摘要: 煤燃烧过程中产生的SO3 不仅造成了酸性烟雾, 而且排放时会形成蓝色或黄色烟羽, 增加了烟囱排放的烟羽浊度, 破环了景观。近年来, 火电厂烟囱常见的蓝烟/黄烟现象给周边大气环境带来一定的影响。针对部分燃煤电厂在脱硫、脱硝装置投运后, 出现蓝烟/黄烟现象进行了研究, 并提出了可供选择的控制对策和建议。

随着环保法规的日趋严格, 燃煤电厂为了有效地降低烟气中SO2 和NOx 的排放量, 遏制酸雨的蔓延, 纷纷建设了脱硝及脱硫装置。据统计, 截至2010年底, 我国燃煤电厂建设脱硫装置的装机容量超过6亿kW, 其中, 湿法脱硫装置约占90% , 建设SCR /SNCR脱氮装置的装机容量超过5000万kW。但随着脱硫、脱硝装置的建成投运, 燃煤电厂锅炉在燃烧过程中产生的SO3 经过脱硝脱硫后其浓度会有所并以硫酸气溶胶的状态通过烟囱排放, 增加了烟囱排放的烟羽浊度, 不但对公众的健康造成威胁, 而且有色烟羽的排放破环了景观、影响了视觉感受, 给公众带来了很多顾虑。笔者针对燃煤电厂出现可见烟羽蓝烟/黄烟的新环境污染问题, 进行了较为深入的研究分析, 并提出了控制SO3, 消除蓝烟/黄烟烟羽现象的可选技术措施。

1 蓝烟/黄烟可见烟羽

2000年, 在美国电力公司G av in 电厂首次出现蓝烟/黄烟烟羽现象。该厂在总容量为2600MW 的多个机组上安装了SCR 装置和湿法FGD 装置硫后, 烟囱排烟由原来几乎看不到的烟羽, 改变为较为浓厚的蓝色/黄色烟羽, 对电厂的景观产生严重的影响。随着越来越多的SCR 装置和湿法FGD 装置的投运, 我国部分电厂也出现了类似的现象。

1. 1 可见烟羽形成的原因

烟囱排烟出现可见烟羽的主要原因是: 烟囱排出的烟气中含有硫酸的气溶胶; 排出烟气中亚微米颗粒粉尘的存在, 使得H2SO4 以亚微米颗粒粉尘作为凝结中心, 加强了凝结过程; 硫酸气溶胶的粒径非常小, 对光线产生散射; 由于颗粒的尺寸和可见光的波长接近, 属于瑞利散射。瑞利散射的特点是: 散射光的强度与波长的四次方成反比, 因此短波的蓝色光线散射要比长波的红色光线强许多, 最终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)呈现黄褐色。

1. 2 影响烟羽的因素

影响烟羽颜色和不透明度(浊度) 的主要因素是: 气溶胶颗粒粒径的大小和浓度; 太阳光的照射角度; 烟囱的排烟温度; 大气环境条件。

在大多数的情况下, 尤其是H2 SO4 气溶胶、水、亚微米颗粒同时存在时, 凝结是主要的生成机理。烟羽的浊度主要受到烟气中可凝结物和亚微米飞灰浓度的影响。当H2 SO4 浓度较低或中等时, 亚微米烟尘的粒径分布对烟羽的浊度有明显的影响, 主要是由于这些颗粒起到了汽相H2 SO4 凝结中心的作用[ 1] 。因此, 在燃煤电厂建设了满足环保要求的高效除尘器、SCR 脱硝装置和烟气脱硫装置后, 在无法进一步降低亚微米颗粒物排放浓度的情况下, 除由于烟羽中水蒸汽凝结所造成的白色烟羽之外, SO3的排放成为影响烟羽颜色和不透明度最主要的因素。在大多数情况下, 当烟气中硫酸气溶胶的浓度超过10 10- 6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。

2 SO3 的产生及气溶胶的形成

2. 1 SO3 形成的主要途径

SO3 的生成非常复杂, 主要取决于锅炉的燃烧、燃料成分、运行参数、脱硫、脱硝设施运行状况等。燃煤在锅炉炉膛的燃烧过程中, 几乎所有的可燃性硫都被氧化成为气态SO2 和SO3, 其中绝大部分是SO2, 仅有1% ~ 5% 的SO2 会进一步氧化成SO3。在锅炉省煤器420~ 600 的温度范围内, 部分SO2 在氧化铁的催化作用下生成SO3[ 4 ] 。SCR 中以T iO2为载体、V2O5 或V2O5 -WO3、V2O5 - MoO3 为活性组分的催化剂, 既具有较高的脱硝效率, 但同时也促进了SO2 向SO3 的转化, 其转化程度取决于催化剂的配方和SCR的运行工况。一般来说, 对于烟煤每层催化剂SO2 的转化率约为0. 25% ~ 0. 5%, 对于低硫次烟煤每层的转化率约为0. 75% ~ 1. 25% 。因此, 在有2~ 3层催化剂的SCR 系统中, SCR 出口烟气中SO3 的浓度会比入口增加约50%。

2. 2 气溶胶在湿法脱硫中的生成

当含有气态SO3 或H2 SO4 的烟气通过湿法烟气脱硫系统时, 由于烟气被急速冷却到酸露点之下,且这种冷却速率比气态SO3 或H2 SO4 被吸收塔内吸收剂吸收的速率要快得多, 因此, SO3 或H2SO4 不仅不能有效脱除, 而且会快速形成难于捕集的亚微米级的H2 SO4 酸雾[ 2- 3] 。一般来说, 酸雾中颗粒较大的雾滴是可以被吸收塔除去的, 但是对亚微米级的雾滴, 吸收塔则无能为力, 形成的亚微米级的雾滴只能通过烟囱排入大气。

3 烟气中SO3 的潜在危害

3. 1 对环境的影响

目前, 燃煤烟气中所排放的酸性烟雾对人类健康影响的研究尚不够深入, 数据尚还不完整, 但总的来说, 在低浓度的酸性气溶胶的环境中, 对于年青、健康成年人的肺功能影响很小。当H2 SO4 气溶胶与下沉烟羽结合在一起时, 烟囱附近的环境污染浓度明显提高, 结合气象条件和运行工况, 在烟囱邻近区域会出现酸雾, 如这种酸雾持续时间较长, 则会损害建筑物和植被。

3. 2 对机组设备的危害

烟气中SO3 对机组设备的危害主要为低温腐蚀、高温结垢、堵塞设备。SO3 会和烟气中的水蒸汽结合形成硫酸, 在露点温度下凝结并腐蚀金属部件。在600~ 650 的温度区域, SO3 会与氧化金属表面发生催化反应, 生成三硫化铁或亚硫酸盐而结垢。SO3 还会与SCR 脱硝喷入的还原剂NH3 反应形成硫酸盐颗粒, 尤其是( NH4 ) 2 SO4 和NH4HSO4, 这些物质会导致低温设备部件的沾污和堵塞。

4 SO3 的控制和减排对策

4. 1 炉内喷碱性物质

在炉膛中喷入碱性物质可有效减少SO3 排放。如炉内喷钙技术, 既可脱除部分SO2、防止SCR的砷中毒, 又对SO3 的控制也十分有效, SO3 脱除率最高可达90%。此外, 研究表明, 炉内喷射钙基、镁基吸收剂, 可降低炉膛内的SO3 浓度[ 5] 。

4. 2 炉后喷碱性物质

在炉后或省煤器的出口喷入碱性物质既可减少SO3 对空预器的腐蚀, 也可有效地降低SO3 的排放[ 6] 。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, 且加装必要的清洗装置。在除尘器前喷入碱性吸收剂时, 必须考虑对除尘器的影响, 如入口粉尘浓度的增加、粉尘比电阻的变化等。典型CFB 和N ID 工艺对SO3 脱除率可以达80% ~ 90%。

4. 3 采用ROFA技术降低SO3 的生成

ROFA 技术把强湍流和旋转涡流结合起来, 使得炉膛得到更有效的分级燃烧。由于充分的混合和特殊的设计, ROFA 产生的NOx 、CO、未燃碳、氧量和可燃物以及SO3 要比其他的火上风( OFA )系统要低。据统计, ROFA 在不使用任何吸收剂的前提下, 通过对燃烧的调整可以在减少50% 的NOx 的同时, 减少80%的SO3 排放。

4. 4 脱硝催化剂配比的调整

SCR中以T iO2 为载体的催化剂, 具有高的脱硝效率, 且其中的T iO2 具有较强的抗SO2 性能, WO3有助于抑制SO3 的生成, 但V2O5 或V2O5 - WO3、V2O5 - MoO3 能促进SO2 向SO3 的转化。此外,SO2 /SO3 的转换率还与SCR 的面积速度即烟气流速与催化剂的表面积之比有关, 面积速度越大,SO2 /SO3 的转换率越小。因此, 在选择SCR 以T iO2为载体的催化剂时, 可合理调整V 和W 的配比, 适度减小催化剂的壁厚, 在不影响脱硝效果的条件下,可有效控制脱硝阶段的SO3 的生成。

4. 5 除尘器前喷氨

在空预器后和电除尘器之间喷入氨, 一方面可有效地脱除烟气中的SO3, 其脱除率约90%[ 7 ]; 另一方面可对飞灰进行调质, 通过飞灰的凝结来改善ESP的性能。

4. 6 燃料切换和混煤参烧

采用产生SO3较少的次烟煤和烟煤混烧, 降低燃煤硫份, 减少烟气SO2 浓度, 也降低炉膛和SCR中SO2 向SO3 的转化, 次烟煤的高含量碱性灰份也有助于空预器和除尘器中SO3 的捕集[ 8 - 9 ] 。

4. 7 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器(WESP)能有效地收集亚微米颗粒和酸雾[ 10] 。WESP可以设计成立式或卧式的,收集表面可以是管式的或是平板式。管式WESP的占地面积较小, 效率一般比平板式要高。WESP可与湿式洗涤塔集成在一起, 收集从洗涤塔逃逸出来的细小硫酸雾滴, 其对SO3 的脱除率可达95%, 烟羽的浊度几乎为零。

5 结语

( 1)燃煤电厂的可见烟羽是电厂文明生产和环境质量的新问题。研究发现, 在燃煤电厂当前的环境保护治理条件下, SO3 的排放是影响烟羽颜色和不透明度的重要因素之一。

( 2) SO3 的生成非常复杂, 主要取决于锅炉的燃烧、燃料成分、运行参数、设备的布置、脱硝脱硫设施运行状况等。SO3 浓度过高, 会引起下游设备的低温腐蚀、硫酸盐的结垢、玷污和堵塞等。

( 3)湿法烟气脱硫系统不仅不能有效脱除烟气中的SO3 或H2 SO4, 而且会快速形成难于捕集的亚微米级的H2SO4 酸雾, 通过烟囱直接排入大气, 成为形成可见烟羽的罪魁祸首。

( 4)通过调整和优化燃烧方式、在锅炉炉膛至ESP之间的不同位置喷入碱性物质和氨、设置湿式静电除尘器、调整催化剂活性组分等, 可有效抑制SO3 的生成或脱除烟气中的SO3, 达到降低烟囱出口SO3 的浓度, 消除可见烟羽的目的。

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