燃煤電站煙氣中SO3對機組運行的影響及對策研究

胡宇峰，薛建明

(國電科學技術研究院，江蘇南京 210023)

燃煤電站煙氣中SO3對機組運行的影響及對策研究

胡宇峰，薛建明

(國電科學技術研究院，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)投運后，煙氣中的SO3濃度會有所提升，嚴重時會對下游設備造成結垢、腐蝕和阻塞。從安全、穩(wěn)定和效率的角度分析了SO3對機組產生的主要影響，并針對這些影響提出了SO3治理方向，為SO3的治理提供解決思路。

燃煤煙氣;SO3;機組運行;SO3治理

0 引言

燃煤電廠運行過程中，煙氣中會有少量的SO3生成，煤中所含硫的多少對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，而高含硫煤可使SO3達到30～40μL/L甚至更高。隨著環(huán)保標準的日益嚴格，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)等污染物控制設施，對煤燃燒過程中產生的NOx、煙塵、SO2等常規(guī)污染物進行了有效的脫除，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排放會造成“藍羽”問題，并對環(huán)境造成損害，而從運行角度來看，煙氣中的SO3會導致酸露點升高，造成空氣預熱器等設備腐蝕、積灰、堵塞。無論是從環(huán)保角度，還是從安全穩(wěn)定與性能角度，都應對燃煤煙氣中的SO3引起足夠的重視。

1 燃煤煙氣中SO3產生

燃煤電站煙氣中SO3主要來自兩方面:一是煤燃燒過程中形成，煤中可燃性硫燃燒生成SO2，部分SO2進一步氧化成SO3;二是催化形成，在省煤器和SCR脫硝過程中，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 煤燃燒過程中形成SO3

煤中硫大部分在燃燒過程中生成SO2，約0.5%～2%的SO2進一步被氧化成SO3。燃燒過程中產生的SO3的量受鍋爐類型、燃燒條件、煤中硫含量、過量空氣系數等多種因素影響。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提升SO3生成率［1］。

圖1 燃煤硫分與煙氣中SO3濃度關系

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反應生成SO3，這取決于SO2濃度、飛灰濃度及組成、對流受熱面面積、煙氣及管壁溫度分布、過量空氣系數、煙氣含濕量［2］等因素。測試結果表明，通過爐膛吹掃可將煙氣中的SO3濃度降低，進一步證明了管壁積灰對SO2的催化氧化作用。

V2O5/TiO2催化劑廣泛應用于燃煤電站鍋爐SCR煙氣脫硝過程，而V2O5對SO2的氧化具有催化作用［3-4］，其在脫除煙氣中NOx的同時，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對機組運行的影響

2.1 對煙氣露點的影響

SO3對煙氣露點有很大的影響［6］，圖3表示的是煙氣露點溫度隨SO3濃度變化的曲線，如圖所示，酸露點在95～150℃之間。當煙氣溫度低于酸露點時，SO3易與煙氣中的H2O反應生成氣態(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，酸露點可增加5到10℃。通常情況下，空氣預熱器煙氣出口溫度維持在高于酸露點有一定的余量，允許一些空氣滲入而不影響下游設備或管道。SCR投入運行會抵消這部分余量，隨著運行時間的增長，空氣滲入增加，氣流后端的部件腐蝕風險也會上升。

圖3 酸露點與SO3濃度的關系

2.2 對SCR的影響

在溫度范圍為275～350℃［7］，SCR反應器中SO3可與NH3發(fā)生反應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)。當機組處于低負荷運行時，SCR反應器內的溫度降低，產生的硫酸氫銨會在催化劑孔隙中沉積，降低催化劑的表面積，覆蓋SCR反應的活性位，從而導致催化劑失活。為了降低硫酸氫銨的形成量，SCR必須在MOT溫度以上運行。在MOT溫度以下運行時，會引起SCR催化劑堵塞。

圖4 機組運行負荷對硫酸氫銨形成的影響

當沉積量不高時，這種過程是可逆的，運行溫度提升到露點以上就能促進硫酸氫銨蒸發(fā)，恢復催化劑活性［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高溫恢復期(375～400℃［9］);對于國內的機組，達到去除硫酸氫銨所需的恢復溫度的條件受到了多方面限制。此外，恢復期的長短取決于SCR在MOT以下運行的時間、SO3濃度和恢復期的運行溫度。如果運行溫度長期低于其露點，會導致催化劑中出現大量的飛灰粘結堆積現象，尤其在機組連續(xù)低負荷運行時，催化劑阻力增加迅速，出現催化劑阻塞，影響機組安全運行。

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

2.3 SO3對空預器的影響

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

圖5 SO3、NH3濃度與存在形態(tài)的關系

由于硫酸氫銨捕捉飛灰能力極強，會與煙氣中的飛灰粒子相結合，形成具有一定粘性的沉積物沉積在空氣預熱器表面，增加空氣預熱器的阻力，增加引風機的功率消耗，嚴重時甚至迫使機組停爐清理空氣預熱器。國電集團對機組運行進行統(tǒng)計結果顯示，在300MW機組中空預器壓力損失大于2kPa的占30%，空預器壓力損失為1.2～2kPa的占35%，空預器壓力損失小于 1.2kPa的占 35%。在600MW機組中空預器壓力損失大于2kPa的占34%，空預器壓力損失為1.2～2kPa的占45%，空預器壓力損失小于1.2kPa的占21%。大部分機組空預器壓力損失高于1.2kPa。

按照600MW機組空氣預熱器堵塞導致煙氣側阻力增加了1.5kPa，一次風側、二次風側阻力增加了0.5kPa計算，在煙氣量為2000000m3/h，風量2200t/h，利用小時數為5000h，單臺機組3大風機年損失約310萬元(電費按0.35元/kW·h計)。

空預器阻塞引起風量和效率的下降，會降低系統(tǒng)最大負荷，按照通常一年600h的滿負荷運行時間計算，由于不能滿負荷發(fā)電引起的電費收入損失約1050萬元。過于嚴重的空預器阻塞還有可能造成風機喘震和失速［10］。

硫酸氫銨在空預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，粘附在空預器內壁的換熱元件上，對壁面產生酸腐蝕，如果SO3濃度過高，過量的SO3會在空預器的冷端濃縮成酸霧，當酸凝結發(fā)生時，空氣加熱器結垢變得嚴重，所形成的沉積物是濕的或粘的，加劇換熱元件的腐蝕。

實際運行經驗表明，空氣預熱器因SO3腐蝕和堵塞的主要因素，造成空氣預熱器阻力增加，甚至危機機組安全運行。

2.4 對除塵器的影響

除塵器的運行溫度在酸露點以下，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，這為硫酸霧的凝結附著提供了良好的條件。對于布袋除塵器，如果SO3濃度過高，隨著SO3在濾餅上的沉積，濾餅變得更具粘性，難以清除;而對于電除塵器，在SO3濃度較低時，由于SO3的冷凝大幅度降低粉塵的比電阻［11］，避免反電暈現象，可提高除塵效率，在SO3濃度較高時，則會引起芒刺線等處出現不同程度的集灰現象。

3 對策研究

控制煙氣中的SO3不僅是滿足環(huán)保排放的需求，更是為機組的安全、高效、穩(wěn)定運行提供保障。在可能的條件下，應盡可能在煙氣的上游降低SO3含量，可減少對下游設備運行的影響。一般情況下，在全部燃燒低硫煤較為困難時，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/爐后噴射堿性吸收劑的方法，根據噴入吸收劑的形態(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，并且緩解爐膛內壁結渣，但是對SCR增加的SO3濃度則無法控制;在SCR出口噴入MgO干粉或NaHSO3溶液等堿性吸收劑可減少空預器內硫酸氫銨的沉積，避免空氣預熱器的堵塞;降低酸露點，降低空預熱器出口煙氣溫度，提高鍋爐熱效率，減少尾部受熱面的腐蝕。

為了維護機組穩(wěn)定運行，噴入吸收劑應選在爐膛上部、SCR前或空預器前。脫除SO3的關鍵是吸收劑與煙氣均勻地混合，但是大多數機組由于空間和管道限制，在設計面臨較大挑戰(zhàn)。SO3的脫除方式和吸收劑的選擇需要根據機組運行情況來決定，對于需要拓寬SCR運行溫度窗口，提升SCR的負荷適應性的機組，應選擇在SCR入口前脫除SO3;如果主要針對空預器運行狀況改善，可從選擇在空預器前脫除SO3;由于鈣基吸收劑增加了飛灰的比電阻，因此，在靜電除塵器運行不佳的電廠不應使用鈣基吸收劑。

4 結語

燃煤電廠煙氣中含有少量的 SO3，隨著國內SCR“超低排放”改造的實施，煙氣中SO3的濃度會有更大幅度的增加，由此引發(fā)的設備腐蝕、堵塞等問題也將更加嚴重?？刂茻煔庵械腟O3不僅是環(huán)境保護的要求，更是機組安全、穩(wěn)定、高效運行的要求。堿性吸收劑噴射技術可有效脫除煙氣中SO3，應根據電廠的實際情況，選擇適合的噴入位置和吸收劑，減少設備的腐蝕、積灰和堵塞，可降低空氣預熱器出口煙氣溫度，減少風機運行功耗，提高機組熱效率。

［1］樓清剛.煤燃燒過程中SO3生成的試驗研究［J］.能源工程，2008(6):46-49.

［2］Fleig D，Alzueta M U，Normann F，et al.Measurement and modeling of sulfur trioxide formation in a flow reactor under post-flame conditions［J］.Combustion and Flame，2013，160(6):1142-1151.

［3］劉亞明，束航，徐齊勝，等.SCR脫硝過程中SO2催化氧化的原位紅外研究［J］.燃料化學學報，2015(8):1018-1024.

［4］Svachula J，Alemany L J，Ferlazzo N，et al.Oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide over honeycomb DeNOxing catalysts［J］.Industrial＆Engineering Chemistry Research，1993，32(5):826-834.

［5］Himes R.Summary of selective catalytic reduction system operational issues at low load［R］.Technical Update，2010.

［6］李彥，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O對煙氣露點溫度影響的研究［J］.環(huán)境科學學報，1997(1):127-131.

［7］朱崇兵，金保升，李鋒，等.SO2氧化對SCR法煙氣脫硝的影響［J］.鍋爐技術，2008(3):68-72.

［8］馬雙忱，金鑫，孫云雪，等.SCR煙氣脫硝過程硫酸氫銨的生成機理與控制［J］.熱力發(fā)電，2010，39(8):12-17.

［9］束航，張玉華，范紅梅，等.SCR脫硝中催化劑表面NH4HSO4生成及分解的原位紅外研究［J］.化工學報，2015，66(11): 4460-4468.

［10］鄔東立，王潔，張國鑫，等.660 MW SCR脫硝機組空預器堵塞原因分析及對策［J］.浙江電力，2014(3):46-50.

［11］齊立強，原永濤，史亞微.燃煤煙氣中的SO3對微細顆粒物電除塵特性的影響［J］.動力工程學報，2011(7):539-543.

［12］Wang Z，Huan Q，Qi C，et al.Study on the Removal of Coal Smoke SO3with CaO［J］.Energy Procedia，2012(14):1911-1917.

［13］Maziuk J.Dry Sorbent Injection of Trona for SOxMitigation［C］.European Conference on Biomedical Optics，2001.

［14］王宏亮，薛建明，許月陽，等.燃煤電站鍋爐煙氣中SO3的生成及控制［J］.電力科技與環(huán)保，2014，30(5):17-20.

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，高級工程師，從事火電廠煙氣凈化技術研發(fā)與工程應用等工作。E-mail:hyf2k@ 163.com

環(huán)保部發(fā)布火電廠污染防治技術政策

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA065401)

國家環(huán)境保護部日前發(fā)布《火電廠污染防治技術政策》，對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開放等方面進行了規(guī)定。

此次發(fā)布的技術政策適用于以煤、煤矸石、泥煤、石油焦及油頁巖等為燃料的火電廠，以油、氣等為燃料的火電廠可參照執(zhí)行，可為火電行業(yè)污染防治規(guī)劃制定、污染物達標排放技術選擇、環(huán)境影響評價和排污許可制度貫徹實施等環(huán)境管理及企業(yè)污染防治工作提供技術支撐。技術政策明確，火電廠污染防治應遵循和提倡源頭控制與末端治理相結合的技術路線;污染防治技術的選擇應因煤制宜、因爐制宜、因地制宜，并統(tǒng)籌兼顧技術先進、經濟合理、便于維護的原則。