燃煤锅炉烟气中SO₃的产生机理及其控制技术

杨洪渤

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摘要：目前燃煤电厂已经普遍采用了脱硫、脱硝、除尘等技术来控制污染物的排放，这些技术对烟气中SO₃的去除能力有一定的局限性。阐述了燃煤锅炉烟气中SO₃的生成机理，分析了烟气中SO₃在燃煤锅炉后续设备中的转化，指出了烟气中SO₃对燃煤电站设备和环境造成的危害(如空气预热器的腐蚀、蓝羽现象等),提出了几种可行的SO₃治理方案。

关键词：燃煤锅炉；烟气；SO₃;控制技术

前言

随着我国经济的飞速发展，能源的需求与利用大幅增加。据我国国家统计局资料显示，2013年我国能源生产总量达到34.0亿吨标准煤，而能源消费总量达到37.5亿吨标准煤，其中煤占有量分别为75.6%和66.0%。燃煤电厂作为煤炭消耗大户，其排放的污染物主要有烟尘、SO,NO.、汞及其化合物[],其中SO₃的存在会导致电站设备的腐蚀、烟气不透明度的增加、酸雨的形成等问题。目前，大多数火电厂都安装了或正在安装选择性催化还原脱硝装置(SCR)来控制NO,的排放，但是其运行过程中所使用的催化剂会部分氧化SO₂,导致烟气中SO₃浓度增加。此外，SCR中逃逸的还原剂也会直接与SO₃反应。一般来说，若烟气中SO₃浓度和水分含量增加后，酸露点温度也相应升高，直接会造成尾部烟道腐蚀的加快。若烟道还存在堵塞的问题，那么锅炉长期安全稳定的运行便没有保障。因此，治理烟气中SO₃的问题是不可忽略的。

1烟气中SO₃的形成过程与转化

烟气中的SO₃主要在炉膛、SCR装置和空气预热器等设备中形成。在炉膛的出口处，生成的SO₃为气态，且随后烟气温度降低到315℃~370℃范围时会与H₂O接触生成气态硫酸。当烟温进一步降到137℃~160℃时，大部分SO₃以气态硫酸形式存在，进入烟气湿法脱硫装置(WFGD)后会进一步转变为硫酸气溶胶。

1.1煤在锅炉炉膛中燃烧形成SO₃

煤粉在炉膛高温燃烧时，会生成SO₂。当过量空气系数大于1时，会有近0.5%～2.0%的SO₂进一步转化成SO₃。此时影响SO₃形成的因素有：

(1)高温燃烧区氧原子的作用

在第三体M(起吸收能量的作用)存在时，氧原子会与SO₂发生反应：

SO₂+O+M→SO₃+M                        (1)

炉膛火焰温度越高，火焰中氧原子浓度越高，且烟气在高温区的停留时间越长，SO₃的生成量就越多。

(2)过量空气系数的影响

过量空气系数降低可使烟气中与SO₂反应的氧原子质量浓度降低，从而降低SO₃的生成量。若采用浓淡燃烧技术，炉膛会形成一种富燃料燃烧的还原性气氛，抑制SO₃的生成。

(3)催化剂的影响

煤燃烧过程产生的飞灰中，含有氧化铁、氧化硅、氧化铝等物质，受热面的金属氧化膜中则含有V₂O₅等物质，这些氧化物对SO₂的氧化起到了催化作用，会促使SO₃的生成量增加。

1.2在SCR装置中形成SO₃

当前燃煤电厂一般采用SCR装置脱除烟气中的NO₁,采用钒-钛-钨系列催化剂，具有脱硝效率高、运行稳定的特点。SCR装置通常布置在省煤器之后、空气预热器之前，工作温度范围在300℃~400℃。在SCR脱硝过程中，使用的催化剂活性物质为V₂O₅,反应式表示如下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O                           (2)

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O                           (3)

WFGD装置布置在SCR装置的后面，烟气中的SO₂经过SCR时，必然会有一部分SO₂在催化剂的作用下转化为SO₃,导致排烟中SO₃的浓度增加。另外，在低负荷时SO₂的氧化率会快速增加。在SCR正常运行的条件下，通常约有0.3%～2%的SO₂转化为SO₂[3]。

1.3在空气预热器等装置中SO₃的转化

在空气预热器中，烟气与空气进行换热，降低排烟温度。此时，烟气侧温度的降低会形成气态硫酸，硫酸冷凝后会附着在飞灰和空气预热器的表面上，在一定程度上可以缓解SO₃的质量浓度过大的问题。而WFGD则会进一步将气态硫酸冷却，形成硫酸气溶胶，此时烟气中的SO₃或气态硫酸低于酸露点，冷却的速度比吸收塔内的吸收速率快得多。

2烟气中SO₃的危害

SO₃极易溶于水形成硫酸酸雾，且有很强的毒性，会对人体呼吸道产生严重的破坏作用,也是酸雨的直接来源；SO₃浓度的增加会对SCR下游设备造成腐蚀、积灰等问题，影响电厂的正常持续运行。

2.1SO₃会产生“蓝羽”现象

通常采用WFGD和SCR装置的电厂中，若不加任何处理措施，烟气中便会形成粒径很小的硫酸酸雾气溶胶。这些气溶胶排入大气时，会对光线产生散射作用，呈现蓝羽现象。燃煤电厂首次出现这一现象的是2000年美国Gavin电厂投运SCR装置后发生的。通常情况下，烟气中硫酸浓度达到(10～20)×10-6便会产生蓝羽现象。该现象在一定环境条件下如SO₃浓度为7×10-6时亦会发生。烟气中SO₃浓度每增加1×10-6,烟气不透明度便增加1%～3%;当其降低到5×10-°以下时，其发生的几率便极低。

2.2SO₃会对SCR及空气预热器造成影响

当SCR装置中NH₃过量时，便会与烟气中产生的SO₃反应生成铵盐，进一步堵塞催化剂表面的孔隙，使其活性降低甚至失效，从而影响NO,脱除效率。

燃烧高硫煤时，烟气中的SO₃经空气预热器的换热作用会产生酸雾的凝结，进一步与烟气中残留的NH₃发生反应：

2NH₃+H₂SO₄→(NH₄)₂SO₄                 (4)

NH₃+H₂SO₄→NH₄HSO₄                   (5)

生成的硫酸铵和硫酸氢铵呈黏稠状且不易清理，会造成空气预热器的腐蚀和堵塞。另外，若烟温低于酸露点，则也会有硫酸冷凝附着在飞灰上，形成沉积物，使空气预热器积灰和结垢。

2.3SO₃形成酸雨对人类健康造成危害

根据SO₃一些本身的特性，其排入大气中形成酸雾停留在空气中，经降雨作用形成酸雨。酸雨会导致土壤酸化，影响植物的生长，对建筑材料产生腐蚀。若SO₃直接进入人体，生成的硫酸雾滴会凝结在呼吸道内，使其pH值发生变化，引起呼吸道等疾病。

3烟气中SO₃的控制技术

目前，各国的学者对燃煤电厂安装SCR后造成的SO₃污染问题进行了深入研究。结合近两年来燃煤电厂大气污染物“超低排放”的要求，提出了以下可行的SO₃控制技术：燃用低硫煤、混煤、炉后喷钙基、镁基吸收剂、使用低低温电除尘器、采用湿式静电除尘器等。

3.1燃用低硫煤、混煤

电厂使用低硫煤、混煤是降低烟气中SO₂和SO₃最直接的方法[6]。通常情况下，更换煤种时，需要考虑锅炉和除尘等设备适应该煤种所需的费用，当然还要考虑煤的制备过程、SCR催化剂中毒、烟道和设备磨损等问题。

3.2使用低低温静电高效除尘器

低低温静电高效除尘器，简称低低温电除尘器，是一种利用热回收器(MGGH)来降低电除尘器入口温度并使烟气中SO₃冷凝成硫酸酸雾，黏附在粉尘上再由碱性物质中和后脱除的高效除尘器。低低温电除尘器主要由热回收器、电除尘器和再加热器组成。

4结语

(1)SO₃形成过程中受燃烧区氧原子、过量空气系数和催化剂的影响，烟气中SO₃过多会提高酸露点，使排烟温度升高，还会对尾部烟道造成堵塞或腐蚀等问题。

(2)SCR在脱硝的过程中会将部分SO₂氧化为SO₃,且在低负荷下SO₂的氧化速率会加快。若SCR中NH₃过量，则会产生铵盐，影响催化剂的活性。

(3)燃烧高硫煤时，采用SCR及WFGD装置后易在排烟中形成粒径很小的硫酸酸雾气溶胶，排入大气后会在光的散射作用下产生“蓝羽”现象，形成酸雨，对环境造成较大的破坏。

(4)目前SO₃可行的治理方法有燃用低硫煤、混煤，炉后喷钙基、镁基吸收剂、使用低低温电除尘器等，这些方法不但可以直接改善空气预热器的运行环境，降低尾部烟道的腐蚀，还间接提高了锅炉的运行效率。

参考文献：

[1]GB13223—2011,火电厂大气污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]王宏亮，薛建明，许月阳，等.燃煤电站锅炉烟气中SO₃的生成及控制[J].电力科技与环保，2014(5):17-20.