低低温电除尘系统对SO3脱除性能研究

刘含笑，郦建国，姚宇平，崔盈，郭高飞，何海涛，刘美玲，沈敏超

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江省 诸暨市 311800）

0 引言

燃煤电厂烟气超低排放全面实施以来，常规大气污染物的排放已得到有效控制[1-3]。根据生态环境部公布信息，截至2018年12月底，国内完成烟气超低排放改造的燃煤电厂容量约8.1 亿kW，约占全国燃煤电厂总装机容量的80%，东、中部地区基本实现超低排放改造，河南、安徽、甘肃等部分省份提前完成超低排放改造目标。城市雾霾及重度雾霾天数均已呈减少趋势，但尚未对非常规污染物(如SO3等)提出限值要求及相应的控制措施。燃煤电厂烟气中的SO3主要来源于煤中的硫，煤燃烧生成的SO2会有一部分在炉膛内氧化生成SO3，占0.5%～2.5%[4-5]；一部分在选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)中氧化生成SO3，占0.5%～1.5%[6-8]。现阶段一般要求SO2/SO3转化率在1%以内。SO3的危害性大，也是大气二次气溶胶颗粒的重要组成部分，有研究[9]表明，国内大气二次气溶胶颗粒对大气环境PM2.5贡献率达到30%～77%。另外，SO3也是设备低温腐蚀、空预器堵塞及有色烟羽(如蓝烟/黄烟)排放等的主要诱因。因此，中国燃煤电厂的SO3减排控制迫在眉睫。

国外对燃煤电厂SO3排放已有明确的限值要求，如美国、日本、德国分别要求SO3的排放限值为0.6～6、10、50 mg/m3；中国尚未正式颁布国家标准，但已有部分地方政府提前出台了相关政策或标准，如上海、衡水规定硫酸雾(或SO3)的排放限值为5 mg/m3，浙江、河北等省出台了有色烟羽的控制要求。而目前燃煤电厂排放SO3质量浓度为0.3～22.7 mg/m3，如果全部按5 mg/m3排放限值进行考核，则达标率仅为66.7%[10]。低低温电除尘(low-low temperature electrostatic precipitator，LL-ESP)系统通过烟气冷却器(flue gas cooler，FGC)或烟气冷却器+烟气再热器，将电除尘器入口烟气温度降低至烟气酸露点(SO3露点)以下，一般为(90±5) ℃，在除尘提效的同时对SO3也具有较高的脱除效率[11]。

本文通过中试实验及现场实测相结合的手段，系统研究了低低温电除尘技术在国内的应用效果及SO3减排特征，为该技术的大规模推广应用及燃煤电厂SO3减排提供借鉴。

1 测试方法

目前，SO3测试方法主要有控制冷凝法和异丙醇吸收法，其中，控制冷凝法应用最为广泛，但GB/T 21508—2008 规定的控制冷凝法仅采用1级冷凝盘管，且未对盘管的尺寸规格作具体要求，而市面上常用的冷凝盘管并不能实现SO3的完全捕集，其捕集效率仅有80%左右[12]，甚至更低[13]。因此，本文对传统的控制冷凝法进行改进，通过2级盘管增加SO3的捕集效率，并在末级再增加1级80%异丙醇吸收环节[14-15]，以最大限度地实现SO3完全捕集，冷凝法+异丙醇吸收法采样系统示意如图1 所示，现场测试系统如图2 所示。采样枪加热控制在280～300 ℃，且采样枪前段布置有金属滤芯，以防止低温时粉尘颗粒对SO3的吸附造成采样损失；冷凝盘管置于恒温水浴内，恒温水浴的温度控制在60～65 ℃；异丙醇吸收瓶置于冰浴内，冰浴温度应控制在0 ℃左右。冷凝盘外径为9 mm，内径为6 mm，盘绕直径为120 mm，盘绕12 圈，有效高度为180 mm，冷凝盘管实物如图3 所示。

图1 冷凝法+异丙醇吸收法采样系统示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling system for condensation+isopropanol absorption method

图2 现场测试系统Fig.2 Field test system

图3 冷凝盘管Fig.3 Condensing coil

采用上述低浓度SO3采样方法进行现场实测，采样结束后采用去离子水分别对第1级、第2级冷凝盘管进行清洗，并测定洗液中的硫酸根含量。所采用的测定仪器为哈希DR 6000紫外-可见分光光度计，80%异丙醇溶液可以直接进行硫酸根分析。测定并计算各捕集单元所捕集到的SO3占比，结果如图4所示。从图4可以看出，第1级冷凝盘管所捕集到的SO3占比为63.39%～69.16%；第2级冷凝盘管所捕集到的SO3占比为26.23%～30.37%；末级异丙醇溶液所捕集到的SO3占比为0.47%～10.38%。由以上测试结果可知，冷凝法+异丙醇吸收法采样系统可以大幅提高SO3的捕集率及其测试数据的准确性。

图4 各单元捕集的SO3占比Fig.4 Capture ratio of SO3 in each unit

图5 为分别采用控制冷凝法(1 级盘管)和异丙醇吸收法进行对比测试的结果。由图5可以看出，异丙醇吸收液所测数据明显大于1 级冷凝盘管，表明异丙醇冰浴对SO3的捕集效果明显优于1 级冷凝盘管。

图5 测试结果对比Fig.5 Test results comparison

2 测试结果

2.1 中试平台试验测试结果

2.1.1 中试平台简介

利用神华国华三河电厂#3 机组的实烧烟气建立旁路中试平台试验系统(见图6)，烟气量为50 000 m3/h。其中：湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)布置在湿法烟气脱硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)装置顶端，采用一体化设计；引风机布置在电除尘器与WFGD装置中间；第1 级烟冷器布置在SCR 脱硝前，第2、3级烟冷器布置在电除尘器前，可通过调整第2、3 级烟冷器出力改变电除尘器入口烟气温度[16-17]，从而开展不同入口烟气温度时电除尘性能试验。

图6 中试平台试验系统Fig.6 Pilot test platform experimental system

煤种、飞灰主要成分如表1 所示，经计算分析，该实验煤种属于电除尘器较容易收尘的煤种。电除尘器为单室5 电场(4 个常规电场+1 个旋转电极电场)，实验期间采用全工频电源供电。电除尘器的主要技术参数见表2。

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

表2 电除尘器的主要技术参数Tab.2 Main technical parameters ofelectrostatic precipitator

2.1.2 实验结果

图7为不同入口烟气温度对应的各个污染物治理设备的SO3质量浓度及脱除效率。经测定，入口烟气温度分别为130、90、80 ℃时，电除尘器出口SO3质量浓度分别为1.25、0.10、0.14 mg/m3，烟气冷却器的SO3脱除效率分别为1.22%、78.46%、90.56%，电除尘器的SO3脱除效率分别为22.84%、82.14%、64.10%，低低温电除尘系统的SO3脱除效率分别为23.78%、96.15%、96.61%。130 ℃时电除尘器对SO3的脱除效率较低，但当烟气温度降低至90 ℃(酸露点以下)后，烟气中绝大部分SO3会被脱除。不同烟气温度时，对应的湿法烟气脱硫对SO3脱除效率变化不大。

图7 不同温度时SO3的质量浓度及脱除效率Fig.7 Concentration and removal efficiency of SO3 at different temperatures

2.2 工程实测结果

分别对A电厂某600 MW机组设计煤种/校核煤种(ESP 入口烟温90 ℃)、B电厂某1 000 MW机组(ESP入口烟温95 ℃)、C电厂某660 MW机组(ESP入口烟温90 ℃)进行现场实测，3个项目的基本情况如表3 所示，其中A 电厂采用GB/T 21508—2008规定的常规控制冷凝法，B、C电厂采用图1所示的“2级控制冷凝+1级异丙醇吸收”采样系统。低低温电除尘系统对SO3的脱除效率如图8所示，经测定，低低温电除尘系统对SO3具有很高的脱除效率(69.1%～96.6%)。

图8 低低温电除尘系统对SO3的脱除效率Fig.8 SO3 removal efficiency of LL-ESP system

表3 3个项目的基本情况Tab.3 Basic information of three projects

3 结果分析

为进一步分析低低温电除尘系统对SO3的脱除机制，推测低低温工况下(烟气酸露点温度以下)SO3冷凝及飞灰颗粒对SO3的吸附、团聚过程，如图9所示。气态SO3在酸露点温度以下时，会冷凝形成硫酸雾滴或气溶胶颗粒，并吸附在飞灰表面，酸雾会与飞灰中的碱性物质中和，在实现SO3高效脱除的同时，还降低了飞灰表面张力及比电阻，增强了颗粒表面黏性，有效促进细颗粒团聚[18-19]。为验证该推测，在某电厂烟气冷却器开/关时，测定电除尘器入口烟道及第1电场、第2电场灰斗中飞灰的硫含量，结果如图10所示。以电除尘器入口的飞灰为例，设计煤种、校核煤种飞灰中的硫元素质量分数增幅分别为56.41%、42.86%，表明烟气温度降至酸露点以后，飞灰颗粒对SO3存在明显的吸附现象。

图9 SO3吸附、团聚机制Fig.9 SO3 adsorption and agglomeration mechanism

图10 飞灰样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

采用静电低压撞击器(electrical low pressure impactor，ELPI)测定不同温度工况下电除尘器入口(FGC 出口)烟尘的粒径分布，如图11 所示。可以看出，在降温过程中，电除尘器进口10 μm 以下的各级粒径颗粒数量浓度及质量浓度均有明显降低。为进一步定量评价降温过程中颗粒团聚效果，规定PM2.5团聚效率表示为

图11 不同温度时电除尘器入口颗粒累计粒径分布Fig.11 Accumulated particle size distribution at the entrance of ESP at different temperatures

式中：η为PM2.5团聚效率，%；M1为降温前PM2.5质量浓度，mg/m3；M2为降温后PM2.5质量浓度，mg/m3。

经计算，烟气温度从130 ℃降低到90 ℃和80 ℃时，对应的PM2.5团聚效率分别为46.76%、60.08%。

张宇博等[20]通过微观结构分析，研究了颗粒物吸附硫酸酸雾后的团聚现象，以及各因素对团聚的影响程度，部分结果如图12所示。通过观察发现，硫酸酸雾在颗粒物表面产生一层液膜，使颗粒物间黏附力增强，强化了团聚效果；初始阶段主要发生小颗粒在大颗粒表面的黏附以及小颗粒之间的凝并，随后发生大颗粒之间的团聚；温度降低会提升颗粒物团聚的效果，但提升程度与吸附时间有关。

图12 粉尘颗粒物吸附反应前后形貌特征变化Fig.12 Changes of morphological characteristics of ash particles before and after adsorption

低低温电除尘技术源于日本，在其早期的工程应用中对SO3的脱除效率很高，一般在80%以上，最高可达90%以上[21-22]。表4为日本三菱、日立公司低低温电除尘技术SO3排放数据。

表4 三菱、日立低低温电除尘技术SO3排放数据Tab.4 Emission data of SO3 for LL-ESP of Mitsubishi and Hitachi

与日本的应用相比，国内部分项目的SO3脱除效率相对较低，推测其原因，一方面是本身技术上还有待进一步提升，另一方面可能是测试误差或测试方法不当。

4 结论

1）提出了一种低浓度SO3测试方法，即“2级控制冷凝+1级异丙醇吸收”采样法，可大幅提高SO3的捕集率及其测试数据的准确性，通过测试分析，第1、2级冷凝盘管及末级异丙醇溶液捕集到的SO3分别占63.39%～69.16%、 26%～30% 和0.5%～10%。

2）采用低浓度SO3测试方法测定了三河电厂中试平台上电除尘器入口烟气温度为130、90、80 ℃时低低温电除尘系统(FGC+ESP)的SO3脱除效率，分别为23.78%、96.15%、96.61%，分析并验证了低低温工况下飞灰颗粒对SO3的吸附、团聚机制。

3）工程现场实测结果表明，低低温电除尘系统对SO3具有很高的脱除能力，脱除效率在69.1%～96.6%，但与国外应用相比，国内部分项目的SO3脱除效率较低，推测其原因，一方面是本身技术上还有待进一步提升，另一方面可能是测试误差或测试方法不当。