燃煤电厂SO3排放特征及其脱除技术

摘要：通过现场实测和文献调研相结合的方式，对目前燃煤电厂SO3排放特征进行较全面的表征，排放浓度为0.3~22.7mg·m-3，按10mg·m-3和5mg·m-3排放限值考核，达标率分别为89.8%、66.7%。对现有除尘、脱硫设备及新技术的SO3脱除能力进行定量分析，常规电除尘器对SO3脱除率仅为10%~20%；低低温电除尘技术可达95%以上；电袋复合除尘器可达80%以上；常规石灰石石膏湿法脱硫技术多在30%~60%，采用旋汇耦合、双托盘等技术后，SO3脱除率可达90%以上；金属板式湿式电除尘器多在50%~80%，导电玻钢管式湿式电除尘器多在60%~90%；碱基干粉或溶液喷射技术均可达到80%以上的SO3脱除效果；烟气冷凝相变凝聚技术在消除有色烟羽的同时，也具有一定的SO3脱除效果。根据不同SO3脱除技术对比结果，碱基喷射技术不仅可以实现较高SO3脱除效果，还可有效解决空预器的腐蚀、堵塞等问题，将是未来解决高浓度SO3问题的主流技术方向。

燃煤电厂烟气“超低排放”全面实施以来，常规大气污染物（如颗粒物、SO2、NOx等）的排放已经得到了有效控制，2016年中国火电厂颗粒物、SO2、NOx排放量分别为35万、170万、155万t，约占2006年排放量的10%、13%、14%，相应的治理技术及技术路线也达到了较高水平，城市雾霾天数，尤其是重雾霾天数已呈减少趋势，但对SO3等非常规污染物的排放尚未采取针对性的控制措施。

燃煤电厂烟气中的SO3主要来源于煤中的硫，在炉膛内及炉膛出口的高温烟气中，煤燃烧生成的SO2会有一部分（约0.5%~2.5%）转化为SO3，SCR催化剂也会促进部分SO2氧化成SO3，其转化率约0.5%~1.5%，现阶段对催化剂使用，一般要求转化率控制在1%以内。SO3的危害性远远大于SO2，不仅会引起后续设备腐蚀，形成硫酸氢铵，造成设备堵塞，还是电厂有色烟雨（如蓝烟/黄烟）的主要诱因之一，是酸雨形成的主要原因，也是大气二次气溶胶的重要组成（二次气溶胶对中国大气环境PM2.5贡献率达30%~77%）。因此，摸清现阶段中国燃煤电厂的SO3排放特征，并采取针对性的控制措施，是非常有必要的。本研究通过现场实测和文献调研相结合的方式，对目前燃煤电厂SO3排放特征及控制技术进行研究，对未来燃煤电厂的SO3控制技术选取提供借鉴。

1 国内外燃煤电厂SO3排放限值要求

为解决SO3污染问题，美国已有22个州对燃煤电厂SO3提出了排放限值要求，其中有14个州的排放限值低于6mg·m-3，弗罗里达州最为严格，排放限值为0.6mg·m-3。德国规定燃煤电厂的SOx排放限值为50mg·m-3。日本将硫酸雾作为颗粒物，按颗粒物的总量进行控制。新加坡规定固定源SO3排放标准为10mg·m-3。

在2015年，上海市发布地方标准《大气污染综合排放标准》（DB 31/933-2015），规定硫酸雾排放限值为5mg·m-3。近年来，部分地方政府陆续发布了燃煤电厂有色烟羽的控制要求，如2017年上海市发布《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求（试行）》、2018年浙江省发布《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB33/2147-2018）等。

2 燃煤电厂SO3排放特征

通过现场实测和文献调研相结合的方式，搜集燃煤电厂SO3排放数据，剔除部分不完整及明显不合理的数据，共整理得到有效的燃煤电厂SO3排放质量浓度数据108组，其中，循环流化床干法脱硫、海水脱硫出口排放的SO3质量浓度数据分别有2组、4组（文献调研数据），湿法脱硫出口排放的SO3质量浓度数据19组（实测4组，文献调研15组），湿式电除尘器出口排放的SO3质量浓度数据83组（实测54组，文献调研29组），燃煤电厂SO3排放数据统计如图1所示。

燃煤电厂SO3排放质量浓度的测定，采用控制冷凝法进行采样，如图2（a）所示。采样方法符合GB/T21508-2008、DL/T998-2006的规定；当SO3浓度较低，尤其是前级干式电除尘器为低低温电除尘器时，采样方法采用控制冷凝+80%异丙醇吸收法，如图2（b）所示。此时可最大限度的保证SO3的完全捕集，部分电厂实测过程中不同单元捕集到的SO3比例如图3所示。与常规的单级冷凝盘管采样方法相比，数据准确度可大幅提高。采用自制的垂直式或水平式冷凝盘管进行SO3收集，采样枪为ZR-D03A高温采样枪，抽气泵为崂应3012H，冷凝盘管采用去离子水进行清洗，去离子水或异丙醇中的硫酸根浓度采用DR6000分光光度计进行测定。

由图1可知，燃煤电厂SO3排放浓度中，干法脱硫、石灰石石膏湿法脱硫（WFGD）、湿式电除尘器（WESP）出口排放分别为2.3~10.4、2.0~22.7和0.3~14.8mg·m-3，平均值分别为6.4、8.6、4.2mg·m-3。如按10mg·m-3的排放限值，调研的电厂中将有89.8%的是达标的，其中末端环保设备为WFGD的达标率为78.9%，末端环保设备为WESP的达标率为97.6%；如按5mg·m-3的排放限值，调研的电厂中将有66.7%的是达标的，其中末端环保设备为WFGD的达标率为57.9%，末端环保设备为WESP的达标率为72.3%。

图1 燃煤电厂SO3排放数据统计

图2 SO3采样系统

图3 各单元捕集的SO3数据占比

3 现有除尘及脱硫设备的SO3脱除能力

3.1 干式除尘设备对SO3的脱除能力

3.1.1 常规干式电除尘技术

常规干式电除尘器入口烟气温度一般在120~130℃，高于烟气的酸露点温度，但燃煤飞灰具有一定的吸附作用，也会吸附部分SO3，其附着在飞灰颗粒表面或缝隙内被电除尘器收集下来。相关研究表明，常规电除尘器对SO3的脱除率较低，约为10%~15%，如图4所示。采用图2（b）所示的SO3采样系统，基于50000m3·h-1实际烟气中试实验系统，测定电除尘器入口烟温，当烟温为130℃时，电除尘器对SO3的脱除率为22.8%，如图4所示。常规干式电除尘器对SO3的脱除能力很有限。

图4 常规干式电除尘器对SO3的脱除率

3.1.2 低低温电除尘系统

低低温电除尘系统通过烟气冷却器降低电除尘器入口烟气温度至酸露点以下，一般在（90±5）℃，此时，烟气中的大部分SO3会在烟气冷却器中凝结，并吸附在粉尘表面，有效促进颗粒团聚，并使粉尘性质发生很大变化，大幅提高除尘效率，同时去除大部分的SO3。低低温电除尘系统中SO3冷凝吸附及颗粒团聚机制如图5所示。经测定，某660MW机组低低温电除尘系统烟气冷却器投运前后电除尘器入口、电除尘器第1电场、第2电场飞灰中的硫酸根含量如图6所示。烟气温度降至酸露点以后，飞灰中的硫酸根含量均有不同程度的增加，对图5的SO3冷凝吸附机制进行了有效验证。

图5 SO3冷凝吸附及颗粒团聚机制

图6 飞灰中硫酸根质量分数

低低温电除尘技术最早应用于日本，其对SO3的脱除率一般在80%以上，最高可达90%以上。采用图2所示的SO3采样系统，分别对某600MW机组设计煤种（ESP入口烟温90℃）、600MW机组校核煤种（ESP入口烟温90℃）、1000MW机组（ESP入口烟温95℃）、某50000m3·h-1实际烟气中试实验系统、660MW机组（ESP入口烟温90℃）进行现场实测，分别测定烟气冷却器入口及电除尘器出口SO3质量浓度，并计算其SO3脱除率，如图7所示。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%。

图7 低低温电除尘系统对SO3的脱除率