燃煤電廠“有色煙羽”形成機(jī)制與煙羽消白技術(shù)研究

關(guān) 昱, 周 洋, 吳 江

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.寶山鋼鐵股份有限公司電廠, 上海 200941)

為了降低煙氣排放污染物對(duì)環(huán)境的污染,燃煤電廠采用了脫硫、除塵、脫硝、脫汞等設(shè)施,有效地控制了顆粒物以及SO2和NOx等污染物的排放。但在煙氣環(huán)保設(shè)施投入運(yùn)行后,部分電廠煙囪出現(xiàn)了“有色煙羽”,產(chǎn)生了視覺污染。

雖然有色煙羽對(duì)周圍環(huán)境沒有造成污染,但這種視覺污染對(duì)居民造成了一定的影響,削弱了公眾對(duì)環(huán)保工作的“安全感”,有時(shí)候被誤認(rèn)為是燃煤電廠排放的煙氣污染物,甚至受到群眾的投訴。2017年是《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》第一階段的收官之年,隨著霧霾天氣在我國(guó)日益頻繁的出現(xiàn),許多燃煤電廠開始把有色煙羽作為環(huán)評(píng)的重要指標(biāo)之一。為此,上海市環(huán)境保護(hù)局頒布了《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求(試行)》[1]。繼上海出臺(tái)相應(yīng)政策之后,浙江、天津等地也相繼出臺(tái)了相應(yīng)的政策措施,其他省份也在加緊制定大氣污染物排放地方標(biāo)準(zhǔn)。即通過采取相應(yīng)技術(shù)降低煙氣排放溫度和含濕量,收集煙氣中過飽和水蒸氣中的水分,減少煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機(jī)物等可凝結(jié)顆粒物的排放,以推進(jìn)石膏雨消除技術(shù)、有色煙羽治理技術(shù)的創(chuàng)新和裝備制造的發(fā)展。

1 燃煤電廠有色煙羽形成的原因

燃煤電廠排放出來的有色煙羽,呈現(xiàn)出黃煙或藍(lán)煙。其原因是:燃煤電廠煙氣排出煙囪時(shí)所形成的硫酸氣溶膠的粒徑與黃光和藍(lán)光的光波長(zhǎng)接近,經(jīng)過散射呈現(xiàn)出黃色和藍(lán)色[2]。煙羽越長(zhǎng),表明其氣溶膠顆粒濃度越高。在燃煤電廠中,大多數(shù)煙氣在排出前經(jīng)過了煙氣濕法脫硫設(shè)備,煙氣通常為飽和的濕煙氣,在直接排放出去后,進(jìn)入溫度較低的空氣環(huán)境中,在溫度的降低過程中,煙氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)形成“煙羽”現(xiàn)象[3-5]。

1.1 燃燒高硫煤的影響

文獻(xiàn)[6]的研究表明,通過不同機(jī)組燃燒不同含硫煤時(shí),煙氣中SO2質(zhì)量濃度越高(即燃煤含硫量越高),煙囪形成有色煙羽的現(xiàn)象越明顯。在生成SO2的同時(shí),SO2被氧化為SO3,SO3進(jìn)而與水蒸氣反應(yīng)生成硫酸霧滴,排放到環(huán)境中造成煙羽。由此可見,SO3是產(chǎn)生煙羽的原因之一。

圖1為SO3控制技術(shù)路線。

圖1 SO3控制技術(shù)路線

燃煤電廠中,SO3來源于兩個(gè)方面:一是在煤的燃燒過程中,煤中含有可燃性硫等,在鍋爐爐膛中燃燒時(shí)生成SO2,部分SO2進(jìn)一步氧化成SO3;二是在選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脫硝過程中,煙氣中部分SO2被SCR催化劑催化氧化為SO3[7-8]。

圖2為酸露點(diǎn)與SO3濃度的關(guān)系。由圖2可以看出,SO3濃度越高,酸露點(diǎn)越高,形成的硫酸氣溶膠顆粒越多,進(jìn)而造成煙羽現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖2 酸露點(diǎn)與SO3濃度的關(guān)系

1.2 脫硝裝置的影響

燃煤電廠火電機(jī)組SCR脫硝催化劑一般為 V2O5/TiO2,在催化還原NOx的同時(shí)會(huì)使一部分SO2氧化生成SO3,提高了煙氣中SO3的生成量和排放量。當(dāng)煙囪出口SO3(包括H2SO4)排放質(zhì)量濃度超過35 mg/m3時(shí),就會(huì)出現(xiàn)明顯的藍(lán)色或黃色煙羽[5]。此外,在空氣預(yù)熱器中,當(dāng)煙氣溫度冷卻至 177～215 ℃時(shí),SCR反應(yīng)器中未反應(yīng)的 NH3與SO3發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨[6],極易造成有色煙羽現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1.3 脫硫塔的影響

煙氣通過脫硫吸收塔后,SO2得到了有效去除,但SO3的體積分?jǐn)?shù)并未顯著下降。在脫硫塔中,當(dāng)溫度降到酸露點(diǎn)以下后,所有SO3全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩犰F滴。對(duì)于大粒徑的霧滴,脫硫塔有較高的捕集效率,但對(duì)于新形成的小粒徑的硫酸霧滴,其捕集效率很低,且小粒徑的硫酸霧滴在脫硫塔中形成的速率高于其被捕捉的速率。當(dāng)脫硫塔出口的SO3體積分?jǐn)?shù)達(dá)到18.2 L/L時(shí),會(huì)出現(xiàn)濃厚的不透明煙羽[9]。

1.4 煙氣再熱裝置的影響

電廠排放煙氣的透明度主要受飛灰顆粒物、液滴和硫酸霧滴的影響。當(dāng)飽和熱煙氣離開煙囪后溫度急劇下降,從而形成白煙[10]。煙氣再熱裝置拆除后,煙氣含濕量增加,水分的存在加強(qiáng)了SO3氣溶膠的凝結(jié),細(xì)微顆粒物的質(zhì)量濃度有所增加,導(dǎo)致有色煙羽現(xiàn)象加劇。

2 燃煤電廠有色煙羽處理的可行技術(shù)

2.1 優(yōu)化摻燒技術(shù)

(1) 煤粉混燒 采用混煤燃燒可以有效降低煤粉燃燒的含硫量,從根本上有效減少SO3的產(chǎn)生,其最直接的辦法就是燃燒低硫煤。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)燃燒溫度、通入風(fēng)量等條件相同時(shí),煤中硫在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨含硫量的增大而提高[11-12],因此燃用低硫煤是降低燃煤煙氣中SO3濃度最有效的方法之一。然而我國(guó)低硫煤數(shù)量較少且價(jià)格較高,難以實(shí)現(xiàn)全部燃燒低硫煤,因此也可以采用摻燒部分低硫煤來降低SO3的生成,進(jìn)而降低SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率。

(2) 生物質(zhì)垃圾混燒 城市中存在許多生物質(zhì)垃圾,目前還沒有一種較為合理的處理辦法,而且在一般遠(yuǎn)離化工企業(yè)的生物質(zhì)垃圾中含硫量較少,因此可以采取一定比例的生物質(zhì)垃圾與煤粉摻燒。這樣,既解決了城市中生物質(zhì)垃圾處理難的問題,又可以減少摻燒過程中SO2的產(chǎn)生,進(jìn)而減少在脫硝過程中轉(zhuǎn)化為SO3的含量,在煙氣排出時(shí)可以有效地降低有色煙羽現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化堿性吸收劑的噴灑方式

(1) 燃燒中噴堿性吸收劑 根據(jù)爐膛運(yùn)行狀況,可以在煤粉燃燒過程中向爐膛內(nèi)特定的溫度區(qū)域噴灑配置好的堿性吸收劑(如氫氧化鈣和氧化鎂等),以起到脫除SO3的效果。美國(guó)電力公司Gavin 電廠在爐膛內(nèi)噴灑鎂脫硫效果明顯,當(dāng)Mg/SO3摩爾比為7時(shí),SO3的脫除率高達(dá)90%左右[13]。

(2) 燃燒后噴堿性吸收劑 與爐內(nèi)噴堿性物質(zhì)相同,在選擇性催化還原裝置后或空氣預(yù)熱器前噴入氫氧化鈣、石灰石、氧化鎂等漿液或粉末,仍可獲得40%～90%的SO3脫除效率。此外,噴堿的種類、數(shù)量、噴入位置等不同,對(duì)SO3的去除效果也不同[14]。通過降低煙囪排放SO3的濃度,可以減弱煙囪的有色煙羽現(xiàn)象。

2.3 優(yōu)化脫硝催化劑

目前,常用的催化劑是以TiO2為載體、V2O5為主要活性成分、WO3為添加劑的催化體系,WO3有助于抑制SO2的轉(zhuǎn)化。通過調(diào)節(jié)活性成分和添加劑的選擇,以及進(jìn)一步開發(fā)低SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的新型脫硝催化劑,可以降低SO3的轉(zhuǎn)化[15]。此外,也可以采用新型的光催化劑,如BiOI,BiOIO3,In2O3/TiO2等[16-20]以降低SO3的轉(zhuǎn)化。

2.4 采取煙氣先冷凝后加熱的方式

在脫硫塔出口設(shè)置煙氣冷卻系統(tǒng)和煙氣加熱系統(tǒng):煙氣冷卻系統(tǒng)吸收脫硫后煙氣的熱量,并送至一次風(fēng)管路及二次風(fēng)管路;煙氣加熱系統(tǒng)吸收脫硫前高溫?zé)煔鉄崃?并送至煙氣冷卻系統(tǒng),使煙氣升溫。通過先冷卻煙氣析出凝結(jié)水,降低濕煙氣比熱,后加熱煙氣的所需熱量減少,進(jìn)而有效消除有色煙羽,同時(shí)降低耗能。

2.5 采用濕式電除塵器

濕式電除塵器的工作原理主要包括靜電收塵和濕式除塵兩部分。在直流高電壓的作用下,金屬放電線產(chǎn)生電暈放電,使周圍氣體電離,煙氣中的粉塵和液滴表面荷電,在電場(chǎng)力的作用下,荷電粒子向收塵極移動(dòng)并富集,采用水膜清灰方式,噴淋水流從收塵板上部流下,并在收塵板上形成一層穩(wěn)定均勻的水膜,水膜向下流動(dòng),將極板上的粉塵帶走,或依靠收集霧滴自流的清灰方式,粉塵隨后沖刷到灰斗中排出[21-25]。相比于其他類型除塵器,濕式電除塵器對(duì)粉塵無(wú)要求,沒有二次揚(yáng)塵,除塵效率高,出口粉塵“近零排放”;同時(shí),還能有效去除SO3氣溶膠、重金屬、有機(jī)污染物及PM2.5,對(duì)控制細(xì)粒粉塵、消除“藍(lán)煙”和“石膏雨”效果良好。

2.6 添加煙氣加熱裝置

當(dāng)煙氣濕度較大時(shí),在排出煙囪后會(huì)凝結(jié)成小液滴,在太陽(yáng)光的照射下,會(huì)出現(xiàn)有色煙羽現(xiàn)象。因此,提高煙氣的溫度,降低煙氣的含濕量,可以有效減少有色煙羽現(xiàn)象。在除塵器至煙囪之間安裝煙氣加熱裝置,在煙氣通過時(shí)將煙氣加熱。這樣可以有效地降低煙氣的濕度,在煙氣排出煙囪時(shí),就會(huì)減弱有色煙羽。

2.7 開發(fā)新型煙羽消除裝置

在煙囪尾部裝設(shè)有色煙羽的消除裝置,可以減弱有色煙羽的存在。裝置可以采用真空集熱管的材料,做出蜂窩結(jié)構(gòu),有利于儲(chǔ)存大量的熱量,同時(shí)新型裝置充有堿性物質(zhì)。這樣,在光的照射下,集熱管可以吸收大量的熱量并儲(chǔ)存起來,在煙氣通過時(shí),將煙氣進(jìn)行加熱,以有效避免煙氣在煙囪出口存在冷凝的現(xiàn)象,同時(shí)可以吸附SO3等酸性氣體,減少氣溶膠的形成。

3 結(jié) 語(yǔ)

有色煙羽是由于SO3和NOx等氣體在濕煙氣中形成氣溶膠排放到環(huán)境中,在太陽(yáng)光的照射下形成的現(xiàn)象。根據(jù)煤種、含硫量等具體情況,可以優(yōu)化摻燒技術(shù)、采用濕式電除塵器、對(duì)煙氣加熱或冷凝以及先冷凝再加熱等技術(shù)、開發(fā)相應(yīng)的消除裝置等,可以有效降低煙羽現(xiàn)象,并具有成本低、運(yùn)行方便等特點(diǎn),應(yīng)用前景良好。