陳焱,許月陽,薛建明

(國電科學技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

燃煤煙氣中 SO3成因、影響及其減排對策

陳焱,許月陽,薛建明

(國電科學技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

煤燃燒過程中產(chǎn)生的 SO3不僅造成了酸性煙霧,而且排放時會形成藍色或黃色煙羽,增加了煙囪排放的煙羽濁度,破環(huán)了景觀。近年來,火電廠煙囪常見的藍煙/黃煙現(xiàn)象給周邊大氣環(huán)境帶來一定的影響。針對部分燃煤電廠在脫硫、脫硝裝置投運后,出現(xiàn)藍煙/黃煙現(xiàn)象進行了研究,并提出了可供選擇的控制對策和建議。

燃煤;SO3;氣溶膠;藍煙/黃煙;減排對策

隨著環(huán)保法規(guī)的日趨嚴格,燃煤電廠為了有效地降低煙氣中 SO2和NOx的排放量,遏制酸雨的蔓延,紛紛建設(shè)了脫硝及脫硫裝置。據(jù)統(tǒng)計,截至2010年底,我國燃煤電廠建設(shè)脫硫裝置的裝機容量超過 6億 kW,其中,濕法脫硫裝置約占 90%,建設(shè)SCR/SNCR脫氮裝置的裝機容量超過 5000萬 kW。但隨著脫硫、脫硝裝置的建成投運,燃煤電廠鍋爐在燃燒過程中產(chǎn)生的 SO3經(jīng)過脫硝脫硫后其濃度會有所并以硫酸氣溶膠的狀態(tài)通過煙囪排放,增加了煙囪排放的煙羽濁度,不但對公眾的健康造成威脅,而且有色煙羽的排放破環(huán)了景觀、影響了視覺感受,給公眾帶來了很多顧慮。筆者針對燃煤電廠出現(xiàn)可見煙羽藍煙/黃煙的新環(huán)境污染問題,進行了較為深入的研究分析,并提出了控制 SO3,消除藍煙/黃煙煙羽現(xiàn)象的可選技術(shù)措施。

1 藍煙/黃煙可見煙羽

2000年,在美國電力公司 Gavin電廠首次出現(xiàn)藍煙/黃煙煙羽現(xiàn)象。該廠在總?cè)萘繛?2600MW的多個機組上安裝了 SCR裝置和濕法 FGD裝置硫后,煙囪排煙由原來幾乎看不到的煙羽,改變?yōu)檩^為濃厚的藍色/黃色煙羽,對電廠的景觀產(chǎn)生嚴重的影響。隨著越來越多的 SCR裝置和濕法 FGD裝置的投運,我國部分電廠也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

1.1 可見煙羽形成的原因

煙囪排煙出現(xiàn)可見煙羽的主要原因是:煙囪排出的煙氣中含有硫酸的氣溶膠;排出煙氣中亞微米顆粒粉塵的存在,使得 H2SO4以亞微米顆粒粉塵作為凝結(jié)中心,加強了凝結(jié)過程;硫酸氣溶膠的粒徑非常小,對光線產(chǎn)生散射;由于顆粒的尺寸和可見光的波長接近,屬于瑞利散射。瑞利散射的特點是:散射光的強度與波長的四次方成反比,因此短波的藍色光線散射要比長波的紅色光線強許多,最終使得煙囪在陽光照射的反射側(cè),排煙的煙羽呈現(xiàn)藍色,而在煙羽的另一側(cè)(透射側(cè))呈現(xiàn)黃褐色。

1.2 影響煙羽的因素

影響煙羽顏色和不透明度 (濁度)的主要因素是:氣溶膠顆粒粒徑的大小和濃度;太陽光的照射角度;煙囪的排煙溫度;大氣環(huán)境條件。

在大多數(shù)的情況下,尤其是 H2SO4氣溶膠、水、亞微米顆粒同時存在時,凝結(jié)是主要的生成機理。煙羽的濁度主要受到煙氣中可凝結(jié)物和亞微米飛灰濃度的影響。當 H2SO4濃度較低或中等時,亞微米煙塵的粒徑分布對煙羽的濁度有明顯的影響,主要是由于這些顆粒起到了汽相 H2SO4凝結(jié)中心的作用[1]。因此,在燃煤電廠建設(shè)了滿足環(huán)保要求的高效除塵器、SCR脫硝裝置和煙氣脫硫裝置后,在無法進一步降低亞微米顆粒物排放濃度的情況下,除由于煙羽中水蒸汽凝結(jié)所造成的白色煙羽之外,SO3的排放成為影響煙羽顏色和不透明度最主要的因素。在大多數(shù)情況下,當煙氣中硫酸氣溶膠的濃度超過 10×10-6時,會出現(xiàn)可見的藍煙/黃煙煙羽,且硫酸氣溶膠的濃度越高,煙羽的顏色越濃、煙羽的長度也越長,嚴重時甚至可以落地。

2 SO3的產(chǎn)生及氣溶膠的形成

2.1 SO3形成的主要途徑

SO3的生成非常復雜,主要取決于鍋爐的燃燒、燃料成分、運行參數(shù)、脫硫、脫硝設(shè)施運行狀況等。燃煤在鍋爐爐膛的燃燒過程中,幾乎所有的可燃性硫都被氧化成為氣態(tài) SO2和 SO3,其中絕大部分是SO2,僅有 1%～5%的 SO2會進一步氧化成 SO3。在鍋爐省煤器 420～600℃的溫度范圍內(nèi),部分 SO2在氧化鐵的催化作用下生成。SCR中以 TiO2為載體、V2O5或 V2O5-WO3、V2O5-MoO3為活性組分的催化劑,既具有較高的脫硝效率,但同時也促進了 SO2向 SO3的轉(zhuǎn)化,其轉(zhuǎn)化程度取決于催化劑的配方和 SCR的運行工況。一般來說,對于煙煤每層催化劑 SO2的轉(zhuǎn)化率約為 0.25%～0.5%,對于低硫次煙煤每層的轉(zhuǎn)化率約為 0.75%～1.25%。因此,在有 2～3層催化劑的 SCR系統(tǒng)中,SCR出口煙氣中 SO3的濃度會比入口增加約 50%。

2.2 氣溶膠在濕法脫硫中的生成

當含有氣態(tài) SO3或 H2SO4的煙氣通過濕法煙氣脫硫系統(tǒng)時,由于煙氣被急速冷卻到酸露點之下,且這種冷卻速率比氣態(tài) SO3或 H2SO4被吸收塔內(nèi)吸收劑吸收的速率要快得多,因此,SO3或 H2SO4不僅不能有效脫除,而且會快速形成難于捕集的亞微米級的 H2SO4酸霧[2-3]。一般來說,酸霧中顆粒較大的霧滴是可以被吸收塔除去的,但是對亞微米級的霧滴,吸收塔則無能為力,形成的亞微米級的霧滴只能通過煙囪排入大氣。

3 煙氣中 SO3的潛在危害

3.1 對環(huán)境的影響

目前,燃煤煙氣中所排放的酸性煙霧對人類健康影響的研究尚不夠深入,數(shù)據(jù)尚還不完整,但總的來說,在低濃度的酸性氣溶膠的環(huán)境中,對于年青、健康成年人的肺功能影響很小。當 H2SO4氣溶膠與下沉煙羽結(jié)合在一起時,煙囪附近的環(huán)境污染濃度明顯提高,結(jié)合氣象條件和運行工況,在煙囪鄰近區(qū)域會出現(xiàn)酸霧,如這種酸霧持續(xù)時間較長,則會損害建筑物和植被。

3.2 對機組設(shè)備的危害

煙氣中 SO3對機組設(shè)備的危害主要為低溫腐蝕、高溫結(jié)垢、堵塞設(shè)備。SO3會和煙氣中的水蒸汽結(jié)合形成硫酸,在露點溫度下凝結(jié)并腐蝕金屬部件。在 600～650℃的溫度區(qū)域,SO3會與氧化金屬表面發(fā)生催化反應,生成三硫化鐵或亞硫酸鹽而結(jié)垢。SO3還會與 SCR脫硝噴入的還原劑 NH3反應形成硫酸鹽顆粒,尤其是 (NH4)2SO4和NH4HSO4,這些物質(zhì)會導致低溫設(shè)備部件的沾污和堵塞。

4 SO3的控制和減排對策

4.1 爐內(nèi)噴堿性物質(zhì)

在爐膛中噴入堿性物質(zhì)可有效減少 SO3排放。如爐內(nèi)噴鈣技術(shù),既可脫除部分 SO2、防止 SCR的砷中毒,又對 SO3的控制也十分有效,SO3脫除率最高可達 90%。此外,研究表明,爐內(nèi)噴射鈣基、鎂基吸收劑,可降低爐膛內(nèi)的 SO3濃度[5]。

4.2 爐后噴堿性物質(zhì)

在爐后或省煤器的出口噴入堿性物質(zhì)既可減少SO3對空預器的腐蝕,也可有效地降低 SO3的排放[6]。一般來說,要控制 SO3的排放,堿性物質(zhì)的噴入位置應設(shè)置在空預器之后。但對于存在空預器低溫腐蝕的機組,應把吸收劑的噴入點選在空預器的上游,且加裝必要的清洗裝置。在除塵器前噴入堿性吸收劑時,必須考慮對除塵器的影響,如入口粉塵濃度的增加、粉塵比電阻的變化等。典型 CFB和N ID工藝對 SO3脫除率可以達 80%～90%。

4.3 采用 ROFA技術(shù)降低 SO3的生成

ROFA技術(shù)把強湍流和旋轉(zhuǎn)渦流結(jié)合起來,使得爐膛得到更有效的分級燃燒。由于充分的混合和特殊的設(shè)計,ROFA產(chǎn)生的 NOx、CO、未燃碳、氧量和可燃物以及 SO3要比其他的火上風 (OFA)系統(tǒng)要低。據(jù)統(tǒng)計,ROFA在不使用任何吸收劑的前提下,通過對燃燒的調(diào)整可以在減少 50%的NOx的同時,減少80%的 SO3排放。

4.4 脫硝催化劑配比的調(diào)整

SCR中以 TiO2為載體的催化劑,具有高的脫硝效率,且其中的 TiO2具有較強的抗 SO2性能,WO3有助于抑制 SO3的生成,但 V2O5或 V2O5-WO3、V2O5-MoO3能促進 SO2向 SO3的轉(zhuǎn)化。此外, SO2/SO3的轉(zhuǎn)換率還與 SCR的面積速度即煙氣流速與催化劑的表面積之比有關(guān),面積速度越大, SO2/SO3的轉(zhuǎn)換率越小。因此,在選擇 SCR以 TiO2為載體的催化劑時,可合理調(diào)整V和W的配比,適度減小催化劑的壁厚,在不影響脫硝效果的條件下,可有效控制脫硝階段的 SO3的生成。

4.5 除塵器前噴氨

在空預器后和電除塵器之間噴入氨,一方面可有效地脫除煙氣中的 SO3,其脫除率約 90%[7];另一方面可對飛灰進行調(diào)質(zhì),通過飛灰的凝結(jié)來改善ESP的性能。

4.6 燃料切換和混煤參燒

采用產(chǎn)生 SO3較少的次煙煤和煙煤混燒,降低燃煤硫份,減少煙氣 SO2濃度,也降低爐膛和 SCR中 SO2向 SO3的轉(zhuǎn)化,次煙煤的高含量堿性灰份也有助于空預器和除塵器中 SO3的捕集[8-9]。

4.7 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器(WESP)能有效地收集亞微米顆粒和酸霧[10]。WESP可以設(shè)計成立式或臥式的,收集表面可以是管式的或是平板式。管式WESP的占地面積較小,效率一般比平板式要高。WESP可與濕式洗滌塔集成在一起,收集從洗滌塔逃逸出來的細小硫酸霧滴,其對 SO3的脫除率可達 95%,煙羽的濁度幾乎為零。

5 結(jié)語

(1)燃煤電廠的可見煙羽是電廠文明生產(chǎn)和環(huán)境質(zhì)量的新問題。研究發(fā)現(xiàn),在燃煤電廠當前的環(huán)境保護治理條件下,SO3的排放是影響煙羽顏色和不透明度的重要因素之一。

(2)SO3的生成非常復雜,主要取決于鍋爐的燃燒、燃料成分、運行參數(shù)、設(shè)備的布置、脫硝脫硫設(shè)施運行狀況等。SO3濃度過高,會引起下游設(shè)備的低溫腐蝕、硫酸鹽的結(jié)垢、玷污和堵塞等。

(3)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)不僅不能有效脫除煙氣中的 SO3或 H2SO4,而且會快速形成難于捕集的亞微米級的 H2SO4酸霧,通過煙囪直接排入大氣,成為形成可見煙羽的罪魁禍首。

(4)通過調(diào)整和優(yōu)化燃燒方式、在鍋爐爐膛至ESP之間的不同位置噴入堿性物質(zhì)和氨、設(shè)置濕式靜電除塵器、調(diào)整催化劑活性組分等,可有效抑制SO3的生成或脫除煙氣中的 SO3,達到降低煙囪出口 SO3的濃度,消除可見煙羽的目的。

[1]Damle A S,EnsorD S,SparksL E.Options for controlling condensation aerosols to meet opacity standards[J].Journal of the Air Pollution ControlAssociation,1987,(37):925-933.

[2]Blythe R,Hawthorne.Furnace injection of alkaline sorbents for sulfuric acid control[C].U.S.EPA/DOE/EPR I Combined Power Plant Air Pollution Control Symposium,Chicago:2001.

[3]Gutberlet H,Hartenstein H,Licata A.SO2conversion rate of deNOxcatalysts- effects on downstream plant components and remedial measures[C].the Power Gen 1999,New Orleans:1999.

[4]Hardman R,Stacy R,Dismukes E.Estimating sulfuric acid aerosol emissions from coal-fired powerplants[C].DOE-FETC Conference on Formation,Distribution,I mpact,and Fate of Sulfur Trioxide in U-tility Flue Gas Streams,Pittsburgh:1998.

[5]Kumar K S,Mansour A.Wet ESP for controlling sulfuric acid plume following and SCR system[C].I CAC Forum 2002,Houston:2002.

[6]Levy E K.Effect of boiler operations on sulfuric acid emissions[C]. DOE-FETC Conference on Formation,Distribution,I mpact,and Fate of Sulfur Trioxidein Utility Flue Gas Streams,Pittsburgh,PA:1998.

[7]SarunacN,Levy E.Factors affecting sulfuric acid emissions from boilers[C].EPR I/DOE/EPA Air Pollution Control Symposium:The Mega Symposium,Atlanta:1999.

[8]Svachula J,AlemanyL J,FerlazzoN,et al.Oxidation of SO2to SO3over honeycomb deNOxing catalysts[J].Ind Eng Chem Res,1993,32 (5):826-834.

[9]ZetlmeislM J,McCarthy KJ,LaurenceD F.Investigation of some factors affecting non flame generation and suppression of SO3[J].Industrial Engineering and Chemistry Product Research and Development, 1983,(22):710-716.

[10]YilmazA,PechulisM,D’Agostini.Cold end acid condensation in tubular air preheaters[C].American Society ofMechanical Engineers 1995 Joint Power Generation Conference,San Diego:1995.

Discussion on flue gas SO3for mingmechanism,impact and its countermeasures

The em ission of the flue gas SO3generated in the process of coal com bustion not only resulted in the em ission of acid fumes,and w illfor m a blue or yellow p lum e,increasing the turbidity plume em issions from ch imney,but also destroying the landscape.Past years,ther m al power ch imney common em erge blue smoke and yellow smoke phenomenon has bring some impact on around environm ent.Part of the coal-fired power plants put into operation ofW FGD and SNCR denitrification equipm ents,the emergence of blue smoke/yellow smoke are studied and analyzed,and alternative control strategies and recomm endations are put forward.

coal;SO3;aero sol;blue smoke/yellow smoke;em ission reduction measures

X701.3

B

1674-8069(2011)03-035-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(408007)

2010-12-29;

2011-05-03

陳焱 (1977-),男,江蘇泰州人,長期從事火電廠脫硫、脫氮、脫碳及除塵等技術(shù)開發(fā)和工程應用以及循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)化環(huán)保途徑的研究。E-mail:chenyangdhb@126.com