低低溫電除塵系統對SO3脫除性能研究

劉含笑，酈建國，姚宇平，崔盈，郭高飛，何海濤，劉美玲，沈敏超

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江省 諸暨市 311800）

0 引言

燃煤電廠煙氣超低排放全面實施以來，常規大氣污染物的排放已得到有效控制[1-3]。根據生態環境部公布信息，截至2018年12月底，國內完成煙氣超低排放改造的燃煤電廠容量約8.1 億kW，約占全國燃煤電廠總裝機容量的80%，東、中部地區基本實現超低排放改造，河南、安徽、甘肅等部分省份提前完成超低排放改造目標。城市霧霾及重度霧霾天數均已呈減少趨勢，但尚未對非常規污染物(如SO3等)提出限值要求及相應的控制措施。燃煤電廠煙氣中的SO3主要來源于煤中的硫，煤燃燒生成的SO2會有一部分在爐膛內氧化生成SO3，占0.5%～2.5%[4-5]；一部分在選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)中氧化生成SO3，占0.5%～1.5%[6-8]。現階段一般要求SO2/SO3轉化率在1%以內。SO3的危害性大，也是大氣二次氣溶膠顆粒的重要組成部分，有研究[9]表明，國內大氣二次氣溶膠顆粒對大氣環境PM2.5貢獻率達到30%～77%。另外，SO3也是設備低溫腐蝕、空預器堵塞及有色煙羽(如藍煙/黃煙)排放等的主要誘因。因此，中國燃煤電廠的SO3減排控制迫在眉睫。

國外對燃煤電廠SO3排放已有明確的限值要求，如美國、日本、德國分別要求SO3的排放限值為0.6～6、10、50 mg/m3；中國尚未正式頒布國家標準，但已有部分地方政府提前出臺了相關政策或標準，如上海、衡水規定硫酸霧(或SO3)的排放限值為5 mg/m3，浙江、河北等省出臺了有色煙羽的控制要求。而目前燃煤電廠排放SO3質量濃度為0.3～22.7 mg/m3，如果全部按5 mg/m3排放限值進行考核，則達標率僅為66.7%[10]。低低溫電除塵(low-low temperature electrostatic precipitator，LL-ESP)系統通過煙氣冷卻器(flue gas cooler，FGC)或煙氣冷卻器+煙氣再熱器，將電除塵器入口煙氣溫度降低至煙氣酸露點(SO3露點)以下，一般為(90±5) ℃，在除塵提效的同時對SO3也具有較高的脫除效率[11]。

本文通過中試實驗及現場實測相結合的手段，系統研究了低低溫電除塵技術在國內的應用效果及SO3減排特征，為該技術的大規模推廣應用及燃煤電廠SO3減排提供借鑒。

1 測試方法

目前，SO3測試方法主要有控制冷凝法和異丙醇吸收法，其中，控制冷凝法應用最為廣泛，但GB/T 21508—2008 規定的控制冷凝法僅采用1級冷凝盤管，且未對盤管的尺寸規格作具體要求，而市面上常用的冷凝盤管并不能實現SO3的完全捕集，其捕集效率僅有80%左右[12]，甚至更低[13]。因此，本文對傳統的控制冷凝法進行改進，通過2級盤管增加SO3的捕集效率，并在末級再增加1級80%異丙醇吸收環節[14-15]，以最大限度地實現SO3完全捕集，冷凝法+異丙醇吸收法采樣系統示意如圖1 所示，現場測試系統如圖2 所示。采樣槍加熱控制在280～300 ℃，且采樣槍前段布置有金屬濾芯，以防止低溫時粉塵顆粒對SO3的吸附造成采樣損失；冷凝盤管置于恒溫水浴內，恒溫水浴的溫度控制在60～65 ℃；異丙醇吸收瓶置于冰浴內，冰浴溫度應控制在0 ℃左右。冷凝盤外徑為9 mm，內徑為6 mm，盤繞直徑為120 mm，盤繞12 圈，有效高度為180 mm，冷凝盤管實物如圖3 所示。

圖1 冷凝法+異丙醇吸收法采樣系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling system for condensation+isopropanol absorption method

圖2 現場測試系統Fig.2 Field test system

圖3 冷凝盤管Fig.3 Condensing coil

采用上述低濃度SO3采樣方法進行現場實測，采樣結束后采用去離子水分別對第1級、第2級冷凝盤管進行清洗，并測定洗液中的硫酸根含量。所采用的測定儀器為哈希DR 6000紫外-可見分光光度計，80%異丙醇溶液可以直接進行硫酸根分析。測定并計算各捕集單元所捕集到的SO3占比，結果如圖4所示。從圖4可以看出，第1級冷凝盤管所捕集到的SO3占比為63.39%～69.16%；第2級冷凝盤管所捕集到的SO3占比為26.23%～30.37%；末級異丙醇溶液所捕集到的SO3占比為0.47%～10.38%。由以上測試結果可知，冷凝法+異丙醇吸收法采樣系統可以大幅提高SO3的捕集率及其測試數據的準確性。

圖4 各單元捕集的SO3占比Fig.4 Capture ratio of SO3 in each unit

圖5 為分別采用控制冷凝法(1 級盤管)和異丙醇吸收法進行對比測試的結果。由圖5可以看出，異丙醇吸收液所測數據明顯大于1 級冷凝盤管，表明異丙醇冰浴對SO3的捕集效果明顯優于1 級冷凝盤管。

圖5 測試結果對比Fig.5 Test results comparison

2 測試結果

2.1 中試平臺試驗測試結果

2.1.1 中試平臺簡介

利用神華國華三河電廠#3 機組的實燒煙氣建立旁路中試平臺試驗系統(見圖6)，煙氣量為50 000 m3/h。其中：濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator，WESP)布置在濕法煙氣脫硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)裝置頂端，采用一體化設計；引風機布置在電除塵器與WFGD裝置中間；第1 級煙冷器布置在SCR 脫硝前，第2、3級煙冷器布置在電除塵器前，可通過調整第2、3 級煙冷器出力改變電除塵器入口煙氣溫度[16-17]，從而開展不同入口煙氣溫度時電除塵性能試驗。

圖6 中試平臺試驗系統Fig.6 Pilot test platform experimental system

煤種、飛灰主要成分如表1 所示，經計算分析，該實驗煤種屬于電除塵器較容易收塵的煤種。電除塵器為單室5 電場(4 個常規電場+1 個旋轉電極電場)，實驗期間采用全工頻電源供電。電除塵器的主要技術參數見表2。

表1 煤種、飛灰主要成分Tab.1 Main components of coal and fly ash

表2 電除塵器的主要技術參數Tab.2 Main technical parameters ofelectrostatic precipitator

2.1.2 實驗結果

圖7為不同入口煙氣溫度對應的各個污染物治理設備的SO3質量濃度及脫除效率。經測定，入口煙氣溫度分別為130、90、80 ℃時，電除塵器出口SO3質量濃度分別為1.25、0.10、0.14 mg/m3，煙氣冷卻器的SO3脫除效率分別為1.22%、78.46%、90.56%，電除塵器的SO3脫除效率分別為22.84%、82.14%、64.10%，低低溫電除塵系統的SO3脫除效率分別為23.78%、96.15%、96.61%。130 ℃時電除塵器對SO3的脫除效率較低，但當煙氣溫度降低至90 ℃(酸露點以下)后，煙氣中絕大部分SO3會被脫除。不同煙氣溫度時，對應的濕法煙氣脫硫對SO3脫除效率變化不大。

圖7 不同溫度時SO3的質量濃度及脫除效率Fig.7 Concentration and removal efficiency of SO3 at different temperatures

2.2 工程實測結果

分別對A電廠某600 MW機組設計煤種/校核煤種(ESP 入口煙溫90 ℃)、B電廠某1 000 MW機組(ESP入口煙溫95 ℃)、C電廠某660 MW機組(ESP入口煙溫90 ℃)進行現場實測，3個項目的基本情況如表3 所示，其中A 電廠采用GB/T 21508—2008規定的常規控制冷凝法，B、C電廠采用圖1所示的“2級控制冷凝+1級異丙醇吸收”采樣系統。低低溫電除塵系統對SO3的脫除效率如圖8所示，經測定，低低溫電除塵系統對SO3具有很高的脫除效率(69.1%～96.6%)。

圖8 低低溫電除塵系統對SO3的脫除效率Fig.8 SO3 removal efficiency of LL-ESP system

表3 3個項目的基本情況Tab.3 Basic information of three projects

3 結果分析

為進一步分析低低溫電除塵系統對SO3的脫除機制，推測低低溫工況下(煙氣酸露點溫度以下)SO3冷凝及飛灰顆粒對SO3的吸附、團聚過程，如圖9所示。氣態SO3在酸露點溫度以下時，會冷凝形成硫酸霧滴或氣溶膠顆粒，并吸附在飛灰表面，酸霧會與飛灰中的堿性物質中和，在實現SO3高效脫除的同時，還降低了飛灰表面張力及比電阻，增強了顆粒表面黏性，有效促進細顆粒團聚[18-19]。為驗證該推測，在某電廠煙氣冷卻器開/關時，測定電除塵器入口煙道及第1電場、第2電場灰斗中飛灰的硫含量，結果如圖10所示。以電除塵器入口的飛灰為例，設計煤種、校核煤種飛灰中的硫元素質量分數增幅分別為56.41%、42.86%，表明煙氣溫度降至酸露點以后，飛灰顆粒對SO3存在明顯的吸附現象。

圖9 SO3吸附、團聚機制Fig.9 SO3 adsorption and agglomeration mechanism

圖10 飛灰樣品中硫元素含量及其增加幅度Fig.10 Sulfur content in fly ash samples and its increase ranges

采用靜電低壓撞擊器(electrical low pressure impactor，ELPI)測定不同溫度工況下電除塵器入口(FGC 出口)煙塵的粒徑分布，如圖11 所示。可以看出，在降溫過程中，電除塵器進口10 μm 以下的各級粒徑顆粒數量濃度及質量濃度均有明顯降低。為進一步定量評價降溫過程中顆粒團聚效果，規定PM2.5團聚效率表示為

圖11 不同溫度時電除塵器入口顆粒累計粒徑分布Fig.11 Accumulated particle size distribution at the entrance of ESP at different temperatures

式中：η為PM2.5團聚效率，%；M1為降溫前PM2.5質量濃度，mg/m3；M2為降溫后PM2.5質量濃度，mg/m3。

經計算，煙氣溫度從130 ℃降低到90 ℃和80 ℃時，對應的PM2.5團聚效率分別為46.76%、60.08%。

張宇博等[20]通過微觀結構分析，研究了顆粒物吸附硫酸酸霧后的團聚現象，以及各因素對團聚的影響程度，部分結果如圖12所示。通過觀察發現，硫酸酸霧在顆粒物表面產生一層液膜，使顆粒物間黏附力增強，強化了團聚效果；初始階段主要發生小顆粒在大顆粒表面的黏附以及小顆粒之間的凝并，隨后發生大顆粒之間的團聚；溫度降低會提升顆粒物團聚的效果，但提升程度與吸附時間有關。

圖12 粉塵顆粒物吸附反應前后形貌特征變化Fig.12 Changes of morphological characteristics of ash particles before and after adsorption

低低溫電除塵技術源于日本，在其早期的工程應用中對SO3的脫除效率很高，一般在80%以上，最高可達90%以上[21-22]。表4為日本三菱、日立公司低低溫電除塵技術SO3排放數據。

表4 三菱、日立低低溫電除塵技術SO3排放數據Tab.4 Emission data of SO3 for LL-ESP of Mitsubishi and Hitachi

與日本的應用相比，國內部分項目的SO3脫除效率相對較低，推測其原因，一方面是本身技術上還有待進一步提升，另一方面可能是測試誤差或測試方法不當。

4 結論

1）提出了一種低濃度SO3測試方法，即“2級控制冷凝+1級異丙醇吸收”采樣法，可大幅提高SO3的捕集率及其測試數據的準確性，通過測試分析，第1、2級冷凝盤管及末級異丙醇溶液捕集到的SO3分別占63.39%～69.16%、 26%～30% 和0.5%～10%。

2）采用低濃度SO3測試方法測定了三河電廠中試平臺上電除塵器入口煙氣溫度為130、90、80 ℃時低低溫電除塵系統(FGC+ESP)的SO3脫除效率，分別為23.78%、96.15%、96.61%，分析并驗證了低低溫工況下飛灰顆粒對SO3的吸附、團聚機制。

3）工程現場實測結果表明，低低溫電除塵系統對SO3具有很高的脫除能力，脫除效率在69.1%～96.6%，但與國外應用相比，國內部分項目的SO3脫除效率較低，推測其原因，一方面是本身技術上還有待進一步提升，另一方面可能是測試誤差或測試方法不當。