燃煤电厂蓝烟现象的成因、数学模型判定及解决方法

2018-10-10刘兴传郭力强

山西电力 2018年4期

刘兴传，郭力强

（1.山西潞光发电有限公司，山西长治 046699；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

我国煤炭硫分含量变化范围较大，从0.1～10%不等[1]，多数煤种平均含硫率超过1.0%[2]。煤炭在燃烧过程中产生大量的SO2，少部分SO2被氧化为SO3。SO3经过湿法烟气脱硫以后，以H2SO4气溶胶的形式从烟囱排出，产生蓝烟现象。

某电厂安装8台燃煤发电机组，其中1～3号机组均为350 MW，烟气采用静电除尘、石灰石—石膏湿法脱硫、选择性催化还原法SCR（selective catalytic reduction）脱硝工艺。1～3号机组共用1号烟囱。这3台机组燃煤硫分较高，在1.6～2.1%之间，蓝烟现象明显。

1 产生蓝烟的原因

1.1 SO2的生成

煤炭中的全硫包括有机硫、硫铁矿、单质硫和硫酸盐，前三部分为可燃硫，燃烧后生成二氧化硫，硫酸盐为不可燃硫，列入灰分。通常情况下，可燃硫占全硫分的比例为70～90%[3]。可燃硫在燃烧过程中被氧化为SO2，其化学反应式为

1.2 SO2向SO3的转化

SO2在催化剂和高温的条件下被氧化为SO3，其化学反应式为

SO2的催化氧化包括以下三部分。

1.2.1 在省煤器的氧化

Hardman等人的研究认为：在锅炉省煤器420～600℃的温度范围，部分SO2在烟尘和管壁中氧化铁的催化作用下生成SO3。SO3生成的多少取决于SO2的浓度、烟尘成分和流量、对流段的表面积、烟气和管道表面的温度分布以及过剩空气量等[4]。

1.2.2 在锅炉管壁的氧化

SO2在锅炉管壁上积灰的催化作用下，与原子态氧（O）和分子态氧（O2）反应，转化为SO3。以上两部分SO2转化为SO3主要发生在辐射受热段和对流段，可称为前期转化率，大约占SO2总量的1%。

1.2.3 SCR脱硝反应器的催化氧化

燃煤电厂大多采用SCR技术来控制NOx的排放。SCR中使用 V2O5-WO3或V2O5-MoO3为活性组分的催化剂，其中的V2O5对SO2向SO3的转化起到了催化作用。一般来说，每层催化剂对SO2的转化率约为0.25～0.5%，在脱硝反应段，烟气温度越高，SO2/SO3转化率也越高。对于低硫无烟煤而言，每层催化剂SO2/SO3转化率约为0.75～1.25%[5]。这部分的转化率可称为后期转化率。

1.3 SO3转化率测算及试验验证

研究表明：部分SO3会随烟尘一起沉降下来，空气预热器和静电除尘器对SO3的脱除率均为10～15%。在湿法脱硫塔中，部分SO3会变成H2SO4气溶胶进入脱硫浆液中，这部分SO3会占到30～40%。空气预热器、静电除尘器和湿法脱硫三者对SO3的共同脱除率在45%左右。

某电厂SCR装有3层钒—钨系催化剂，2016年1月28日监测机构对2号机组脱硫入口SO2浓度和脱硫出口SO3浓度进行了监测，监测结果见表1。

表1 2016年1月28日2号机组测定结果

图1 入口SO2浓度和SO3浓度及SO2/SO3转化率的关系

空气预热器、静电除尘器和湿法脱硫三者对SO3的共同脱除率按45%计，监测结果表明：该机组SO2/SO3的转化率大约在2.05～2.19%。

1.4 H2SO4气溶胶的生成

SO3有三种相态，一般认为SO3在常温下是液体，标况下是固体，加热后是气体。在石灰石/石膏湿法脱硫系统，烟气温度一般在45℃以上，SO3是无色气体，但经过湿法脱硫与水结合后形成硫酸（H2SO4），烟气中亚微米粉尘颗粒，作为H2SO4的凝结中心，加强了凝结过程，形成气溶胶。化学方程式为

H2SO4气溶胶对光线产生散射，符合瑞利(Rayleigh)散射。瑞利散射的特点是：散射光的强度与波长的四次方成反比，所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长的红光散射更明显，而短波中又以蓝光能量最高，使得烟囱在阳光照射的反射侧排烟的烟羽呈现蓝色，而在烟羽的另一侧（透射侧）呈现黄色，蓝烟/黄烟实际上是一个问题。而NOx排放浓度高的电厂在安装脱硝装置前出现黄烟现象是由NO2引起的，与此有本质区别。

需要说明的是：即使湿法脱硫系统安装有烟气—烟气再热器GGH（gas-gas heater），排烟温度相对较高，但烟气中大部分H2SO4仍然保持蒸汽状态，仍会出现蓝烟。

2 可见蓝烟的SO3浓度

在大多数情况下，当烟气中H2SO4气溶胶的浓度超过10 ppm（对应SO3的浓度为35.7 mg/m3）时，会出现可见的蓝烟/黄烟烟羽，且硫酸气溶胶的浓度越高，烟羽的颜色越浓、烟羽的长度也越长，严重时甚至可以落地[6]。

该厂1号烟囱SO3排放浓度一般在60 mg/m3以上，蓝烟非常明显，且烟羽很长。

3 判定生成蓝烟数学模型

根据燃煤量、硫分可以对采用SCR脱硝、湿法脱硫的燃煤电厂是否产生蓝烟进行判定。

3.1 燃煤理论烟气量

燃煤理论烟气量的公式

式中：Vg——单位燃料理论干烟气量，m3/kg;CC、CS、CN——燃煤中碳、硫、氮的含量，%;

L——理论空气量，m3/kg，L=0.241 3Q+0.5;Q——低位发热量，MJ/kg。

3.2 SO2产生量计算

燃煤SO2产生量可按公式（2）计算

式中：B——燃煤量，kg；

β——燃煤全硫中可燃硫的含量，一般取0.8或0.85，在此按污染减排核查算法取值0.85；

CSO2——SO2产生浓度，mg/m3。

3.3 SO3浓度的计算

由1.2.3可得公式（4）

式中：CSO3——SO3的浓度；

a——SO2前期转化率，取值1%；

k——每层催化剂的转化率，取值0.5%；

n——SCR脱硝催化剂层数；

80——SO3的摩尔质量，g/mol；

64——SO2的摩尔质量，g/mol。

3.4 SO3浓度与燃煤硫分的关系

由以上论述和公式可知，SO3是由SO2部分氧化产生的，而SO2的浓度与燃煤硫分、燃煤发热量等因素有关。下面以低位发热量为20.9 MJ/kg的燃煤为例，对SO3的排放浓度进行推导。

由公式（1）可知：对于低位发热量为20.9 MJ/kg、碳含量70%、燃煤硫分1%、氮含量1%的燃煤，每千克燃煤的理论烟气量为5.702 9 m3。

由公式（2）可知：每千克硫分为1%的燃煤产生SO2的量是17 g。

按照《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）[7]的要求，烟气量需折算到氧量为6%，即过剩空气系数为

在此条件下，每千克燃煤的烟气量

V=1.4×5.702 9=7.984 1 m3

所以，燃煤硫分1%对应的SO2产生浓度为

CSO2=17×1 000÷7.984 1=2 129 mg/m3

对于采用SCR脱硝装有3层催化剂的情况

CSO3=1.25×2 129×（1%+0.005×3）=66.5 mg/m3

对于静电除尘、湿法脱硫的情况而言，SO3的去除率一般为45%左右。燃煤硫分1%对应的SO3排放浓度为

而当烟气中H2SO4气溶胶的浓度超过10 ppm（对应SO3的浓度为35.7 mg/m3）时，极有可能出现蓝烟。由此，可得出SO3排放浓度的数学模型

S/[0.0186 7C+0.7S+0.8N+0.190 6Q+0.395]最终得到数学模型

对于低位发热量为20.9 MJ/kg、碳含量70%、氮含量1%的燃煤，式（6）可以简化为

由此得出，燃煤硫分高于1%极有可能出现蓝烟，硫分越高蓝烟越浓、烟羽越长。

某电厂1号烟囱机组燃煤硫分在1.6～2.1%，蓝烟明显；2号烟囱机组燃煤硫分在1.0～1.3%，蓝烟轻微；3号烟囱机组燃煤硫分在0.8～1.1%，很少出现蓝烟。

4 蓝烟的危害

由于蓝烟中的硫酸浓度只有ppm数量级，经大气稀释后，没有证据发现低浓度的硫酸气溶胶对人体有害。但是硫酸气溶胶和烟气及大气中的金属微粒相结合，形成可吸入物，这些可吸入物对人体的毒害非常强，是目前关注的重点。

SO3对设备的危害是明显的，包括两方面：一是可以造成烟道设备的低温酸性腐蚀，二是和脱硝逃逸的氨反应生成NH4HSO4，即发生硫酸氢氨ABS(ammonium bisulfate)现象，造成空气预热器堵塞，或者引起电除尘器性能下降。

上海、浙江等省市已将消除有色烟羽写入地方环保标准。

5 SO3的去除

SO3去除技术主要包括降低燃煤硫分、炉内喷碱性物质、炉后喷碱性物质、脱硝催化剂配比的调整、除尘器前喷氨、装低温省煤器、采用湿式静电除尘器等，现对4种方法作简要介绍。

5.1 炉内喷碱性物质

在炉膛中喷入碱性物质已被证明是有效的减排SO3的措施。如炉内喷钙技术，既可脱除部分SO2、防止SCR的砷中毒，又可有效控制SO3，SO3脱除率最高可达50%。

5.2 炉后喷碱性物质

在炉后喷入碱性物质既可减少SO3对空预器的腐蚀，又能有效降低SO3排放。一般来说，要控制SO3的排放，碱性物质的喷入位置应设置在空预器之后。但对于存在空预器低温腐蚀的机组，应把吸收剂的喷入点选在空预器的上游，且应加装必要的空预器清洗装置。如在除尘器前喷入碱性吸收剂，则必须考虑对除尘器产生的影响，如除尘器入口烟尘浓度的增加、烟尘比电阻的变化等。典型的循环流化床锅炉CFB（circulating fluidized bed boiler）和增湿循环灰脱硫技术NID（new integrated deswlfurization）工艺，对SO3脱除率可达 80～90%[6]。

5.3 装低温省煤器

在除尘之前安装低温省煤器具有明显的节约能源和水资源、减少烟气量、提高除尘和脱硫效率的作用，已经在火电厂得到较为广泛的应用。

其降低SO3的效果也很好，有报道其对SO3的脱除效率达到95%[7]。其原理是：随着烟温降低，大部分SO3可凝结并被烟尘吸附，在除尘器随烟尘被去除。

5.4 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器WESP（wet electro static precipitator）能有效地收集亚微米颗粒和酸雾。WESP可以设计成立式或卧式的，收集表面可以是管式或平板式。管式WESP的占地面积较小，效率一般比平板式高。WESP可与湿式脱硫塔集成在一起，收集从脱硫塔逃逸出来的细小硫酸雾滴，其对SO3的脱除率达80%以上。