燃煤电厂烟气中SO3的测量与分析

汪 波，王瑀喆，李永华

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

其它

燃煤电厂烟气中SO3的测量与分析

汪 波，王瑀喆，李永华

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

燃煤电厂烟气中高浓度SO3的存在，不仅会使烟囱出口出现 “蓝羽” 现象，而且会对锅炉系统结构造成污染和腐蚀，严重影响机组运行。针对这一现象,采用了控制冷凝法对某电厂烟气进行SO3排放浓度取样测试，运用重量法对结果进行处理，分析了不同工况下SO3浓度的变化，探讨了烟气中SO3的发生机理和SO3在锅炉系统各环节的产生与转化过程，为电厂抑制和脱除SO3提供思路。

燃煤电厂；控制冷凝法；转化

当前，少数火电厂烟囱出口出现 “蓝羽” 现象，对于燃烧高硫煤和安装有选择性催化还原脱硝装置(SCR)的锅炉，“蓝羽”现象较为明显。 这种现象主要是由烟气中SO3与水、颗粒物结合产生的硫酸气溶胶造成的视觉污染，由于硫酸气溶胶的粒径微小，对短波长的光散射较强，因此使得烟气呈现蓝色。高浓度SO3会在排烟中形成硫酸气溶胶，影响烟气颜色和烟气抬升高度，阻碍烟气的扩散，是形成酸雨或酸雾的重要成分，对环境和人体健康造成危害[1-2]。高浓度SO3会提高烟气中的酸露点，对炉膛下游的设备造成污染和腐蚀，导致机组效率降低、热耗率增加，降低燃煤机组运行的经济性与安全性。因此，测量与脱除烟气中的SO3具有重要意义。

1 产生机理

燃煤锅炉系统烟气中SO3的氧化机理、形成途径以及方式尚未得出统一结论，但普遍认为主要有以下产生途径[3-4]。

a.SO3被氧原子氧化。此反应受温度控制，主要发生在锅炉系统的高温部分。炉膛火焰内部由于高温产生的原子态O与SO2直接发生氧化反应，主要反应如下。

SO2+ O→SO3

上述反应式直接影响着SO3的生成，在火焰燃烧中心，SO2向SO3的转化率几乎为零，而在火焰带下游的炽热反应区，氧原子浓度达到最大值，此时SO2向SO3的氧化反应最为剧烈。燃烧产物离开反应区后，温度迅速降低，同时各种原子的浓度急剧减少，SO2和SO3之间的转化反应不明显，因此，SO3浓度变化较小[5]，动力学预测表明[6]，SO3最终浓度是SO2浓度的1/40～1/80。

b.SO2与O2的催化氧化反应。 有催化剂存在时，该反应可以在 400 ℃以下进行。

SO2+O2→SO3

烟气飞灰中含自带的Fe2O3、V2O5、Cr2O3等金属氧化物作为催化剂，能将SO2氧化成SO3。随着SCR系统的推广使用，SO3的含量普遍增加，原因是SCR系统中使用的是钒基催化剂，能将SO2催化氧化为SO3，转换率取决于V2O5含量、 催化剂壁厚、 催化剂形态和烟气温度等。对于SCR系统，最佳反应温度为300～400 ℃[7]，随着催化剂中V2O5的担载量增大，SO3的转化效率也增高。

2 研究方法

2.1 取样方法

采用GB/T 21508—2008附录C的方法进行SO3现场取样，即控制冷凝法取样。取样装置流程如图1所示。

图1 取样流程

控制冷凝法的采样原理是烟气中以气态形式进入螺旋管的SO3气体和H2SO4，在经过有水浴的蛇形冷凝管时，立即冷凝形成酸雾雾滴，烟气抽吸过程中在螺旋管中产生离心力，将雾滴状的H2SO4甩到螺旋管壁面，并利用酸雾雾滴的强吸附性，粘附在收集管壁面上[8]。由于SO2在硫酸酸雾中的稳定性较差，利用控制冷凝在螺旋管中形成酸雾，避免了SO2的误 捕集,从而不会对测定产生干扰。

取样前保证玻璃蛇形收集管和玻璃滤板清洁、干燥,取靠近烟道测量断面中心的一点或几点作为采样点，取样前应测量取样处的烟气流速。调节水浴温度为60～65 ℃；电加热采样管和石英过滤器的温度保持在260 ℃；抽取的烟气流速应该满足等速采样的要求，抽取的烟气量应满足分析要求；采样完成后，用去离子水分别冲洗玻璃蛇形收集管和石英过滤器，将洗液混合后定容于容量瓶中。

2.2 分析方法

按照按GB/T 6911—2007硫酸钡沉淀法测定洗液中硫酸根离子的含量。在强酸条件下，向收集的洗液中加入过量氯化钡溶液，得到硫酸钡沉淀，对其进行烘干得到硫酸钡沉淀质量，再经过计算得到烟气中SO3浓度。

2.3 测试点

测试点分别设在各台机组的SCR出入口、脱硫塔出入口，对SO3浓度进行测量，每个测试点选取不同位置进行取样，保证试验结果的可靠性。

3 数据处理

3.1 现场取样试验结果

对河北某电厂1台机组工况为300 MW(满负荷)和180 MW进行SO3浓度测试，在负荷稳定的情况下，为了试验结果的准确性，各测点不同位置取3组平行样进行试验分析，并计算出烟气中SO3浓度(SO3浓度都已换算成变干、6%O2含量状态)。得到试验数据，如表1所示。

表1 不同负荷下SO3尝试测试结果

根据实测数据，分别绘出满负荷和60%负荷工况下，烟气中SO3浓度变化曲线图。

由图2和图3可知，从炉膛出来的烟气已经含有部分SO3，经过SCR装置后，SO3浓度明显增加，并达到最大值；流经空预器、除尘器等设备后SO3浓度大大降低，最后被脱硫塔冲洗，SO3减少到极低水平。

3.2 煤质分析

对2个负荷时段的煤样进行元素分析，如表2所示。由表2可知，煤样Ⅰ的含硫量比煤样Ⅱ的含硫量高，经过实际测量，在取样阶段，脱硫前烟气

图2 300 MW工况烟气中SO3浓度变化

图3 180 MW工况烟气中SO3浓度变化

机组负荷/MW煤样NdCdHdSdOd300煤样Ⅰ1.2559.223.870.677.95180煤样Ⅱ1.2154.963.720.5810.47

中的SO2浓度分别为2 237 mg/m3、1 777 mg/m3。SO2浓度的不同必然会对SO3的生成量产生影响。

4 结果分析

由于各个测点工况基本相同，对各个测点的数值取平均，再对2种负荷下的SO3浓度进行对比，如表3所示。变化曲线对比如图4所示。

表3 不同负荷下SO3浓度对比结果

图4 不同负荷下SO3浓度变化曲线对比

由表3可知，在2种负荷下,测得SCR入口的SO3浓度值分别为20.583 3 mg/m3、13.5 mg/m3,所以在炉膛内SO2与原子态O的氧化反应转化率分别为0.67%、0.55%。满负荷下的SO3转化率高于60%，随着负荷升高，导致炉膛内温度升高，有利于炉膛内SO2氧化生成SO3。普遍认为燃煤电厂锅炉生成的SO2中有0.5%～2%转化为SO3[9]。

从SCR进出口的SO3浓度分析，满负荷下的转化率为1.02%，60%负荷下的转化率为0.83%。SO2在有催化剂、高温的条件下被催化氧化产生SO3，其产生过程复杂。 烟道中影响因素相对复杂，在一定范围内，其转化效率会随着负荷变大，此时主要影响因子是烟气温度，烟温升高，有利于催化剂的反应。但并不是负荷越高，转化效率越高，因为随着负荷的增加，烟道内的烟气流速也会逐渐增大，当流速超过一定值时，烟气在催化剂表面停留的时间会缩短，反而会降低转化率。

从上述图表中可发现，烟气从脱硝出口到脱硫入口过程中SO3浓度明显降低，满负荷工况时SO3减少57.5%，60%工况时减少57.9%。导致SO3浓度降低的主要原因是在空气预热器段的突然降温，另外电除尘器的吸附脱除效果也会导致SO3浓度降低。

在空气预热器段会减少SO3，这是因为烟气侧温度降低会使烟气中的硫酸蒸汽冷凝，并且附着在空预器和飞灰的表面，SO3的减少量取决于烟气的温度和空预器的类型，烟气的冷却速度越快，空预器出口的烟温越低，SO3的减少量越大。值得注意的是，在烟温降低的同时，生成H2SO4就会增多，与脱硝中未反应的氨气反应生成硫酸氢铵，增大了空预器被腐蚀的风险。

电除尘器吸附脱除效果会减少SO3，减少程度取决于烟气温度和飞灰成分，如果飞灰对SO3的脱除率太高，会影响电除尘器的除尘效率。

另外， SO3浓度减少还受到湿法脱硫塔的影响。该电厂采用的是湿法脱硫，烟气流经脱硫塔进入烟囱，SO3浓度减少分别为33.5%、33.4%，减少比例相近。所以湿法洗涤塔会减少SO3的排放。在湿法脱硫装置中，部分SO3和H2SO4被迅速冷却到露点以下，被吸收塔内的吸收剂吸收，颗粒较大的液滴被吸收塔除去[10]。经过湿法洗涤后的烟气温度低于硫酸的露点温度，吸收塔对于硫酸气溶胶的脱除较差，因此烟气中未被吸收脱除的SO3都以硫酸雾的形态排出。洗涤塔对SO3的脱除效率取决于洗涤塔的设计，喷淋的层数以及塔内温度和流场的变化。

5 结束语

a.SO3的源头主要是炉内氧化生成和SCR处催化氧化产生，为了消除由于SO3浓度过高导致的影响和危害，应该从源头上对SO3的产生进行抑制，例如煤质的选择、优化燃烧或在脱硝出口喷射碱性吸收剂来进行脱除等。

b.烟气从脱硝出口到排出烟囱，SO3已经被脱除90%以上。但是在空预器附近因为形成硫酸液滴或硫酸盐而被烟道壁吸附成为一种有害的脱除方式，对空预器、烟道等设备产生腐蚀，影响设备的正常运行，降低经济性。

c.在不影响除尘效果的前提下，除尘器对SO3的脱除效果影响明显。脱硫塔对SO3的脱除是最直接的，不会造成任何负面影响。可以根据实际情况对脱硫塔内部结构进行设计，改进喷淋层的喷淋方式或增加层数，最大限度脱除SO2和SO3。

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Measurement and Analysis on Sulphur Trioxide in Coal-fired Power Plant Flue Gas

WANG Bo, WANG Yuzhe，LI Yonghua

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China)

Chimney outlet forms blue or yellow plume because of high concentration SO3in flue gas of coal fired power plant, this phenomenon can cause pollution and corrosion to boiler system structure, also severely affects unit operation. According to the phenomenon, this paper tests SO3concentration by controlled condensation method,deals with the results by weight method.Concentration changes are analyzed, the mechanism, generation and transformation process of SO3are discussed.This results offer a reference for power plants.

coal-fired power plant;sulphur trioxide; controlled condensation

X773

A

1004-7913(2017)01-0047-03

汪 波(1992)，男，在读硕士，研究方向为洁净煤燃烧技术。

2016-09-15)