劉興傳，郭力強(qiáng)

（1.山西潞光發(fā)電有限公司，山西 長(zhǎng)治 046699；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

我國(guó)煤炭硫分含量變化范圍較大，從0.1～10%不等[1]，多數(shù)煤種平均含硫率超過1.0%[2]。煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生大量的SO2，少部分SO2被氧化為SO3。SO3經(jīng)過濕法煙氣脫硫以后，以H2SO4氣溶膠的形式從煙囪排出，產(chǎn)生藍(lán)煙現(xiàn)象。

某電廠安裝8臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組，其中1～3號(hào)機(jī)組均為350 MW，煙氣采用靜電除塵、石灰石—石膏濕法脫硫、選擇性催化還原法SCR（selective catalytic reduction） 脫硝工藝。1～3號(hào)機(jī)組共用1號(hào)煙囪。這3臺(tái)機(jī)組燃煤硫分較高，在1.6～2.1%之間，藍(lán)煙現(xiàn)象明顯。

1 產(chǎn)生藍(lán)煙的原因

1.1 SO2的生成

煤炭中的全硫包括有機(jī)硫、硫鐵礦、單質(zhì)硫和硫酸鹽，前三部分為可燃硫，燃燒后生成二氧化硫，硫酸鹽為不可燃硫，列入灰分。通常情況下，可燃硫占全硫分的比例為70～90%[3]?？扇剂蛟谌紵^程中被氧化為SO2，其化學(xué)反應(yīng)式為

1.2 SO2向SO3的轉(zhuǎn)化

SO2在催化劑和高溫的條件下被氧化為SO3，其化學(xué)反應(yīng)式為

SO2的催化氧化包括以下三部分。

1.2.1 在省煤器的氧化

Hardman等人的研究認(rèn)為：在鍋爐省煤器420～600℃的溫度范圍，部分SO2在煙塵和管壁中氧化鐵的催化作用下生成SO3。SO3生成的多少取決于SO2的濃度、煙塵成分和流量、對(duì)流段的表面積、煙氣和管道表面的溫度分布以及過?？諝饬康萚4]。

1.2.2 在鍋爐管壁的氧化

SO2在鍋爐管壁上積灰的催化作用下，與原子態(tài)氧（O）和分子態(tài)氧（O2）反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為SO3。以上兩部分SO2轉(zhuǎn)化為SO3主要發(fā)生在輻射受熱段和對(duì)流段，可稱為前期轉(zhuǎn)化率，大約占SO2總量的1%。

1.2.3 SCR脫硝反應(yīng)器的催化氧化

燃煤電廠大多采用SCR技術(shù)來控制NOx的排放。SCR中使用 V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性組分的催化劑，其中的V2O5對(duì)SO2向SO3的轉(zhuǎn)化起到了催化作用。一般來說，每層催化劑對(duì)SO2的轉(zhuǎn)化率約為0.25～0.5%，在脫硝反應(yīng)段，煙氣溫度越高，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率也越高。對(duì)于低硫無煙煤而言，每層催化劑SO2/SO3轉(zhuǎn)化率約為0.75～1.25%[5]。這部分的轉(zhuǎn)化率可稱為后期轉(zhuǎn)化率。

1.3 SO3轉(zhuǎn)化率測(cè)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

研究表明：部分SO3會(huì)隨煙塵一起沉降下來，空氣預(yù)熱器和靜電除塵器對(duì)SO3的脫除率均為10～15%。在濕法脫硫塔中，部分SO3會(huì)變成H2SO4氣溶膠進(jìn)入脫硫漿液中，這部分SO3會(huì)占到30～40%。空氣預(yù)熱器、靜電除塵器和濕法脫硫三者對(duì)SO3的共同脫除率在45%左右。

某電廠SCR裝有3層釩—鎢系催化劑，2016年1月28日監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)2號(hào)機(jī)組脫硫入口SO2濃度和脫硫出口SO3濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 2016年1月28日2號(hào)機(jī)組測(cè)定結(jié)果

圖1 入口SO2濃度和SO3濃度及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

空氣預(yù)熱器、靜電除塵器和濕法脫硫三者對(duì)SO3的共同脫除率按45%計(jì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該機(jī)組SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率大約在2.05～2.19%。

1.4 H2SO4氣溶膠的生成

SO3有三種相態(tài)，一般認(rèn)為SO3在常溫下是液體，標(biāo)況下是固體，加熱后是氣體。在石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)，煙氣溫度一般在45℃以上，SO3是無色氣體，但經(jīng)過濕法脫硫與水結(jié)合后形成硫酸（H2SO4），煙氣中亞微米粉塵顆粒，作為H2SO4的凝結(jié)中心，加強(qiáng)了凝結(jié)過程，形成氣溶膠?；瘜W(xué)方程式為

H2SO4氣溶膠對(duì)光線產(chǎn)生散射，符合瑞利(Rayleigh)散射。瑞利散射的特點(diǎn)是：散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，所以太陽光譜中波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光散射更明顯，而短波中又以藍(lán)光能量最高，使得煙囪在陽光照射的反射側(cè)排煙的煙羽呈現(xiàn)藍(lán)色，而在煙羽的另一側(cè)（透射側(cè)）呈現(xiàn)黃色，藍(lán)煙/黃煙實(shí)際上是一個(gè)問題。而NOx排放濃度高的電廠在安裝脫硝裝置前出現(xiàn)黃煙現(xiàn)象是由NO2引起的，與此有本質(zhì)區(qū)別。

需要說明的是：即使?jié)穹摿蛳到y(tǒng)安裝有煙氣—煙氣再熱器GGH（gas-gas heater），排煙溫度相對(duì)較高，但煙氣中大部分H2SO4仍然保持蒸汽狀態(tài)，仍會(huì)出現(xiàn)藍(lán)煙。

2 可見藍(lán)煙的SO3濃度

在大多數(shù)情況下，當(dāng)煙氣中H2SO4氣溶膠的濃度超過10 ppm（對(duì)應(yīng)SO3的濃度為35.7 mg/m3）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)可見的藍(lán)煙/黃煙煙羽，且硫酸氣溶膠的濃度越高，煙羽的顏色越濃、煙羽的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可以落地[6]。

該廠1號(hào)煙囪SO3排放濃度一般在60 mg/m3以上，藍(lán)煙非常明顯，且煙羽很長(zhǎng)。

3 判定生成藍(lán)煙數(shù)學(xué)模型

根據(jù)燃煤量、硫分可以對(duì)采用SCR脫硝、濕法脫硫的燃煤電廠是否產(chǎn)生藍(lán)煙進(jìn)行判定。

3.1 燃煤理論煙氣量

燃煤理論煙氣量的公式

式中：Vg——單位燃料理論干煙氣量，m3/kg;CC、CS、CN——燃煤中碳、硫、氮的含量，%;

L——理論空氣量，m3/kg，L=0.241 3Q+0.5;Q——低位發(fā)熱量，MJ/kg。

3.2 SO2產(chǎn)生量計(jì)算

燃煤SO2產(chǎn)生量可按公式（2） 計(jì)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，在此按污染減排核查算法取值0.85；

CSO2——SO2產(chǎn)生濃度，mg/m3。

3.3 SO3濃度的計(jì)算

由1.2.3可得公式（4）

式中：CSO3——SO3的濃度；

a——SO2前期轉(zhuǎn)化率，取值1%；

k——每層催化劑的轉(zhuǎn)化率，取值0.5%；

n——SCR脫硝催化劑層數(shù)；

80——SO3的摩爾質(zhì)量，g/mol；

64——SO2的摩爾質(zhì)量，g/mol。

3.4 SO3濃度與燃煤硫分的關(guān)系

由以上論述和公式可知，SO3是由SO2部分氧化產(chǎn)生的，而SO2的濃度與燃煤硫分、燃煤發(fā)熱量等因素有關(guān)。下面以低位發(fā)熱量為20.9 MJ/kg的燃煤為例，對(duì)SO3的排放濃度進(jìn)行推導(dǎo)。

由公式（1）可知：對(duì)于低位發(fā)熱量為20.9 MJ/kg、碳含量70%、燃煤硫分1%、氮含量1%的燃煤，每千克燃煤的理論煙氣量為5.702 9 m3。

由公式（2） 可知：每千克硫分為1%的燃煤產(chǎn)生SO2的量是17 g。

按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 13223—2011）[7]的要求，煙氣量需折算到氧量為6%，即過?？諝庀禂?shù)為

在此條件下，每千克燃煤的煙氣量

V=1.4×5.702 9=7.984 1 m3

所以，燃煤硫分1%對(duì)應(yīng)的SO2產(chǎn)生濃度為

CSO2=17×1 000÷7.984 1=2 129 mg/m3

對(duì)于采用SCR脫硝裝有3層催化劑的情況

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

對(duì)于靜電除塵、濕法脫硫的情況而言，SO3的去除率一般為45%左右。燃煤硫分1%對(duì)應(yīng)的SO3排放濃度為

而當(dāng)煙氣中H2SO4氣溶膠的濃度超過10 ppm（對(duì)應(yīng)SO3的濃度為35.7 mg/m3）時(shí)，極有可能出現(xiàn)藍(lán)煙。由此，可得出SO3排放濃度的數(shù)學(xué)模型

S/[0.0186 7C+0.7S+0.8N+0.190 6Q+0.395]最終得到數(shù)學(xué)模型

對(duì)于低位發(fā)熱量為20.9 MJ/kg、碳含量70%、氮含量1%的燃煤，式（6） 可以簡(jiǎn)化為

由此得出，燃煤硫分高于1%極有可能出現(xiàn)藍(lán)煙，硫分越高藍(lán)煙越濃、煙羽越長(zhǎng)。

某電廠1號(hào)煙囪機(jī)組燃煤硫分在1.6～2.1%，藍(lán)煙明顯；2號(hào)煙囪機(jī)組燃煤硫分在1.0～1.3%，藍(lán)煙輕微；3號(hào)煙囪機(jī)組燃煤硫分在0.8～1.1%，很少出現(xiàn)藍(lán)煙。

4 藍(lán)煙的危害

由于藍(lán)煙中的硫酸濃度只有ppm數(shù)量級(jí)，經(jīng)大氣稀釋后，沒有證據(jù)發(fā)現(xiàn)低濃度的硫酸氣溶膠對(duì)人體有害。但是硫酸氣溶膠和煙氣及大氣中的金屬微粒相結(jié)合，形成可吸入物，這些可吸入物對(duì)人體的毒害非常強(qiáng)，是目前關(guān)注的重點(diǎn)。

SO3對(duì)設(shè)備的危害是明顯的，包括兩方面：一是可以造成煙道設(shè)備的低溫酸性腐蝕，二是和脫硝逃逸的氨反應(yīng)生成NH4HSO4，即發(fā)生硫酸氫氨ABS(ammonium bisulfate)現(xiàn)象，造成空氣預(yù)熱器堵塞，或者引起電除塵器性能下降。

上海、浙江等省市已將消除有色煙羽寫入地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

5 SO3的去除

SO3去除技術(shù)主要包括降低燃煤硫分、爐內(nèi)噴堿性物質(zhì)、爐后噴堿性物質(zhì)、脫硝催化劑配比的調(diào)整、除塵器前噴氨、裝低溫省煤器、采用濕式靜電除塵器等，現(xiàn)對(duì)4種方法作簡(jiǎn)要介紹。

5.1 爐內(nèi)噴堿性物質(zhì)

在爐膛中噴入堿性物質(zhì)已被證明是有效的減排SO3的措施。如爐內(nèi)噴鈣技術(shù)，既可脫除部分SO2、防止SCR的砷中毒，又可有效控制SO3，SO3脫除率最高可達(dá)50%。

5.2 爐后噴堿性物質(zhì)

在爐后噴入堿性物質(zhì)既可減少SO3對(duì)空預(yù)器的腐蝕，又能有效降低SO3排放。一般來說，要控制SO3的排放，堿性物質(zhì)的噴入位置應(yīng)設(shè)置在空預(yù)器之后。但對(duì)于存在空預(yù)器低溫腐蝕的機(jī)組，應(yīng)把吸收劑的噴入點(diǎn)選在空預(yù)器的上游，且應(yīng)加裝必要的空預(yù)器清洗裝置。如在除塵器前噴入堿性吸收劑，則必須考慮對(duì)除塵器產(chǎn)生的影響，如除塵器入口煙塵濃度的增加、煙塵比電阻的變化等。典型的循環(huán)流化床鍋爐CFB（circulating fluidized bed boiler） 和增濕循環(huán)灰脫硫技術(shù)NID（new integrated deswlfurization） 工藝，對(duì)SO3脫除率可達(dá) 80～90%[6]。

5.3 裝低溫省煤器

在除塵之前安裝低溫省煤器具有明顯的節(jié)約能源和水資源、減少煙氣量、提高除塵和脫硫效率的作用，已經(jīng)在火電廠得到較為廣泛的應(yīng)用。

其降低SO3的效果也很好，有報(bào)道其對(duì)SO3的脫除效率達(dá)到95%[7]。其原理是：隨著煙溫降低，大部分SO3可凝結(jié)并被煙塵吸附，在除塵器隨煙塵被去除。

5.4 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器WESP（wet electro static precipitator） 能有效地收集亞微米顆粒和酸霧。WESP可以設(shè)計(jì)成立式或臥式的，收集表面可以是管式或平板式。管式WESP的占地面積較小，效率一般比平板式高。WESP可與濕式脫硫塔集成在一起，收集從脫硫塔逃逸出來的細(xì)小硫酸霧滴，其對(duì)SO3的脫除率達(dá)80%以上。

6 推薦的去除藍(lán)煙工藝

2014年9月，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局三部委聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，燃煤電廠全面實(shí)施超低排放改造。

為滿足節(jié)能和環(huán)保的雙重要求，低溫省煤器和WESP被大量采用。低溫省煤器具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，WESP具有去除多種污染物的優(yōu)勢(shì)，這兩種工藝，是重點(diǎn)推薦的去除SO3的工藝。

7 結(jié)束語

燃煤電廠的藍(lán)煙現(xiàn)象直接由H2SO4氣溶膠引起，間接由SO3濃度高造成。

本文推導(dǎo)的SO3排放濃度數(shù)學(xué)模型是在特定條件下得出的，在實(shí)際應(yīng)用中吻合度很高，可以作為類似煙氣處理工藝的電廠燃煤硫分是否出現(xiàn)藍(lán)煙的判定。

藍(lán)煙可以通過多種方法去除，在實(shí)際處理時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，合理選擇處理工藝；低溫省煤器和濕式電除塵器是重點(diǎn)推薦的去除工藝。