胡宇峰，薛建明

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210023)

燃煤電站煙氣中SO3對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響及對(duì)策研究

胡宇峰，薛建明

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210023)

燃煤電站煙氣中存在一定濃度的SO3，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，煙氣中的SO3濃度會(huì)有所提升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)下游設(shè)備造成結(jié)垢、腐蝕和阻塞。從安全、穩(wěn)定和效率的角度分析了SO3對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的主要影響，并針對(duì)這些影響提出了SO3治理方向，為SO3的治理提供解決思路。

燃煤煙氣;SO3;機(jī)組運(yùn)行;SO3治理

0 引言

燃煤電廠運(yùn)行過(guò)程中，煙氣中會(huì)有少量的SO3生成，煤中所含硫的多少對(duì)SO3的濃度有一定影響，低含硫煤的SO3可以是很少的10-6量級(jí)，而高含硫煤可使SO3達(dá)到30～40μL/L甚至更高。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，燃煤電站鍋爐配備了選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝、除塵(靜電除塵器/布袋除塵器)、濕法煙氣脫硫(WFGD)等污染物控制設(shè)施，對(duì)煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx、煙塵、SO2等常規(guī)污染物進(jìn)行了有效的脫除，但SCR脫硝系統(tǒng)的催化劑可將煙氣中部分SO2催化氧化為SO3，使煙氣中SO3的濃度增加。SO3排放會(huì)造成“藍(lán)羽”問(wèn)題，并對(duì)環(huán)境造成損害，而從運(yùn)行角度來(lái)看，煙氣中的SO3會(huì)導(dǎo)致酸露點(diǎn)升高，造成空氣預(yù)熱器等設(shè)備腐蝕、積灰、堵塞。無(wú)論是從環(huán)保角度，還是從安全穩(wěn)定與性能角度，都應(yīng)對(duì)燃煤煙氣中的SO3引起足夠的重視。

1 燃煤煙氣中SO3產(chǎn)生

燃煤電站煙氣中SO3主要來(lái)自兩方面:一是煤燃燒過(guò)程中形成，煤中可燃性硫燃燒生成SO2，部分SO2進(jìn)一步氧化成SO3;二是催化形成，在省煤器和SCR脫硝過(guò)程中，煙氣中部分SO2被煙氣中的飛灰和SCR催化劑催化氧化為SO3。

1.1 煤燃燒過(guò)程中形成SO3

煤中硫大部分在燃燒過(guò)程中生成SO2，約0.5%～2%的SO2進(jìn)一步被氧化成SO3。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO3的量受鍋爐類型、燃燒條件、煤中硫含量、過(guò)量空氣系數(shù)等多種因素影響。煤中硫含量是影響煙氣中SO3濃度的主要因素，圖1所示煙氣中SO3濃度隨燃煤硫份變化的曲線，而燃燒溫度和氧元素濃度的增加也會(huì)提升SO3生成率［1］。

圖1 燃煤硫分與煙氣中SO3濃度關(guān)系

1.2 催化形成SO3

在省煤器區(qū)域(427～593℃)，在飛灰和受熱面管壁金屬中鐵氧化物的催化作用下，SO2與O2反應(yīng)生成SO3，這取決于SO2濃度、飛灰濃度及組成、對(duì)流受熱面面積、煙氣及管壁溫度分布、過(guò)量空氣系數(shù)、煙氣含濕量［2］等因素。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)爐膛吹掃可將煙氣中的SO3濃度降低，進(jìn)一步證明了管壁積灰對(duì)SO2的催化氧化作用。

V2O5/TiO2催化劑廣泛應(yīng)用于燃煤電站鍋爐SCR煙氣脫硝過(guò)程，而V2O5對(duì)SO2的氧化具有催化作用［3-4］，其在脫除煙氣中NOx的同時(shí)，將部分SO2催化氧化為SO3。在SCR脫硝系統(tǒng)中，約0.5%～3%的SO2被催化氧化為SO3，取決于催化劑的類型和運(yùn)行工況。

研究表明，隨著催化劑中 V2O5含量的增加，SO2的氧化率增加;隨著反應(yīng)溫度的升高，SO2的氧化率逐漸增加［4］，圖2顯示了SO2氧化率隨溫度變化的曲線，煙氣溫度降低10℃，SO2氧化率降低約0.15%［5］。

圖2 SO2氧化率隨溫度變化曲線

2 SO3對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

2.1 對(duì)煙氣露點(diǎn)的影響

SO3對(duì)煙氣露點(diǎn)有很大的影響［6］，圖3表示的是煙氣露點(diǎn)溫度隨SO3濃度變化的曲線，如圖所示，酸露點(diǎn)在95～150℃之間。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，SO3易與煙氣中的H2O反應(yīng)生成氣態(tài)的H2SO4，部分氣態(tài)H2SO4冷凝形成液態(tài)H2SO4，冷凝速率取決于溫度及SO3的濃度。安裝SCR后，由于SCR使SO3濃度增加，酸露點(diǎn)可增加5到10℃。通常情況下，空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度維持在高于酸露點(diǎn)有一定的余量，允許一些空氣滲入而不影響下游設(shè)備或管道。SCR投入運(yùn)行會(huì)抵消這部分余量，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，空氣滲入增加，氣流后端的部件腐蝕風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)上升。

圖3 酸露點(diǎn)與SO3濃度的關(guān)系

2.2 對(duì)SCR的影響

在溫度范圍為275～350℃［7］，SCR反應(yīng)器中SO3可與NH3發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨或硫酸銨，主要取決于SO3的濃度，這一溫度通常被稱為SCR最小噴氨溫度或最低工作溫度(MOT)。當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR反應(yīng)器內(nèi)的溫度降低，產(chǎn)生的硫酸氫銨會(huì)在催化劑孔隙中沉積，降低催化劑的表面積，覆蓋SCR反應(yīng)的活性位，從而導(dǎo)致催化劑失活。為了降低硫酸氫銨的形成量，SCR必須在MOT溫度以上運(yùn)行。在MOT溫度以下運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起SCR催化劑堵塞。

圖4 機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷對(duì)硫酸氫銨形成的影響

當(dāng)沉積量不高時(shí)，這種過(guò)程是可逆的，運(yùn)行溫度提升到露點(diǎn)以上就能促進(jìn)硫酸氫銨蒸發(fā)，恢復(fù)催化劑活性［8］(如圖4所示)。但是，為了有效地去除催化劑上形成的硫酸氫銨，需要將催化劑保持一個(gè)高溫恢復(fù)期(375～400℃［9］);對(duì)于國(guó)內(nèi)的機(jī)組，達(dá)到去除硫酸氫銨所需的恢復(fù)溫度的條件受到了多方面限制。此外，恢復(fù)期的長(zhǎng)短取決于SCR在MOT以下運(yùn)行的時(shí)間、SO3濃度和恢復(fù)期的運(yùn)行溫度。如果運(yùn)行溫度長(zhǎng)期低于其露點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致催化劑中出現(xiàn)大量的飛灰粘結(jié)堆積現(xiàn)象，尤其在機(jī)組連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，催化劑阻力增加迅速，出現(xiàn)催化劑阻塞，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

為了避免催化劑阻塞，機(jī)組必須在SCR可接受的最低負(fù)荷以上運(yùn)行，或者為了保證在低負(fù)荷情況下運(yùn)行溫度，需要安裝省煤器旁路，而省煤器旁路意味著降低機(jī)組熱效率。

2.3 SO3對(duì)空預(yù)器的影響

煙氣離開(kāi)脫硝反應(yīng)器進(jìn)入空預(yù)器后，在煙溫較低的空預(yù)器冷端，SO3易生成氣態(tài)的H2SO4，加速與SCR逃逸的氨反應(yīng)。圖5顯示了SO3和NH3濃度在不同溫度下的反應(yīng)情況，一般來(lái)說(shuō)，在205℃或更低溫度時(shí)，煙氣中的SO3完全轉(zhuǎn)化為硫酸氫銨。

圖5 SO3、NH3濃度與存在形態(tài)的關(guān)系

由于硫酸氫銨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，形成具有一定粘性的沉積物沉積在空氣預(yù)熱器表面，增加空氣預(yù)熱器的阻力，增加引風(fēng)機(jī)的功率消耗，嚴(yán)重時(shí)甚至迫使機(jī)組停爐清理空氣預(yù)熱器。國(guó)電集團(tuán)對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在300MW機(jī)組中空預(yù)器壓力損失大于2kPa的占30%，空預(yù)器壓力損失為1.2～2kPa的占35%，空預(yù)器壓力損失小于 1.2kPa的占 35%。在600MW機(jī)組中空預(yù)器壓力損失大于2kPa的占34%，空預(yù)器壓力損失為1.2～2kPa的占45%，空預(yù)器壓力損失小于1.2kPa的占21%。大部分機(jī)組空預(yù)器壓力損失高于1.2kPa。

按照600MW機(jī)組空氣預(yù)熱器堵塞導(dǎo)致煙氣側(cè)阻力增加了1.5kPa，一次風(fēng)側(cè)、二次風(fēng)側(cè)阻力增加了0.5kPa計(jì)算，在煙氣量為2000000m3/h，風(fēng)量2200t/h，利用小時(shí)數(shù)為5000h，單臺(tái)機(jī)組3大風(fēng)機(jī)年損失約310萬(wàn)元(電費(fèi)按0.35元/kW·h計(jì))。

空預(yù)器阻塞引起風(fēng)量和效率的下降，會(huì)降低系統(tǒng)最大負(fù)荷，按照通常一年600h的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，由于不能滿負(fù)荷發(fā)電引起的電費(fèi)收入損失約1050萬(wàn)元。過(guò)于嚴(yán)重的空預(yù)器阻塞還有可能造成風(fēng)機(jī)喘震和失速［10］。

硫酸氫銨在空預(yù)器換熱元件冷端煙氣溫度(146～207℃)呈中度酸性，且具有很大的粘性，粘附在空預(yù)器內(nèi)壁的換熱元件上，對(duì)壁面產(chǎn)生酸腐蝕，如果SO3濃度過(guò)高，過(guò)量的SO3會(huì)在空預(yù)器的冷端濃縮成酸霧，當(dāng)酸凝結(jié)發(fā)生時(shí)，空氣加熱器結(jié)垢變得嚴(yán)重，所形成的沉積物是濕的或粘的，加劇換熱元件的腐蝕。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，空氣預(yù)熱器因SO3腐蝕和堵塞的主要因素，造成空氣預(yù)熱器阻力增加，甚至危機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行。

2.4 對(duì)除塵器的影響

除塵器的運(yùn)行溫度在酸露點(diǎn)以下，SO3以液態(tài)的硫酸霧形式存在。由于煙氣中的粉塵總表面積很大，這為硫酸霧的凝結(jié)附著提供了良好的條件。對(duì)于布袋除塵器，如果SO3濃度過(guò)高，隨著SO3在濾餅上的沉積，濾餅變得更具粘性，難以清除;而對(duì)于電除塵器，在SO3濃度較低時(shí)，由于SO3的冷凝大幅度降低粉塵的比電阻［11］，避免反電暈現(xiàn)象，可提高除塵效率，在SO3濃度較高時(shí)，則會(huì)引起芒刺線等處出現(xiàn)不同程度的集灰現(xiàn)象。

3 對(duì)策研究

控制煙氣中的SO3不僅是滿足環(huán)保排放的需求，更是為機(jī)組的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。在可能的條件下，應(yīng)盡可能在煙氣的上游降低SO3含量，可減少對(duì)下游設(shè)備運(yùn)行的影響。一般情況下，在全部燃燒低硫煤較為困難時(shí)，可以采用摻燒低硫煤的方法，降低SO3的生成量;在高硫煤地區(qū)，可采用爐內(nèi)/爐后噴射堿性吸收劑的方法，根據(jù)噴入吸收劑的形態(tài)，可分為干式噴射和濕式噴射兩類。干式噴射選用的吸收劑為:CaO［12］、MgO、Na2CO3、天然堿［13］等，如美國(guó)Marietta電廠;濕式噴射選用的吸收劑為:NaHSO3(SBS)、Mg(OH)2、Ca(OH)2等，如美國(guó)Gavin電廠、Codan公司［14］。

吸收劑噴射的位置和種類決定了吸收劑的作用范圍，如:在爐膛上部Mg(OH)2吸收劑可降低SCR入口SO3濃度，并且緩解爐膛內(nèi)壁結(jié)渣，但是對(duì)SCR增加的SO3濃度則無(wú)法控制;在SCR出口噴入MgO干粉或NaHSO3溶液等堿性吸收劑可減少空預(yù)器內(nèi)硫酸氫銨的沉積，避免空氣預(yù)熱器的堵塞;降低酸露點(diǎn)，降低空預(yù)熱器出口煙氣溫度，提高鍋爐熱效率，減少尾部受熱面的腐蝕。

為了維護(hù)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，噴入吸收劑應(yīng)選在爐膛上部、SCR前或空預(yù)器前。脫除SO3的關(guān)鍵是吸收劑與煙氣均勻地混合，但是大多數(shù)機(jī)組由于空間和管道限制，在設(shè)計(jì)面臨較大挑戰(zhàn)。SO3的脫除方式和吸收劑的選擇需要根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況來(lái)決定，對(duì)于需要拓寬SCR運(yùn)行溫度窗口，提升SCR的負(fù)荷適應(yīng)性的機(jī)組，應(yīng)選擇在SCR入口前脫除SO3;如果主要針對(duì)空預(yù)器運(yùn)行狀況改善，可從選擇在空預(yù)器前脫除SO3;由于鈣基吸收劑增加了飛灰的比電阻，因此，在靜電除塵器運(yùn)行不佳的電廠不應(yīng)使用鈣基吸收劑。

4 結(jié)語(yǔ)

燃煤電廠煙氣中含有少量的 SO3，隨著國(guó)內(nèi)SCR“超低排放”改造的實(shí)施，煙氣中SO3的濃度會(huì)有更大幅度的增加，由此引發(fā)的設(shè)備腐蝕、堵塞等問(wèn)題也將更加嚴(yán)重?？刂茻煔庵械腟O3不僅是環(huán)境保護(hù)的要求，更是機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求。堿性吸收劑噴射技術(shù)可有效脫除煙氣中SO3，應(yīng)根據(jù)電廠的實(shí)際情況，選擇適合的噴入位置和吸收劑，減少設(shè)備的腐蝕、積灰和堵塞，可降低空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行功耗，提高機(jī)組熱效率。

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The effection and mitigation strategy study on SO3in flue gas of coal-fired plant

SO3in the flue gas is an issue for coal-fired power plant.The corrosion，blocking and fouling problem of the equipments can be noticed with the operation of the Selective Catalystic Reduction(SCR)denitrification system and the corresponding raise of SO3concentration.This paper presents and discuss the effection of SO3on the unit and the strategy of SO3mitigation from the view point of safety，stability and efficiency.

coal-fired flue ga;SO3;operationof the unit;SO3mitigation

X511

:B

:1674-8069(2017)01-021-04

2016-09-22;

:2016-10-09

胡宇峰(1978-)，男，湖南省寧鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，從事火電廠煙氣凈化技術(shù)研發(fā)與工程應(yīng)用等工作。E-mail:hyf2k@ 163.com

環(huán)保部發(fā)布火電廠污染防治技術(shù)政策

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA065401)

國(guó)家環(huán)境保護(hù)部日前發(fā)布《火電廠污染防治技術(shù)政策》，對(duì)燃煤電廠大氣污染防治、水污染防治、固體廢物污染防治、噪聲污染防治、二次污染防治以及新技術(shù)開(kāi)放等方面進(jìn)行了規(guī)定。

此次發(fā)布的技術(shù)政策適用于以煤、煤矸石、泥煤、石油焦及油頁(yè)巖等為燃料的火電廠，以油、氣等為燃料的火電廠可參照?qǐng)?zhí)行，可為火電行業(yè)污染防治規(guī)劃制定、污染物達(dá)標(biāo)排放技術(shù)選擇、環(huán)境影響評(píng)價(jià)和排污許可制度貫徹實(shí)施等環(huán)境管理及企業(yè)污染防治工作提供技術(shù)支撐。技術(shù)政策明確，火電廠污染防治應(yīng)遵循和提倡源頭控制與末端治理相結(jié)合的技術(shù)路線;污染防治技術(shù)的選擇應(yīng)因煤制宜、因爐制宜、因地制宜，并統(tǒng)籌兼顧技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、便于維護(hù)的原則。