燃煤電廠堿基噴吹脫除三氧化硫的應(yīng)用研究

吳永杰，戴永陽

(上海迪夫格環(huán)境科技有限公司，上海 201199)

0 引言

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，我國“富煤、少油、缺氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤電廠仍是我國當(dāng)前社會發(fā)展的重要支柱。2015年12月國家三部委制訂了《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，提出了大氣污染物的超低排放要求，并同時(shí)提出要大幅減少汞、SO3、砷等污染物的排放。

燃煤電廠鍋爐在燃燒過程時(shí)會產(chǎn)生一定量的SO3，近年來，由于選擇性催化還原技術(shù)(SCR)的大規(guī)模應(yīng)用，SCR催化劑會催化氧化SO2產(chǎn)生更多的SO3。SO3濃度過高會導(dǎo)致“藍(lán)煙”現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)提高煙氣酸露點(diǎn)，并產(chǎn)生硫酸氫銨，導(dǎo)致空預(yù)器堵塞，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常、安全運(yùn)行。

本文針對SO3產(chǎn)生來源及危害，對堿基噴吹脫除SO3技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為SO3治理提供參考和借鑒。

1 SO3的來源

燃煤鍋爐煙氣中的SO3主要有以下幾個(gè)來源：

(1)爐膛燃燒：爐膛燃燒溫度高于1 700 ℃時(shí)，煤中的硫絕大部分被氧化成SO2，然而在燃燒物急劇降溫時(shí)，將有一定的SO3生成。900 ℃時(shí)，在均相氣相反應(yīng)中SO3就會生成[1]。

反應(yīng)方程式：SO2+O2→SO3+O

煤在爐膛中燃燒時(shí)，煤中的硫份0.5%～2%被氧化成SO3。鍋爐中SO3的生成量受鍋爐類型、過剩空氣量和催化劑量的影響[2]。

(2)煙氣在尾部受熱面換熱過程中，受到金屬管壁、飛灰的催化氧化作用，一部分SO2會被氧化成SO3。

2 SO3的危害

(1)產(chǎn)生“藍(lán)色煙羽”

硫酸氣溶膠顆粒的光學(xué)散射效應(yīng)將使得煙囪煙羽產(chǎn)生視覺變色，即藍(lán)色煙羽現(xiàn)象。導(dǎo)致藍(lán)色煙羽發(fā)生的最低SO3濃度受大氣條件(日照量、溫度、相對濕度和風(fēng)速)和煙囪特性(煙囪直徑和出口煙氣速度)影響。

當(dāng)SO3濃度低于18 mg/m3時(shí)，一般不會發(fā)生藍(lán)色煙羽現(xiàn)象，而當(dāng)煙氣SO3濃度提升至36 mg/m3時(shí)，就可導(dǎo)致煙羽混濁度大于50%。

(2)提高煙氣酸露點(diǎn)，增加腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

圖1是SO3濃度與酸露點(diǎn)的關(guān)系曲線圖。酸露點(diǎn)溫度是酸在該溫度或低于該溫度的任何表面上冷凝的溫度。當(dāng)SCR裝置投入使用后，酸露點(diǎn)一般會升高5～11 ℃[6]。如果空預(yù)器出口煙溫不作相應(yīng)的升高，則會提高后端設(shè)備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。如果空預(yù)器出口煙溫作相應(yīng)的升高，則會增加機(jī)組的熱能損失。

(3)對空預(yù)器的影響

在177～215 ℃溫度范圍內(nèi)，如果SO3的摩爾濃度超過NH3的摩爾濃度，它們將反應(yīng)產(chǎn)生硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種粘性固體且腐蝕性高，硫酸氫銨攜帶灰分附著在空預(yù)器表面，造成空預(yù)器堵塞以及壓損增加，進(jìn)而影響機(jī)組的正常運(yùn)行[7-8]。

(4)對SCR脫硝裝置的影響

在276～332 ℃溫度范圍內(nèi)，SO3也可以在SCR脫硝裝置中與NH3發(fā)生反應(yīng)。上述溫度通常稱之為最低操作溫度，主要取決于SO3濃度。因此，噴氨的溫度應(yīng)在最低操作溫度之上，以盡量避免硫酸氫銨產(chǎn)生。

3 堿基噴吹脫除SO3技術(shù)

基于SO3排放的種種弊端及脫除的益處，目前各國學(xué)者都在研究SO3控制技術(shù)，主要有摻燒低硫煤、爐內(nèi)噴堿、爐后噴堿、空預(yù)器后噴堿、靜電除塵器前煙氣增濕、濕式靜電除塵器(WESP)等技術(shù)[9]，各技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 SO3脫除技術(shù)對比

干法與濕法噴吹均可達(dá)到脫除SO3的效果，兩者脫除SO3的原理大致相同，但是兩種方法的脫除效果存在差別，表2是干法和濕法技術(shù)特點(diǎn)對比。

表2 干法及濕法堿基噴吹技術(shù)特點(diǎn)對比

濕法堿基噴吹堿基一般優(yōu)選鈉基，因?yàn)橄啾肉}基和鎂基，鈉基溶解性好，而且堿性更高。根據(jù)Codan公司的研究，將Na2SO3或Na2CO3溶液作為堿基噴入煙氣中，堿基/SO3摩爾比1.5～2.0時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)90%以上的SO3脫除效率[10]。由表3可知，與噴射鈣基(消石灰)相比，噴射鈉基(碳酸鈉)的運(yùn)行成本也并不高。

表3 消石灰和碳酸鈉運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

用于干法脫除SO3的堿基顆粒粒徑一般為20～150 μm，但用于濕法的堿基溶液通過噴嘴霧化后粒徑可以達(dá)到10 μm，這大大提高了吸收劑的比表面積，使得堿基能夠均勻的分布于煙氣流中，促進(jìn)與SO3的混合，極大地提高了SO3脫除效率。同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行效果表明直接噴射粉末很容易造成固化和粘接，不利于脫除反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致堿基與SO3摩爾比大大高于反應(yīng)當(dāng)量，導(dǎo)致干法脫除SO3效率遠(yuǎn)低于濕法技術(shù)。因此，在工程應(yīng)用中優(yōu)選濕法堿基噴吹技術(shù)脫除SO3。

4 工藝介紹

4.1 工藝原理

濕法堿基噴吹的工藝方法是采用堿金屬鹽，溶解后送至煙道，與煙氣充分混合后發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到脫除煙氣中的SO3的目的。

采用的堿基包括碳酸鈉、亞硫酸鈉或亞硫酸氫鈉，常規(guī)工況下煙氣的溫度反應(yīng)區(qū)間為300～400 ℃，吸收劑直接采用液體的形式通過霧化噴嘴噴入，在該煙溫下霧化的液滴干燥時(shí)間為0.1 s，最終堿液粒徑能達(dá)到10 μm左右。以碳酸鈉堿基為例，具體反應(yīng)流程如下：

首先，Na2CO3與SO2在煙氣流中發(fā)生反應(yīng)：

Na2CO3+ 2SO2+H2O→2NaHSO3+CO2

Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2

接著Na2SO3作為吸收劑與SO3發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)物過量時(shí)，將會生成硫酸鈉。

Na2SO3+SO3→Na2SO4+SO2

當(dāng)噴射的反應(yīng)物大大少于SO3時(shí)，硫酸鈉會繼續(xù)和SO3反應(yīng)生成硫酸氫鈉。

Na2SO4+SO3+H2O→2NaHSO4

碳酸鈉溶液通過霧化噴頭噴入煙道，水分在距離噴射點(diǎn)很短的距離內(nèi)被蒸發(fā)。在干燥的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了一些重要的液相反應(yīng)，大多數(shù)SO3的去除是與干燥的顆粒發(fā)生固相反應(yīng)。吸收的顆粒十分細(xì)小，反應(yīng)活性很高，被CO2、SO2、H2O包裹著產(chǎn)生的效果如同“爆米花”效應(yīng)，干燥的反應(yīng)物隨粉塵在靜電除塵器(ESP)中除去。

4.2 吸收劑選擇

(1)類型與用量[11-12]

鈉基鹽有Na2CO3、NaHCO3、天然堿(主要成分為Na2CO3、NaHCO3)、倍半碳酸鈉(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)等，鈣基鹽有CaO、Ca(OH)2等；鎂基鹽有MgO、Mg(OH)2等。堿性不同，摩爾比也不同。例如采用干式脫除三氧化硫噴吹堿性顆粒摩爾比為：SO3與Mg(OH)2、NaHCO3、Ca(OH)2、倍半碳酸鈉摩爾比分別為1∶3、1∶5、1∶8、1∶6。而噴射液態(tài)摩爾比則是1∶(1～2)。吸收劑用量除了考慮類型外還應(yīng)考慮煙氣的煙氣量以及SO3的去除率，同時(shí)還與鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷有關(guān)。

(2)粒徑

粉末狀吸收劑的粒徑一般在40～100 μm之間，較液態(tài)吸收劑粒徑大，若粒徑較大，將會導(dǎo)致吸收劑在煙道內(nèi)的分布不均，影響吸收劑對SO3的吸收，降低對SO3的去除效率，從而增加運(yùn)行成本。

(3)停留時(shí)間

吸收劑在煙道的停留時(shí)間取決于煙氣流速、煙道尺寸等。噴射液體的反應(yīng)停留時(shí)間最低控制在1 s，以保證SO3足夠的去除效率，同時(shí)避免和空預(yù)器間的不必要的化學(xué)反應(yīng)和副反應(yīng)。過長的停留時(shí)間也會導(dǎo)致副反應(yīng)生成硫酸氫鈉，對空預(yù)器產(chǎn)生不利影響。

4.3 噴吹位置

噴吹位置的不同會帶來不同的脫除效果，一般推薦在SCR出口噴吹，但是當(dāng)SCR到空預(yù)器之間反應(yīng)停留時(shí)間不充足時(shí)，可在SCR上游設(shè)噴射點(diǎn)。一般推薦的噴吹點(diǎn)還有空預(yù)器后或者爐內(nèi)噴射。

4.4 噴射單元

(1)噴槍與噴嘴

在噴射液態(tài)吸收劑時(shí)，確保噴槍霧化效果好，保證吸收劑能夠均勻分布到煙道中。建議根據(jù)煙道內(nèi)煙氣氣流組織CFD模擬來確定噴槍和噴嘴的最佳位置。同時(shí)還應(yīng)考慮到相鄰噴嘴間的距離、噴嘴與煙道內(nèi)壁上、下、左、右四個(gè)壁面的距離、相鄰主噴嘴的距離、噴嘴與水平面的夾角等對噴射的影響。

應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置主噴嘴的組數(shù)、每組主噴嘴的個(gè)數(shù)、主噴嘴中小噴嘴的個(gè)數(shù)及出口流速。提高噴嘴流速可增加吸收劑分布的均勻度，但這樣不僅會增加噴嘴的耗氣量，降低煙氣溫度，提高空壓機(jī)的功率，增加能耗，同時(shí)也會加大吸收劑對噴嘴的磨損，縮短噴嘴的使用壽命。噴嘴數(shù)量、布置角度及出口流速的選擇應(yīng)保證吸收劑與煙氣的均勻混合，同時(shí)盡量減小煙道阻力。

(2)增強(qiáng)措施

采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢栽鰪?qiáng)吸收劑在煙道中分布的均勻度。例如設(shè)置擾流板增加混合度；設(shè)置防磨板減小煙氣對噴嘴的磨損，并優(yōu)化調(diào)整，最大限度減小煙道阻力。

5 應(yīng)用實(shí)例

某300 MW機(jī)組采用SCR脫硝，脫硝入口煙氣參數(shù)如下表4所示。

表4 SCR脫硝入口煙氣參數(shù)

續(xù)表

擬在SCR脫硝裝置出口噴射25%的Na2CO3溶液脫除SO3，SCR脫硝系統(tǒng)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率按1%考慮，因此堿基噴吹系統(tǒng)入口SO3濃度按100 mg/Nm3設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表5 堿基噴吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)流程如圖2所示，系統(tǒng)主要包括堿液溶解制備系統(tǒng)、計(jì)量稀釋系統(tǒng)、堿液噴射系統(tǒng)。堿液溶解制備系統(tǒng)主要包括脫鹽水儲罐、溶解罐、溶解水泵及進(jìn)料泵；計(jì)量稀釋系統(tǒng)主要包括稀釋水泵、稀釋水流量計(jì)、堿溶液流量計(jì)、密度計(jì)和流量控制閥組；堿液噴射系統(tǒng)包括噴槍和噴嘴，噴槍與噴嘴連通，噴嘴布置于煙道內(nèi)。

將碳酸鈉固體通過料斗車輸送至溶解罐，顆粒粒徑≤30 mm；向溶解罐中加入脫鹽水獲得稀釋堿液，并加熱稀釋堿液的溫度至30～40 ℃，通過計(jì)量稀釋系統(tǒng)調(diào)節(jié)稀釋堿液的質(zhì)量濃度至25%；將壓縮空氣和稀釋堿液分配至設(shè)置于煙道中的噴射系統(tǒng)中，并根據(jù)煙道中SO3的濃度、煙氣流速以及稀釋堿液的質(zhì)量濃度控制稀釋堿液流量和壓縮空氣的壓力。在噴嘴的煙氣上游配置均質(zhì)混流器，有效保證煙氣與吸收劑的充分混合，在接近吸收SO3化學(xué)反應(yīng)計(jì)量比的條件下，通過優(yōu)化的工藝保證噴射堿液霧化液滴的高比表面積，以此獲得高的反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)90%以上的SO3脫除效率。

6 結(jié)論

現(xiàn)有的燃煤機(jī)組普遍存在一定量的SO3，故會帶來一系列的問題，包括脫硝催化劑失活、催化劑磨損、空氣預(yù)熱器堵塞等。由于上述問題的存在導(dǎo)致SCR脫硝裝置效率下降，電廠能耗升高，并影響燃煤機(jī)組的正常運(yùn)行。

采用濕法堿基噴吹技術(shù)，根據(jù)CFD仿真模擬結(jié)果，在特定區(qū)域向煙道中噴射堿基溶液，可以有效脫除煙氣中的SO3，實(shí)現(xiàn)90%以上的脫除效率，大幅降低催化劑連續(xù)噴氨的運(yùn)行溫度，實(shí)現(xiàn)脫硝裝置的全負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)還能減少空預(yù)器硫酸氫銨結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，降低了煙囪出口形成藍(lán)羽的可能性。