燃煤电厂“有色烟羽”形成机制与烟羽消白技术研究

关 昱, 周 洋, 吴 江

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.宝山钢铁股份有限公司电厂, 上海 200941)

为了降低烟气排放污染物对环境的污染,燃煤电厂采用了脱硫、除尘、脱硝、脱汞等设施,有效地控制了颗粒物以及SO2和NOx等污染物的排放。但在烟气环保设施投入运行后,部分电厂烟囱出现了“有色烟羽”,产生了视觉污染。

虽然有色烟羽对周围环境没有造成污染,但这种视觉污染对居民造成了一定的影响,削弱了公众对环保工作的“安全感”,有时候被误认为是燃煤电厂排放的烟气污染物,甚至受到群众的投诉。2017年是《大气污染防治行动计划》第一阶段的收官之年,随着雾霾天气在我国日益频繁的出现,许多燃煤电厂开始把有色烟羽作为环评的重要指标之一。为此,上海市环境保护局颁布了《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求(试行)》[1]。继上海出台相应政策之后,浙江、天津等地也相继出台了相应的政策措施,其他省份也在加紧制定大气污染物排放地方标准。即通过采取相应技术降低烟气排放温度和含湿量,收集烟气中过饱和水蒸气中的水分,减少烟气中可溶性盐、硫酸雾、有机物等可凝结颗粒物的排放,以推进石膏雨消除技术、有色烟羽治理技术的创新和装备制造的发展。

1 燃煤电厂有色烟羽形成的原因

燃煤电厂排放出来的有色烟羽,呈现出黄烟或蓝烟。其原因是:燃煤电厂烟气排出烟囱时所形成的硫酸气溶胶的粒径与黄光和蓝光的光波长接近,经过散射呈现出黄色和蓝色[2]。烟羽越长,表明其气溶胶颗粒浓度越高。在燃煤电厂中,大多数烟气在排出前经过了烟气湿法脱硫设备,烟气通常为饱和的湿烟气,在直接排放出去后,进入温度较低的空气环境中,在温度的降低过程中,烟气中的水蒸气会凝结形成“烟羽”现象[3-5]。

1.1 燃烧高硫煤的影响

文献[6]的研究表明,通过不同机组燃烧不同含硫煤时,烟气中SO2质量浓度越高(即燃煤含硫量越高),烟囱形成有色烟羽的现象越明显。在生成SO2的同时,SO2被氧化为SO3,SO3进而与水蒸气反应生成硫酸雾滴,排放到环境中造成烟羽。由此可见,SO3是产生烟羽的原因之一。

图1为SO3控制技术路线。

图1 SO3控制技术路线

燃煤电厂中,SO3来源于两个方面:一是在煤的燃烧过程中,煤中含有可燃性硫等,在锅炉炉膛中燃烧时生成SO2,部分SO2进一步氧化成SO3;二是在选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脱硝过程中,烟气中部分SO2被SCR催化剂催化氧化为SO3[7-8]。

图2为酸露点与SO3浓度的关系。由图2可以看出,SO3浓度越高,酸露点越高,形成的硫酸气溶胶颗粒越多,进而造成烟羽现象越严重。

图2 酸露点与SO3浓度的关系

1.2 脱硝装置的影响

燃煤电厂火电机组SCR脱硝催化剂一般为 V2O5/TiO2,在催化还原NOx的同时会使一部分SO2氧化生成SO3,提高了烟气中SO3的生成量和排放量。当烟囱出口SO3(包括H2SO4)排放质量浓度超过35 mg/m3时,就会出现明显的蓝色或黄色烟羽[5]。此外,在空气预热器中,当烟气温度冷却至 177～215 ℃时,SCR反应器中未反应的 NH3与SO3发生反应生成硫酸氢铵[6],极易造成有色烟羽现象的产生。

1.3 脱硫塔的影响

烟气通过脱硫吸收塔后,SO2得到了有效去除,但SO3的体积分数并未显著下降。在脱硫塔中,当温度降到酸露点以下后,所有SO3全部转变为硫酸雾滴。对于大粒径的雾滴,脱硫塔有较高的捕集效率,但对于新形成的小粒径的硫酸雾滴,其捕集效率很低,且小粒径的硫酸雾滴在脱硫塔中形成的速率高于其被捕捉的速率。当脱硫塔出口的SO3体积分数达到18.2 L/L时,会出现浓厚的不透明烟羽[9]。

1.4 烟气再热装置的影响

电厂排放烟气的透明度主要受飞灰颗粒物、液滴和硫酸雾滴的影响。当饱和热烟气离开烟囱后温度急剧下降,从而形成白烟[10]。烟气再热装置拆除后,烟气含湿量增加,水分的存在加强了SO3气溶胶的凝结,细微颗粒物的质量浓度有所增加,导致有色烟羽现象加剧。

2 燃煤电厂有色烟羽处理的可行技术

2.1 优化掺烧技术

(1) 煤粉混烧 采用混煤燃烧可以有效降低煤粉燃烧的含硫量,从根本上有效减少SO3的产生,其最直接的办法就是燃烧低硫煤。研究发现,当燃烧温度、通入风量等条件相同时,煤中硫在燃烧过程中转化为SO3的质量分数随含硫量的增大而提高[11-12],因此燃用低硫煤是降低燃煤烟气中SO3浓度最有效的方法之一。然而我国低硫煤数量较少且价格较高,难以实现全部燃烧低硫煤,因此也可以采用掺烧部分低硫煤来降低SO3的生成,进而降低SO2/SO3的转化率。

(2) 生物质垃圾混烧 城市中存在许多生物质垃圾,目前还没有一种较为合理的处理办法,而且在一般远离化工企业的生物质垃圾中含硫量较少,因此可以采取一定比例的生物质垃圾与煤粉掺烧。这样,既解决了城市中生物质垃圾处理难的问题,又可以减少掺烧过程中SO2的产生,进而减少在脱硝过程中转化为SO3的含量,在烟气排出时可以有效地降低有色烟羽现象。

2.2 优化碱性吸收剂的喷洒方式

(1) 燃烧中喷碱性吸收剂 根据炉膛运行状况,可以在煤粉燃烧过程中向炉膛内特定的温度区域喷洒配置好的碱性吸收剂(如氢氧化钙和氧化镁等),以起到脱除SO3的效果。美国电力公司Gavin 电厂在炉膛内喷洒镁脱硫效果明显,当Mg/SO3摩尔比为7时,SO3的脱除率高达90%左右[13]。

(2) 燃烧后喷碱性吸收剂 与炉内喷碱性物质相同,在选择性催化还原装置后或空气预热器前喷入氢氧化钙、石灰石、氧化镁等浆液或粉末,仍可获得40%～90%的SO3脱除效率。此外,喷碱的种类、数量、喷入位置等不同,对SO3的去除效果也不同[14]。通过降低烟囱排放SO3的浓度,可以减弱烟囱的有色烟羽现象。

2.3 优化脱硝催化剂

目前,常用的催化剂是以TiO2为载体、V2O5为主要活性成分、WO3为添加剂的催化体系,WO3有助于抑制SO2的转化。通过调节活性成分和添加剂的选择,以及进一步开发低SO2/SO3转化率的新型脱硝催化剂,可以降低SO3的转化[15]。此外,也可以采用新型的光催化剂,如BiOI,BiOIO3,In2O3/TiO2等[16-20]以降低SO3的转化。

2.4 采取烟气先冷凝后加热的方式

在脱硫塔出口设置烟气冷却系统和烟气加热系统:烟气冷却系统吸收脱硫后烟气的热量,并送至一次风管路及二次风管路;烟气加热系统吸收脱硫前高温烟气热量,并送至烟气冷却系统,使烟气升温。通过先冷却烟气析出凝结水,降低湿烟气比热,后加热烟气的所需热量减少,进而有效消除有色烟羽,同时降低耗能。

2.5 采用湿式电除尘器

湿式电除尘器的工作原理主要包括静电收尘和湿式除尘两部分。在直流高电压的作用下,金属放电线产生电晕放电,使周围气体电离,烟气中的粉尘和液滴表面荷电,在电场力的作用下,荷电粒子向收尘极移动并富集,采用水膜清灰方式,喷淋水流从收尘板上部流下,并在收尘板上形成一层稳定均匀的水膜,水膜向下流动,将极板上的粉尘带走,或依靠收集雾滴自流的清灰方式,粉尘随后冲刷到灰斗中排出[21-25]。相比于其他类型除尘器,湿式电除尘器对粉尘无要求,没有二次扬尘,除尘效率高,出口粉尘“近零排放”;同时,还能有效去除SO3气溶胶、重金属、有机污染物及PM2.5,对控制细粒粉尘、消除“蓝烟”和“石膏雨”效果良好。

2.6 添加烟气加热装置

当烟气湿度较大时,在排出烟囱后会凝结成小液滴,在太阳光的照射下,会出现有色烟羽现象。因此,提高烟气的温度,降低烟气的含湿量,可以有效减少有色烟羽现象。在除尘器至烟囱之间安装烟气加热装置,在烟气通过时将烟气加热。这样可以有效地降低烟气的湿度,在烟气排出烟囱时,就会减弱有色烟羽。

2.7 开发新型烟羽消除装置

在烟囱尾部装设有色烟羽的消除装置,可以减弱有色烟羽的存在。装置可以采用真空集热管的材料,做出蜂窝结构,有利于储存大量的热量,同时新型装置充有碱性物质。这样,在光的照射下,集热管可以吸收大量的热量并储存起来,在烟气通过时,将烟气进行加热,以有效避免烟气在烟囱出口存在冷凝的现象,同时可以吸附SO3等酸性气体,减少气溶胶的形成。

3 结 语

有色烟羽是由于SO3和NOx等气体在湿烟气中形成气溶胶排放到环境中,在太阳光的照射下形成的现象。根据煤种、含硫量等具体情况,可以优化掺烧技术、采用湿式电除尘器、对烟气加热或冷凝以及先冷凝再加热等技术、开发相应的消除装置等,可以有效降低烟羽现象,并具有成本低、运行方便等特点,应用前景良好。