【技术汇】燃煤电厂烟气三氧化硫控制冷凝法测试分析

作者 | 王凤阳 吕海生 钟犁 韩立鹏 江建忠 肖平

中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司

研究结果发现:

①控制冷凝法采样过程中的过滤装置和螺旋离心管对采样准确性有重要影响，控制冷凝法采样过程中宜采用撞击除尘与过滤除尘相结合的方式;采样过程中冷凝温度控制宜实现实时调整，精确控制;

②控制冷凝-离子色谱法采样溶液中含有的卤素离子部分反映采样误差大小，可以根据其浓度相对高低来调整冷凝温度以降低采样误差;

③SCR能够强烈氧化烟气中的二氧化硫生成三氧化硫,其浓度升高约3倍，空预器对三氧化硫的去除效率约为86%。

0引言

作为一种新兴污染物，燃煤电厂的三氧化硫污染问题曰益受到关注。燃煤电厂烟囱排烟中三氧化硫质量浓度达到18mg/m3，烟气会产生明显肉眼可见的蓝色，影响排烟透明度。

此外，由于三氧化硫会提高烟气的酸露点，在烟气降温后，发生凝结，形成硫酸，对生产设备和管道产生腐蚀，特别是空气预热器和尾部烟道。阐明燃煤电厂三氧化硫的生成机制及在生产过程中的迁移转化规律对于高效、低成本的实现三氧化硫的排放控制和削减对生产设备的负面影响至关重要。 烟气中三氧化硫的浓度检测是后续工作的基础。

目前，烟气中三氧化硫的测试方法主要以异丙醇吸收法和控制冷凝法为主。异丙醇吸收法以高浓度异丙醇溶液(80% )作为吸收液，烟气在去除颗粒物之后通过吸收液，其中的三氧化硫被吸收，而二氧化硫则不发生氧化吸收，能够通过吸收液。通过后续测定异丙醇吸收液中的硫酸根离子浓度，能够计算得到烟气中的三氧化硫浓度。

但在实际操作中，烟气中的少部分二氧化硫会溶解于吸收液中，在被氧化成为三氧化硫后对测试结果产生影响。消除这一误差的主要方式是对采样过后的吸收液通过氮气等惰性气体吹扫去除其中的二氧化硫。控制冷凝法则是依靠可控温度下离心力的作用来实现三氧化硫的分离捕集。烟气在过滤颗粒物后进入螺旋离心管，烟气在作旋转运动的过程中，由于离心力作用，三氧化硫被捕集在螺旋离心管的管壁上，同时该离心管通过水浴加热，控制温度在65~80°C ,保证低于酸露点而高于水蒸气和其他酸性气体的露点。采样结束后，使用高纯水清洗螺旋离心管，通过测定高纯水中的硫酸根离子浓度计算烟气中三氧化硫的浓度。控制冷凝法是当前燃煤电厂烟气三氧化硫的主要测试方法。研究普遍认为，烟气中的三氧化硫主要来自于2部分：锅炉炉膜内 0. 5% ~2%的二氧化硫转化生成三氧化硫，选择性催化还原装置(SCR)催化0. 3% ~2%的二氧化硫生成三氧化硫。

可见，三氧化硫的测试环境包含整个燃煤电厂生产流程。然而，当前国内外对于燃煤电厂实际生产过程中的三氧化硫测试结果还较少，对于控制冷凝法在实际测试过程中相关具体技术问题的认识还不够深入。因此，本文采用控制冷凝法对某燃煤电厂生产过程中不同烟气环境条件下的三氧化硫浓度进行了测试，分析了控制冷凝法所面临的技术问题，并提出了解决建议。

1测试情况

1.1 测试方法与设备

采用控制冷凝法对燃煤电厂烟气三氧化硫进行采样。控制冷凝法的原理如图1所示。

                                          图1 控制冷凝法采样序列示意

首先烟气经过一个过滤器去除其中的颗粒物，随后进入到伴热烟枪中被引出烟道，伴热烟枪温度维持在180℃，以避免烟气中的成分，特别是三氧化硫在烟枪中发生凝结，影响到测量结果。

此后烟气进入螺旋离心管，烟气中的三氧化硫被捕集。螺旋离心管长度为500mm。螺旋离心管通过水浴加热，温度维持在65~75℃。在螺旋离心管之后，测试装置布置有两个3%浓度的H2O2吸收瓶吸收烟气中的酸性气体等杂质，一个硅胶瓶以去除气体中的水分。

最后通过流量计和泵排入大气。采样流量为10L/min。在采样结束后，停止水浴加热，排空热水，取下螺旋离心管，从烟气流经的反方向使用高纯水进行冲洗，重复3次。将冲洗得到的溶液统一收集至容器中，定容后保存在4℃下。本研究中采用离子色谱对溶液中的硫酸根离子浓度进行分析，计算烟气中三氧化硫浓度。

1.2 测试燃煤电厂和测试点位

在某燃煤电厂机组上选取了4个不同的测试点位，对烟气中三氧化硫浓度进行了采样分析。

该机组装机容量为360MW，主要生产流程为燃煤锅炉、省煤器、SCR、空预器、静电除尘器、石灰石-石膏湿法脱硫塔。为了考察不同烟气环境下控制冷凝法的测试效果，选取SCR前、SCR后、空预器后和除尘器后4个测试点位。

考虑到SCR前代表了锅炉出口烟气三氧化硫浓度，反映了锅炉内三氧化硫生成情况，SCR后代表了 SCR对二氧化硫的催化效果，空预器后和除尘器后则反映了空预器和除尘器对三氧化硫的捕集效果。4个测试点位烟气温度逐渐降低(350 ~ 140℃)，可以考察测试方法对采样烟气温度的适应性。

此外，4个采样点中，SCR前烟气中含有高浓度的氮氧化物，而SCR后、空预器后和除尘器后的烟气中氮氧化物浓度较低，且含有少量的氨，能够反映烟气成分变化对测试方法的影响。最后，前3个测试点位(SCR前后和空预器后)烟气中含有高浓度的颗粒物，而除尘后则含有微量的颗粒物，能够反映测试方法对含有不同颗粒物浓度的烟气的适应性。

2测试结果与讨论

2.1三氧化硫采样过程讨论

(1)过滤装置

烟气中三氧化硫的采样和测定针对气态三氧化硫进行。如果烟气中含有颗粒物，在螺旋离心管中将与三氧化硫一起被捕集在管壁当中，经过高纯水清洗之后，进入到最后的溶液中。对颗粒物来说，这相当于高纯水浸出，颗粒物表面含有的硫酸根基团将进入溶液当中，对测定结果造成影响。因此，在测定中需要先去除烟气中的颗粒物。

在之前的研究中，通常采用加热过滤器，处于伴热烟枪之后，在去除颗粒物的同时尽量避免对三氧化硫测试的影响。本文采用刚玉材质的过滤器，并处于整套系统的最前端，此时过滤器的温度即为烟气温度，满足本研究的需要。但过滤器表面积存的飞灰将对烟气中的三氧化硫发生吸附，且吸附随着飞灰层厚度的增加而不断增加。因此，为了将采样误差控制在较小的范围内，当采用过滤装置时，采样时间应适当缩短,在采样后对过滤器及时清理。

可以考虑将原有的过滤装置更换为撞击器+过滤器组合方式，通过前置撞击式除尘装置能够在尽可能去除颗粒物的同时最大限度的降低对三氧化硫的影响。考虑到此时温度远高于酸露点，三氧化硫表现为气态，撞击式除尘器对三氧化硫影响很小。随后再采用过滤式除尘装置，由于颗粒物浓度减小，过滤器表面飞灰层厚度亦很小，对于三氧化硫的吸附作用受到了削弱，有助于减小采样误差。

(2) 螺旋离心管

烟气在流入螺旋离心管后，烟气中的三氧化硫在离心力的作用下被捕集在管壁上。为了保证捕集效果，气体在螺旋离心管中应该有足够的流速，以产生较大的离心力，使烟气中的三氧化硫与螺旋离心管发生碰撞，同时螺旋离心管的长度应该保证烟气有足够长的停留时间以控制捕集效果。本文螺旋离心管的长度大于500mm，气体的流速控制在10 L/min。