié)PM2.5主要來源為SO3[3]。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，SO3會(huì)形成硫酸氣溶膠，不僅會(huì)對(duì)電廠的正常穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生潛在的威脅，也會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。SO3的毒性是SO2的10倍[4]，極易與水結(jié)合形成硫酸酸霧。美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)的報(bào)告顯示，SO3和硫酸氣溶膠可能會(huì)引起一系列的健康問題，也是酸雨的直接原因。因此，燃煤電廠對(duì)SO3進(jìn)行控制非常必要。美國已經(jīng)有22個(gè)州對(duì)燃煤電廠煙氣中SO3進(jìn)行了排放限值的限定[5]。我國國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局也發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》(發(fā)改能源[2014]2093號(hào))，提到了減少SO3等非常規(guī)污染物的排放，表明我國已經(jīng)開始重視對(duì)SO3排放的控制[6]。

1 煙氣協(xié)同控制技術(shù)及煙氣中SO3的形成與轉(zhuǎn)化

1.1煙氣協(xié)同控制技術(shù)

燃煤電廠煙氣協(xié)同控制技術(shù)是指某一設(shè)備同時(shí)脫除兩種及兩種以上污染物，或者為下一流程設(shè)備脫除污染物創(chuàng)造有利條件，實(shí)現(xiàn)煙氣污染物在多個(gè)設(shè)備中高效聯(lián)合脫除，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)良好節(jié)能效果的技術(shù)。目前，國內(nèi)最典型的煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線如圖1所示。

1.2煙氣中SO3的形成與轉(zhuǎn)化

燃煤電廠SO3主要是在鍋爐和SCR反應(yīng)器中形成[7]。煤在鍋爐爐膛中燃燒，可燃性硫元素生成SO2時(shí)，會(huì)有0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～2.5%的SO2被氧化成SO3[8]。在SCR反應(yīng)器中，催化劑在催化還原NOx的同時(shí)會(huì)有0.5%～1.5%的SO2被催化氧化成SO3[9]。在空氣預(yù)熱器中，由于SO3的吸濕性會(huì)形成氣態(tài)硫酸，經(jīng)過煙氣冷卻換熱器后，由于溫度逐漸降至酸露點(diǎn)以下，在低低溫電除塵器中的氣態(tài)硫酸被冷凝成液態(tài)硫酸霧并被吸附在粉塵表面，一部分被粉塵中的堿性物質(zhì)中和，一部分則隨粉塵的去除而去除。濕法脫硫裝置和濕式靜電除塵器對(duì)SO3也有不同程度的協(xié)同脫除作用。

1—鍋爐；2—選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)器；3—空氣預(yù)熱器；4—煙氣冷卻換熱器；5—低低溫電除塵器；6—濕法脫硫裝置；7—濕式靜電除塵器；8—煙囪圖1 煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線Fig.1 Flue gas co-benefit control technique route

2 研究方法

2.1選取的燃煤電廠

選取國內(nèi)10臺(tái)典型燃煤電廠發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場實(shí)測SCR反應(yīng)器、低低溫電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式靜電除塵器的進(jìn)出口SO3濃度，研究了煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的去除效果。受檢發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)均采用SCR反應(yīng)器/低低溫電除塵器/濕法脫硫裝置，其中C、D、H、I、J發(fā)電機(jī)組還設(shè)有濕式靜電除塵器。各受檢發(fā)電機(jī)組的受檢設(shè)備如表1所示。

表1 受檢發(fā)電機(jī)組的受檢設(shè)備

2.2 分析方法

3 結(jié)果分析

3.1SCR反應(yīng)器中SO3的變化

SCR脫硝已經(jīng)成為我國當(dāng)前的主流脫硝技術(shù)。實(shí)測了A、B、C發(fā)電機(jī)組SCR反應(yīng)器進(jìn)出口的SO3濃度，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的SCR反應(yīng)器出口SO3濃度均高于進(jìn)口，這是由于該設(shè)備中SO2轉(zhuǎn)為為SO3，生成率為17.12%～57.70%。A、B為低裝機(jī)容量發(fā)電機(jī)組，負(fù)荷率分別為96%、100%，在工程上可以認(rèn)為沒有差別，兩者的SO3生成率分別為25.49%、17.12%，差別也不大。C為高裝機(jī)容量發(fā)電機(jī)組，在負(fù)荷率為75%、100%時(shí)，SO3生成率分別為57.70%、27.11%，差別較大且隨負(fù)荷率升高SO3生成率明顯降低，這是由于發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率升高，煙氣量增大，煙氣流速加快，在SCR反應(yīng)器中的停留時(shí)間變短，從而縮短了反應(yīng)時(shí)間。由此可見，SCR反應(yīng)器并不是脫除SO3，而是生成SO3的設(shè)備，其生成率主要與發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率有關(guān)。

3.2低低溫電除塵器對(duì)SO3的脫除效果

低低溫電除塵器在高效脫除煙塵的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)SO3的協(xié)同脫除。實(shí)測了C、D發(fā)電機(jī)組低低溫電除塵器進(jìn)出口的SO3濃度，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出：C發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率為75%時(shí)SO3脫除率為4.05%，負(fù)荷率為100%時(shí)SO3脫除率為21.82%；D發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率為75%時(shí)O3脫除率為1.75%，負(fù)荷率為100%時(shí)SO3脫除率為17.77%。C、D發(fā)電機(jī)組的實(shí)測結(jié)果都表明，對(duì)同一臺(tái)發(fā)電機(jī)組而言，負(fù)荷率越高，低低溫電除塵器對(duì)SO3的脫除率越高。盡管如此，C、D發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率均為100%時(shí)，SO3脫除率也只有20%左右，與文獻(xiàn)報(bào)道的低低溫電除塵器對(duì)SO3脫除率能達(dá)到80%，最高可達(dá)95%[10]有巨大的差距。從理論上分析，在低低溫電除塵器運(yùn)行過程中，煙塵中的堿性物質(zhì)可以中和SO3冷凝成的硫酸液滴，從而使得大部分SO3隨煙塵一起被協(xié)同脫除。但在實(shí)際工程運(yùn)行中，由于煙氣停留時(shí)間短，SO3存在形態(tài)復(fù)雜，氣態(tài)硫酸只有部分被冷凝成液態(tài)的硫酸霧并吸附在煙塵表面，從而大大削減了SO3的協(xié)同脫除率。文獻(xiàn)[10]的結(jié)論是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果，與實(shí)際工程運(yùn)行有很大差別。因此，低低溫電除塵器對(duì)SO3的脫除率可能還與SO3的存在形態(tài)、煙氣停留時(shí)間等因素有關(guān)[11]，有待進(jìn)一步研究。

表2 SCR反應(yīng)器中SO3的變化情況

表3 低低溫電除塵器中SO3的變化情況

表4 濕法脫硫裝置中SO3的變化情況

表5 濕式靜電除塵器中SO3的變化情況

注：1)由于J發(fā)電機(jī)組濕式靜電除塵器進(jìn)口SO3質(zhì)量濃度實(shí)測值15.80 mg/m3比設(shè)計(jì)值41.30 mg/m3低25.50 mg/m3，按照GB/T 21508—2008的要求進(jìn)行進(jìn)口濃度修正，修正后計(jì)算得到SO3脫除率為76.11%。

3.3 濕法脫硫裝置對(duì)SO3的脫除效果

濕法脫硫裝置在脫除SO2的同時(shí)可以協(xié)同脫除SO3、HF和HCl等酸性組份。實(shí)測了E、F、G、H發(fā)電機(jī)組濕法脫硫裝置進(jìn)出口的SO3濃度，結(jié)果如表4所示。

比較E、G發(fā)電機(jī)組濕法脫硫裝置的SO3脫除率發(fā)現(xiàn)，在裝機(jī)容量相同的工況下，濕法脫硫裝置對(duì)SO3的脫除率隨負(fù)荷率的增大而升高。比較E、F、H發(fā)電機(jī)組濕法脫硫裝置的SO3脫除率發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷率相同的工況下，濕法脫硫裝置對(duì)SO3的脫除率還與裝機(jī)容量有關(guān)，隨裝機(jī)容量的增大而升高。

3.4 濕式靜電除塵器對(duì)SO3的脫除效果

實(shí)測了C、D、H、I、J發(fā)電機(jī)組濕式靜電除塵器進(jìn)出口的SO3濃度，結(jié)果如表5所示。

由表5可見，不同發(fā)電機(jī)組在不同裝機(jī)容量和不同負(fù)荷率條件下，濕式靜電除塵器對(duì)SO3的脫除率為56.33%～76.11%。裝機(jī)容量和負(fù)荷率對(duì)濕式靜電除塵器脫除SO3的影響不大，脫除率均較高。SO3脫除率差別不大是因?yàn)闈袷届o電除塵器進(jìn)口SO3濃度都很小且差別不大。較高的脫除率是因?yàn)闈袷届o電除塵器對(duì)亞微米級(jí)顆粒具有較高的捕獲率。

3.5 煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的綜合脫除率

C發(fā)電機(jī)組采用了典型的全過程煙氣協(xié)同控制技術(shù)，主要配置為SCR反應(yīng)器、低低溫電除塵器、濕法脫硫裝置、濕式靜電除塵器。由表2中C發(fā)電機(jī)組的SCR反應(yīng)器進(jìn)口SO3濃度和表5中C發(fā)電機(jī)組的濕式靜電除塵器出口SO3濃度可以計(jì)算得到，負(fù)荷率為75%時(shí)，煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的綜合脫除率為89.67%；負(fù)荷率為100%時(shí)，煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的綜合脫除率為93.98%。由此可見，煙氣協(xié)同控制技術(shù)在脫硝的同時(shí)，對(duì)SO3也具有較好的協(xié)同控制效果。

4 結(jié) 語

通過對(duì)10臺(tái)典型燃煤電廠發(fā)電機(jī)組的SO3濃度實(shí)測發(fā)現(xiàn)，SCR反應(yīng)器/低低溫電除塵器/濕法脫硫裝置/濕式靜電除塵器聯(lián)用在脫硝的同時(shí)，對(duì)SO3也具有較好的協(xié)同控制效果。C發(fā)電機(jī)組采用了以上典型的全過程煙氣協(xié)同控制技術(shù)，負(fù)荷率為75%時(shí)，煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的綜合脫除率為89.67%；負(fù)荷率為100%時(shí)，煙氣協(xié)同控制技術(shù)對(duì)SO3的綜合脫除率為93.98%。

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ResearchonSO3removalefficiencybyfluegasco-benefitcontroltechniqueofcoal-firedpowerplantsbasedonfieldtests

CHENPengfang1,2,ZHUGengfu1,2,ZHANGJunxiang3.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,NanjingJiangsu210044;2.StatePowerEnvironmentalProtectionResearchInstitute,NanjingJiangsu210031;3.HuanengHuaiyinPowerPlant,Huai’anJiangsu223001)

10 typical coal-fired power plant equipments were selected to monitor SO3concentration of entrance and exit in each equipment. Results showed that the selective catalytic reduction (SCR) reactor unit had denitrification function,while low-low temperature electrostatic precipitator unit,wet flue gas desulfurization unit and wet electrical precipitator unit had desulfurization function. The comprehensive removal rate of a typical equipment reached 89.67% and 93.98% under load rate of 75% and 100%,respectively. Therefore,SCR reactor/low-low temperature electrostatic precipitator/wet flue gas desulfurization/wet electrical precipitator was a good technology for co-benefit control of denitrification and desulfurization.

coal-fired power plant； flue gas co-benefit control； SO3； removal efficiency

陳鵬芳，女，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂萍夹g(shù)及工程應(yīng)用。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.002

2016-09-13)