燃煤烟气中SO3的产生与转化及其抑制对策探讨

醉清风

1SO3在锅炉系统中转化途径

对于燃煤锅炉，SO3的产生与转化受到多个系统的影响，包括炉膛、SCR系统、空气预热器、静电除尘器、FGD系统等，对于烟囱入口的SO3排放浓度，必须考虑每个环节产生和消除的SO3，并进行综合估算后得到。

1.1锅炉炉膛

煤中的硫在炉膛内燃烧会生成SO2，SO2进一步与原子态氧(O)反应转化为SO3，同时在锅炉管壁积灰的催化作用下，SO2与O2反应生成SO3，转化效率与煤中硫分、烟气温度、过剩空气量、管壁积灰的成分等因素有关，反应主要发生在辐射受热段和对流段，转化率大约在1%～2%。

1.2SCR系统

SCR中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℃[4]，温度越高，催化剂中V2O5的担载量越大，SO3的转化效率也越高。SCR系统中SO3转化率大约为0.5%～1.5%。

1.3空气预热器

空预器冷端传热元件上SO3经常发生酸凝结，硫酸蒸汽易凝结在空预器表面粘附的飞灰颗粒上被收集，同时SCR系统中泄露的NH3也可能在此与SO3反应，转化为粘性固体硫酸氢铵(ABS)而被去除。SO3减少量取决于烟气温度、空预器类型等，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，而回转式空预器中SO3减少量要高于管式空预器。通常空预器对SO3的脱除率大约为10%～15%。

1.4静电除尘器

从空预器排出的飞灰上凝结的硫酸将会和飞灰一起被静电除尘器脱除，SO3的脱除率取决于烟气温度和飞灰成分，通常静电除尘器对SO3的脱除率大约为10%～15%。

1.5FGD系统

FGD系统也附带有SO3的脱除效应，但由于脱硫浆液对SO2的吸收速率大于SO3的吸收速率[5]，而烟气在吸收塔内的停留时间较短，同时硫酸蒸汽在吸收塔内冷凝成非常细的硫酸气溶胶，吸收塔对硫酸气溶胶的脱除效果不佳，SO3的脱除效率通常为30%～40%，这也与试验测试数据相吻合[6]。

假定某电厂燃煤含硫量为2%，则烟气中SO2的浓度大约为1600ppm，下表为设置与未设置SCR时锅炉系统各环节SO3浓度估算。

可以看出，设置SCR系统后SO3的排放浓度比未设置SCR时增加了一倍，SO3的排放浓度主要取决于煤的含硫量以及SCR系统对SO2转化为SO3的氧化率。了解了SO3在锅炉系统的源与汇，在工程上可以大致估算出烟囱入口SO3的排放浓度。

2抑制SO3生成和排放的措施

SO3的存在会给锅炉系统及烟囱排烟造成众多不利影响，如果能有效脱除烟气中SO3，不仅能减少由于硫酸气溶胶排放对健康、环境造成的影响，而且能提高电厂的效率和经济性。同时，由于SO3会降低飞灰对汞的吸收能力，在系统增加脱汞装置后，降低SO3的含量可以提高汞的脱除效率和活性炭的携带能力。下面为目前值得考虑的抑制SO3生成和排放的几个方向。

2.1吸收剂喷射吸收脱除SO3技术

在SCR下游采用吸收剂喷射技术，向空预器进口或者出口烟道内喷射消石灰、氢氧化镁、亚硫酸氢钠、倍半碳酸钠等碱性物质，与SO3发生选择性反应从而脱除SO3，脱除效率主要来自两个反应机理：快速的液相反应和由于产生了高比表面积的固体微粒，使得可能与SO3发生快速的气固反应。该技术对SO3的脱除较为彻底，脱除效率可达90%以上，可以将SO3脱除到很低的浓度(<3ppm)，得到最大的效益。

近10年来CodanDevelopmentLLC公司开发了一种商业化的SO3脱除技术，称为SBS喷入技术，采用亚硫酸氢钠溶液、亚硫酸钠溶液、固体亚硫酸钠、固体碳酸钠以及含有亚硫酸钠/亚硫酸氢钠的湿法FGD副产物等作为吸收剂，图2为SBS喷入工艺的简化流程图。目前SBS喷入技术已在美国12台机组上得到应用，总装机容量超过8500MW，SO3设计入口浓度范围为42～110ppm，SO3脱除效率在90%～98%之间。此项技术可以大幅降低SO3的排放浓度，但基建和运行费用较高，同时吸收剂喷射与雾化技术还需进一步改进。

2.2低SO2氧化率脱硝催化剂的开发

SCR系统中SO3的转化对SO3排放浓度贡献极大，开发低氧化率催化剂可以有效地减少SO3的生成，低SO3氧化率催化剂的一个重要指标为KNOx/KSOx，提高KNOx/KSOx比可在保证高脱硝活性的同时，将SO2氧化率控制在合理范围内，通过调整催化剂配方、催化剂壁厚孔结构[7]等来开发低SO2氧化率催化剂。

根据不同烟气成分，选择催化剂中合适的V2O5含量，使得催化剂具有较大的脱硝活性，同时SO2氧化率较低，催化剂中添加WO3和MoO3等助催化剂成分也会改善SO2的氧化活性;SO2氧化发生在所有催化剂壁厚内，而NOx的氧化主要发生在催化剂壁面，采取有效方式降低壁厚同时保证催化剂的机械强度和耐磨飞灰磨损性，可以降低SO2氧化率;平板式催化剂使用不锈钢筛网板作为支撑，可以减少催化剂活性成分的使用，缓解催化剂的SO2氧化性能，同时在高灰条件下长久保持活性，在低SO2转化率方面具有天生优势。

2.3干法脱硫技术

干法脱硫技术主要有三类：喷雾干燥法、炉内喷钙法和循环流化床烟气脱硫法。由于干法脱硫技术中SO3直接与碱性吸收剂反应，SO3的脱除效率很高，一般可达到90%以上，脱硫后烟气的酸露点大大降低，一般在60℃以下，未脱除的SO3不会生成硫酸气溶胶，在烟囱排烟出也不可能出现蓝烟现象。同时排烟温度高于烟气水露点温度，因此也不会产生由水蒸气形成的白色烟羽，对烟道和烟囱不会产生腐蚀现象，干法脱硫技术对解决SO3造成的问题效果明显，但其脱硫效率较湿法低，因此需要针对不同脱硫项目的具体情况，选择性价比最高、能满足环保要求的方案。