用碱性吸收剂喷射技术脱除烟气中SO3的中试试验研究

用碱性吸收剂喷射技术脱除烟气中SO3的中试试验研究摘要碱性汲取剂喷射技术是一种精准脱除烟气中SO3的高效方法。通过讨论该技术的特点、反应机理、SO3的迁移规律，建设了一台采纳真实烟气作为气源的碱性汲取剂喷射脱除烟气SO3的中试平台，并在此平台进行了中试试验讨论。讨论结果表明：碱性汲取剂脱除SO3的效率与n(Na2CO3):n(SO3)、烟气温度、停留时间等因素相关；在中试试验工况下，烟温320℃，n(Na2CO3):n(SO3)为1:4,Na2CO3溶液的浓度为52.6mg/m3，烟尘浓度为标况下4680mg/m3，可保证SO3脱除效率在85%以上；碱基汲取剂对脱硝催化剂的影响很小，可以忽视。以上结果可为国内燃煤电厂开展碱性汲取剂脱除烟气SO3技术讨论应用供应参考。关键词：燃煤电厂；真实烟气；碱性汲取剂;SO3；中试平台；0引言煤炭燃烧会产生大量气体污染物，燃煤电厂作为煤炭消耗大户，因此也是气态污染物的排放大户。煤炭中含有硫分，燃烧产生的烟气中包含肯定浓度的SO2或SO3。当过量空气系数大于1时，约有0.5%～2.0%的SO2会进一步氧化生成SO3。另外，SCR（选择性催化还原技术）装置在脱除烟气中的NOX的同时，也会将1.0%左右SO2氧化成为SO3。相关数据表明，较加装SCR装置之前，SO3浓度会增加1倍左右。SO3是锅炉尾部烟道腐蚀、空预器堵塞、酸雨，“蓝羽”等现象的主要缘由。因此讨论发治理烟气中SO3的技术非常必要且意义重大。目前，国内外燃煤电厂治理烟气中SO3的技术主要分为物理方法和化学方法。物理方法主要有低低温除尘器、湿式电除尘器、湿法脱硫塔等；化学方法主要有炉内掺烧石灰石/白云石技术，SCR催化剂改性和碱基汲取剂喷射法等。其中低低温除尘器、湿式电除尘器、湿法脱硫塔虽然能够脱除烟气中SO3，但是无法消退SO3对上游脱硝装置以及空预器等设备的危害。炉内掺烧石灰石/白云石技术是在煤粉燃烧过程中降低SO3的生成，高效经济，但是影响燃烧过程，降低锅炉效率，一般在高硫煤机组中使用较多。碱性汲取剂喷射法脱除烟气SO3技术是通过喷射碱性汲取剂到烟道中，SO3反应生成硫酸盐，并经过除尘设备去除。采纳该法可以精准高效地脱除烟气中的SO3。目前国外业绩较多，国内讨论不多，并且鲜有应用实例。本文将建立一个基于旁路烟气的SO3脱除技术研发的中试试验平台，并通过平台测试分析常见的碱性汲取剂对烟气SO3脱除效果，为国内开展碱性汲取剂脱除SO3技术路线选择与碱性汲取剂的选型供应参考。1碱性汲取剂喷射脱除SO3的中试平台少量碱性汲取剂以溶液的形式喷射进入280～380℃的烟气中，会发生“闪蒸”现象，快速形成碱性颗粒。故无论碱性汲取剂是以固态粉末还是溶液的形式进入烟气中，与SO3都是气固两相反应，而且是非催化气固反应。1.1反应机理一般碱性汲取剂“闪蒸”形成的颗粒反应前孔容积较小，可以视为致密固体。无孔致密性颗粒的气固反应一般适合采纳缩核反应模型。图1是缩核反应模型的示意。Rp和Rc分别是颗粒和未反应核半径。CAO,CAP,CAC分别是反应气体在气膜层、颗粒表面和反应边界上的浓度。碱性汲取剂颗粒与SO3的反应过程可简化成：(1）外集中：SO3从主气流集中到碱性汲取剂颗粒外表面。(2）内集中：SO3经过产物层的孔隙集中至未反应层表面。(3）界面反应：在未反应层表面SO3与碱性汲取剂发生反应。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317577545.png”alt=“1.png”width=“238”height=“235”/图1缩核反应模型讨论表明，温度上升对集中速率的贡献较小，而浓度梯度对集中速率的影响较大。但由于锅炉烟气中SO3的浓度较低，温度梯度不大，故质量集中速率受限，为提高脱除效率，应当减小外集中阻力，如增大汲取剂在烟气中的数目浓度、提高分散匀称性等。碱性汲取剂溶解后雾化喷射，在高温下干燥后可以形成匀称分布的细小颗粒，能够有效提高SO3的脱除效率。1.2SO3的迁移规律燃煤电厂烟气中SO3从生成到排放，随着烟气工况条件的变化，将经受一系列简单的物理化学过程。了解变化其中的变化规律对于指导SO3的脱除与预防具有重要意义。图2所示为某燃煤电厂的SO3迁移规律。SO3在400℃以上几乎都是以气态SO3的形式存在，此时SO3对机组运行的影响较小。温度降低400℃以下后，SO3会生成NH3HSO4、硫酸雾等腐蚀性物质，对机组影响较大。取省煤器后的真实烟气作为气源来讨论碱性汲取剂的效果以及对下游烟道的影响效果比较全面合理。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317579758.png”alt=“2.png”width=“321”height=“233”/图2燃煤电厂SO3的迁移规律1.3采纳真实烟气的碱性汲取剂喷射脱除SO3中试平台碱性汲取剂喷射脱除SO3的中试试验平台建立在某330MW机组上，使用省煤器出口的真实烟气作为气源可以更全面地开展碱性汲取剂在炉后烟气排放各阶段脱除SO3力量的讨论。为了提高SO3的脱除效率，中试平台采纳雾化喷射碱性汲取剂溶液的方式混入碱性汲取剂。主要包括除尘系统，换热系统，加药系统，脱硝系统以及烟道、阀门和相关动力与监测设备等。另外，通过添加除尘、换热以及SCR脱硝等功能来实现敏捷掌握平台的工况条件。中试试验平台的尾气经过增压引风机加压后去往电除尘，经锅炉尾部烟气处理设备治理后排空。中试平台的工艺流程及其现场如图3、图4所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317574427.png”alt=“3.png”width=“440”height=“316”/图3碱性汲取剂喷射脱除SO3中试试验平台工艺流程<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317577164.png”alt=“4.png”width=“277”height=“190”/图4碱性汲取剂喷射脱除SO3中试试验平台现场2碱性汲取剂喷射脱除SO3的中试试验2.1碱性汲取剂的选择碱基汲取剂与SO3反应过程中形态的变化对SO3汲取性能的影响很大。较为常见的NaOH,Mg(OH)2,Ca(OH)2与SO3反应后的产物比较致密。而Na2CO3与SO3反应过程中，不断产生CO2气体，使得颗粒物保持多孔结构，有助于SO3集中到未反应的汲取剂表面；多孔结构又增加了比表面积，从而提高了SO3的脱除效率并能够使反应更完全。在本案例中，采纳Na2CO3作为碱性汲取剂来讨论真实烟气下碱性汲取剂对SO3脱除效率的影响因素。2.2试验方法通过调整平台上各装置参数来得到相应工况条件，并用异丙醇汲取法来测量烟气中的SO3浓度，通过计算喷射前后的SO3浓度来计算脱除效率。以此讨论不同工况条件下SO3的脱除效率，分析得到不同掌握参数对SO3脱除效率的影响。SO3的脱除效率ηSO3的计算方法为：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317584710.png”alt=“5.png”width=“245”height=“76”/式中：Cin为喷射前的SO3浓度；Cout为喷射后的SO3浓度。2.3SO3脱除效率的影响因素讨论2.3.1反应物摩尔比对SO3脱除效率的影响在稳定负荷下，通过挡板门调整开度和换热系统处理，保持喷射格栅后的烟温与流量不变，通过掌握Na2CO3溶液的喷入量来转变Na2CO3与SO3的摩尔比。本次试验中Na2CO3溶液的浓度为52.6mg/m3，进口SO3平均浓度约为33mg/m（已换算为标况下，以下同），进出口的测孔分别为1和3，机组平均负荷300MW，调整门开度为30%，通过调整换热系统参数保持喷射点后烟气温度维持在320℃左右。试验得到SO3的脱除效率随n(Na2CO3):n(SO3）的变化如图5所示。由图5可知，在n(Na2CO3):n(SO3）较低时，SO3脱除效率较低。当比值增加到3:1后，效率明显挺高，但是连续增大比值，趋势线变缓。可能停留时间短，部分汲取剂未参加反应。2.3.2停留时间对SO3脱除效率的影响在喷射格栅后面，设置了一段加粗的直烟道。烟道内径加大，流速降低，以便在相对短的烟道内得到足够多的停留时间间隔较长的测孔位置。本次试验中，Na2CO3溶液的浓度为52.6mg/m3，进口SO3平均浓度约为31mg/m3，机组平均负荷303MW，调整门开度为30%，烟气平均温度为322℃，喷射点到测孔1—4的停留时间分别为1.21s,2.18s,3.06s和3.94s。在n(Na2CO3):n(SO3）为1:4的状况下，SO3脱除效率随停留时间的变化如图6所示，可见，随着停留时间变长，脱除效率的提高是比较明显的。这是由于更多的汲取剂参加反应，综合经济与效益，停留时间最好掌握在2～3s以内。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317588160.png”alt=“6.png”width=“245”height=“169”/图5SO3脱除效率与n(Na2CO3):n(SO3）的关系<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317582310.png”alt=“7.png”width=“250”height=“177”/图6SO3脱除效率与停留时间的关系2.3.3烟气温度对SO3脱除效率的影响中试平台的换热系统，通过更换冷热换热介质与转变介质流速来掌握喷射格栅出口烟温。本次试验中，Na2CO3溶液的浓度为52.6mg/m3，进口SO3平均浓度约为35mg/m3，机组平均负荷301MW，调整门开度为30%,n(Na2CO3):n(SO3）为1:4的状况下，进出口测孔为1和3。试验得到SO3脱除效率随烟温的变化如图7所示。可见，烟温在300～400℃，脱除效率的变化不大。可能是由300℃以上，SO3的汲取速率受气固界面的反应的影响较小。2.3.4烟尘含量对SO3脱除效率的影响中试平台的除尘系统可以通过转变电场的强度，来转变出口尘浓度。本次试验中，Na2CO3溶液的浓度为52.6mg/m3，进口SO3平均浓度约为34mg/m3，机组平均负荷298MW，调整门开度为30%,n(Na2CO3):n(SO3）为1:4的状况下，进出口测孔为1和3。通过转变除尘系统出力，得到4个烟尘浓度251mg/m3,1547mg/m3,4680mg/m3,11042mg/m3。试验得到SO3脱除效率随烟尘含量的变化如图8所示。由图8可知，随着烟气中含尘量增加，脱除效率在4680mg/m3左右达到最高值。分析缘由可能是当烟气中含尘量较低时，由于碱基汲取剂吸附到烟尘上后，得到了更大的比表面积，提高了肯定的脱除效率。当烟气中含尘量连续增大，部分多孔结构的烟尘与碱性汲取剂固体颗粒竞争SO3，使得SO3不易与碱基汲取剂结合，从而使脱除效率有所下降。最佳烟尘浓度在4680mg/m3左右。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317580250.png”alt=“8.png”width=“246”height=“172”/图7SO3脱除效率与烟温的关系<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317587789.png”alt=“9.png”width=“254”height=“170”/图8SO3脱除效率与烟尘含量的关系3碱性汲取剂喷射对脱硝催化剂的影响为讨论碱性汲取剂喷射脱除SO3对脱硝催化剂的影响，进行了碱性汲取剂脱除SO3长期运行试验，试验持续时间1个月，平均负荷率228MW，其中132MW以下负荷占比11%。试验期间，平台进口挡板门开度保持30%不变，Na2CO3溶液浓度为52.6mg/m3，按n(Na2CO3):n(SO3）为1:4喷射碱液汲取剂。取试验前后的催化剂做性能检测，依据检测报告得到，2次的活性分别为36.4和36.2。可见，喷射碱性汲取剂对催化剂的影响程度较小，在可接受范围之内。图9为碱基喷射前后催化剂样品外观。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009092317595833.png”alt=“10.png”width=“318”height=“183”/图9碱基喷射前后试验用催化剂条的对