燃煤电厂碱基喷吹脱除三氧化硫技术

燃煤电厂碱基喷吹脱除三氧化硫技术

吴永杰1戴永阳1姚晔2

1.上海迪夫格环境科技有限公司上海201199；2.上海交通大学上海200240

摘要：燃煤电厂锅炉在燃烧过程时会产生一定量的SO3，会对环境造成污染，并严重影响机组的正常、安全运行。本文介绍了一种碱基喷吹脱除三氧化硫的技术，采用碱金属盐，通过溶解送至烟道，与烟气充分混合后发生反应，脱除SO3，实现90%以上的脱除效率，有效解决SO3污染问题。

关键词：燃煤电厂；选择性催化还原法（SCR）脱硝技术；SO3；SO3脱除

Abstract：TheboilerswillproduceacertainamountofSO3duringthecombustionprocessinthecoal-firedpowerplant,whichwillcausesenvironmentalpollutionandseriouslyinfluenceonthenormalandsafeoperationoftheunit.Thispaperintroducesatechniqueofalkalinesorbentinjectiontoremovesulfurtrioxide.Alkalimetalsaltisusedtobesenttothefluebydissolution,reactswithfluegastoremoveSO3,theremovalefficiencyofwhichcanbemorethan90%.TheSO3pollutionproblemissolvedeffectively.

Keywords：Coal-firedpowerplant;Selectivecatalyticreduction(SCR)denitrificationtechnology;SO3;SO3removal

引言

电力行业是国民经济和社会发展的基础产业，我国“富煤、少油、缺气”的能源结构决定了燃煤电厂仍是我国当前社会发展的重要支柱。2015年12月国家三部委制订了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，明确提出了大气污染物的超低排放要求，并同时提出要大幅减少汞、SO3、砷等污染物排放。

本文针对SO3产生来源及危害，对碱基喷吹脱除SO3技术进行了系统的阐述，为SO3治理提供参考和借鉴。

1SO3来源

燃煤锅炉烟气SO3的产生主要有以下几个来源：

（1）炉膛燃烧：炉膛燃烧温度高于1700℃时，热力学上主要生成SO2，然而在燃烧物急剧降温时，平衡向生成SO3转移。900℃时，在均相气相反应中就SO3会生成。

反应方程式：SO2+O2→SO3+O

炉膛中的氧化率为0.5%-2%，燃烧过程中产生的SO3的量取决于锅炉类型、煤中硫含量、过量空气系数、催化剂的作用等因素。催化作用主要有悬浮飞灰催化、管壁积灰催化和管壁金属氧化物催化共同作用。当氧气浓度从3.5%降至2.1%时，烟气中SO3降低了大约20%。

（2）脱硝系统催化氧化

SCR装置中氧化催化剂V2O5的运用使得烟气中部分SO2催化剂催化氧化为SO3。尤其是在低负荷运行时，SO3氧化率急剧增加。在SCR脱硝系统中，约0.5%～1.5%的SO2被催化氧化为SO3，SO2氧化率取决于催化剂的类型和运行工况。

2SO3的危害

SO3具有以下危害：

图1SO3浓度与酸露点关系曲线图

（1）产生“蓝羽”

排烟呈现“蓝羽”现象源于硫酸酸雾气溶胶的产生，由于其粒径非常小，对光线产生散射。SO3最低浓度取决于大气环境和烟囱的特征。

（2）提高烟气酸露点

烟气的酸露点取决于烟气中SO3和H2O的浓度，随着SO3浓度的增加而升高。当SCR投运后，酸露点一般会升高5～11℃。

（3）空预器积灰

在空预器中，当烟气温度降低至酸露点以下，冷凝酸液附着在飞灰上，形成具有一定粘性的沉积物沉积在空预器表面，造成空预器积灰和结垢。

（4）生成硫酸氢铵

在空预器中，当烟气温度冷却至177～215℃时，SCR反应器中未反应的NH3与SO3发生反应生成硫酸氢铵。硫酸氢铵是一种粘性很强并具有较强腐蚀性的物质，硫酸氢铵的粘性造成大量飞灰沉积在空预器表面引起空预器堵塞，增加空预器的阻力，增加引风机的功率消耗，严重时甚至迫使机组停炉以清理空预器。

3碱基喷吹脱除SO3技术

目前各国学者都在研究SO3控制技术，总结起来有掺烧低硫煤、碱基喷吹、静电除尘器前烟气增湿、WESP。国外运用比较广泛的是碱基喷吹技术，根据SO3产生的位置碱基喷吹可选择在炉内、SCR入口、SCR出口或空预器入口位置。

碱基吸收剂可以是粉末也可以是液体，两者脱除SO3的原理大致相同，但是脱除效果存在差别。

用于干法脱除SO3的碱基颗粒粒径一般为20~150μm；用于湿法的碱基溶液通过喷嘴雾化后粒径可以达到10μm，这大大提高了吸收剂的比表面积，使得碱基能够均匀的分布于烟气流中，促进与SO3的混合，极大地提高了SO3脱除效率。同时，实际运行效果表明直接喷射粉末很容易造成固化和粘接，不利于脱除反应的进行，导致碱基与SO3摩尔比大大高于反应当量，导致干法脱除SO3效率远低于湿法技术。因此，在工程应用中推荐采用湿法碱基喷吹技术脱除SO3。

4工艺介绍

4.1工艺原理

湿法碱基喷吹的工艺方法是采用碱金属盐，通过溶解送至烟道，与烟气充分混合后发生反应，脱除烟气中的SO3，达到前端脱除SO3的目的。

采用的碱基包括碳酸钠、亚硫酸钠或亚硫酸氢钠，常规工况下烟气的温度反应区间为300~400℃，吸收剂直接采用液体的形式通过雾化喷嘴喷入，在该烟温下雾化的液滴干燥时间为0.1s，最终碱性小颗粒能达到10μm左右。以碳酸钠作为碱基为例，具体反应过程如下：

首先，碳酸钠与SO2在烟气流中发生反应：

Na2CO3+2SO2+H2O→2NaHSO3+CO2

Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2

接着亚硫酸钠作为SO3的吸收剂发生反应脱除SO3。当反应物过量时，将会生成硫酸钠。

Na2SO3+SO3→Na2SO4+SO2

当喷射的反应物大大少于SO3，硫酸钠会继续和SO3反应生成硫酸氢钠。

Na2SO4+SO3+H2O→2NaHSO4

碳酸钠溶液通过雾化喷头喷入烟道，水分在距离喷射点很短的距离内被蒸发。在干燥的短时间内发生了一些重要的液相反应，大多数SO3的去除是与干燥的颗粒发生的固相反应。吸收的颗粒十分细小，反应活性很高，被CO2、SO2、H2O包裹着产生的效果如同“爆米花”效应，干燥的反应物随粉尘在ESP中除去。

4.2吸收剂选择

（1）类型与用量

钠基盐有Na2CO3、NaHCO3、天然碱（Na2CO3、NaHCO3）、倍半碳酸钠（Na2CO3•NaHCO3•2H2O）等，钙基盐有CaO、Ca(OH)2等；镁基盐有MgO、Mg(OH)2。碱性不同，摩尔比也不同。例如采用干式脱除三氧化硫喷吹碱性颗粒摩尔比，SO3与Mg(OH)2、NaHCO3、Ca(OH)2、倍半碳酸钠摩尔比分别为1:3、1:5、1:8、1:6。而喷射液态摩尔比则是1:（1~1.5）。吸收剂用量除了考虑类型外还应考虑烟气的烟气量以及SO3的去除率，同时还与锅炉的运行负荷有关。

（2）粒径

粉末状吸收剂的粒径一般在40~100μm之间，较液态吸收剂粒径大，若粒径较大，将会导致吸收剂在烟道内的分布不均，影响吸收剂对SO3的吸收，降低对SO3的去除效率，从而增加运行成本。

（3）停留时间

吸收剂在烟道的停留时间取决于烟气流速、烟道尺寸等。喷射液体的反应停留时间最低控制在1s，以保证SO3足够的去除效率，同时避免和空预器间的不必要的化学反应和副反应。过长的停留时间也会导致副反应的产生生成硫酸氢钠，对空预器产生不利影响。

4.3喷吹位置

喷吹位置的不同会带来不同的脱除效果，一般推荐在SCR出口喷吹，但是当SCR到空预器之间反应停留时间不充足时，可在SCR上游设喷射点。一般推荐的喷吹点还有空预器后，或者炉内喷射。

（1）炉内喷射

通过向炉内喷射碱性吸收剂，如Mg(OH)2，可有效脱除燃烧过程中产生的SO3。在炉膛上部喷入Mg(OH)2浆液，浆液迅速蒸发变成MgO颗粒，然后与SO3反应生成MgSO4。美国Gavin电厂长期的现场运行数据表明，当Mg/SO3摩尔比为7时，SO3的脱除效率可达90%。炉内喷镁技术可有效地脱除燃烧过程中产生的SO3，降低SCR反应器入口烟气中SO3的浓度，避免在低负荷运行时产生硫铵盐，可拓宽SCR运行温度窗口，使SCR在低负荷下运行。

（2）空预器前

在炉后烟气中喷入碱性吸收剂可有效降低SO3的浓度，碱性吸收剂主要有：MgO、NaHSO3、Na2CO3、天然碱等，喷入位置一般在省煤器或SCR之间。当Na/SO3比在1.5~2.0时，去除率可达90%~98%，并且Na盐起到了类似SO3调节飞灰比电阻的作用，可提高静电除尘器的效率。

研究发现，在空预器前喷入碱性吸收剂脱除烟气中的SO3，可以减少硫酸氢铵的生成，避免空预器的堵塞；降低酸露点，降低空预器出口的烟气温度，提高锅炉的热效率；降低尾部受热面的腐蚀，减少设备的维护。

（3）空预器后

通过在空预器与静电除尘器之间喷入Ca(OH)2、NaHCO3等碱性吸收剂脱除烟气中的SO3，但该技术需要高的吸收剂喷射量才能达到较高的SO3脱除效率，同时，钙基吸收剂增加了飞灰的比电阻，降低了电除尘器的效率。

4.4喷射单元

（1）喷枪与喷嘴

在喷射液态吸收剂时，确保喷枪雾化效果好，保证吸收剂能够均匀分布到烟道中。建议根据烟道内烟气气流组织CFD模拟来确定喷枪和喷嘴的最佳位置。

同时相邻喷嘴间的距离、喷嘴与烟道内壁上、下、左、右四个壁面的距离、相邻主喷嘴的距离、喷嘴与水平面的夹角等对喷射的影响都应考虑到。

喷嘴需要根据实际情况调整主喷嘴的组数，每组主喷嘴的个数、主喷嘴中小喷嘴的个数及出口流速，提高喷嘴流速可增加吸收剂分布的均匀度，但这样不仅会增加喷嘴的耗气量，降低烟气温度，提高空压机的功率，增加能耗，同时也会加大吸收剂对喷嘴的磨损，缩短喷嘴的使用寿命，喷嘴数量、布置角度及出口流速的选择应保证吸收剂与烟气的均匀混合，同时尽量减小烟道阻力。

图2典型CFD仿真模拟

（2）增强措施

采取适当的措施可以增强吸收剂在烟道中分布的均匀度。流体调节装置的设计，比如导流板，均质器，分配器等。如设置扰流板增加混合度；设置防磨板减小烟气对喷嘴的磨损，并优化调整，最大限度减小烟道阻力。

5结论

现有的燃煤机组普遍存在一定量的SO3，带来一系列的问题，包括脱硝催化剂失活、催化剂磨损、空气预热器堵塞等，由于上述问题的存在，导致SCR脱硝装置效率下降，电厂能耗升高，并影响燃煤机组的正常运行。

采用湿法碱基喷吹技术，根据CFD仿真模拟结果，在特定区域向烟道中喷射碱基溶液，可以有效脱除烟气中的SO3，实现90%以上的脱除效率，大幅降低催化剂连续喷氨的运行温度，实现脱硝装置的全负荷运行。同时还能减少空预器硫酸氢铵结晶的风险，降低了烟囱出口形成蓝羽的可能性。本技术已成功应用于国外多个电厂，建议国内电厂推广使用。

参考文献

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作者简介

吴永杰（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为大气污染控制技术。