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燃煤电站脱硝系统氨逃逸及其衍生细颗粒物排放特征综述
时间:2018-04-08 15:29:21

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综述了硫酸铵盐在不同环境下的形成/转化机理以及氨逃逸对燃煤PM2.5排放特征的影响,论述了氨逃逸、SCR运行参数和烟气组分等因素对硫酸铵盐形成特征的影响,分析了氨逃逸对沿程设备安全运行的影响。最后,对今后氨逃逸及其衍生细颗粒物深度减排的研究方向进行了展望,指出探索硫酸铵盐在烟风系统中的迁移转化规律及实现氨逃逸主动控制具有重要意义。


近年来,氨气与PM2.5的联系受到了科学家们的关注,大气环境尺度的PM2.5源解析研究得知,NH3与酸性物质在特定气象条件下经过一系列物理化学变化形成的硫酸铵和硝酸铵在PM2.5中占比较高,为30%~60%,重度污染天气具有更高比例。通过氨排放清单来看,我国氨排放主要来自畜牧业、农业化肥施用以及工业、机动车、废物处理等行业,畜牧业和农业的贡献超过80%。

在严格的环保法规约束下,烟气脱硝装置已推广应用至燃煤机组上。根据中电联数据,截至2016年底,全国火电厂投运脱硝装置的机组容量占比达86.7%。因此,随着农牧业氨排放量趋于稳定,工业排氨的贡献可能会有所提升,这将成为氨气污染减排的新重点。

目前,燃煤发电机组NOx的减排效果十分显著,但过分追求脱硝效率容易引发氨逃逸问题,进而增加燃煤机组的氨排放量。此外,NH3作为典型碱性气体,可在烟风系统中与酸性烟气组分结合,从而影响燃煤PM2.5的物化特征。

因此,针对典型燃煤电站,亟需关注氨逃逸对烟风系统乃至大气环境带来的负面影响。基于上述背景,本文中重点综述了氨逃逸对燃煤PM2.5排放特性及硫酸铵盐细颗粒物形成特征的影响规律,并探讨了氨逃逸对污染物控制设备的影响。

1氨逃逸对燃煤细颗粒物排放的影响

现阶段,烟气脱硝的主流技术是选择性催化还原法(SCR),在商用V2O5-WO3/TiO2类催化剂的作用下,加入NH3还原剂将NOx还原成N2,实现NOx的无害化处理。受催化剂老化、中毒、负荷波动等因素影响,喷入的NH3很难完全反应,致使部分NH3在SCR脱硝过程中未被消耗,引发氨逃逸现象。

同时,催化剂中活性组分钒还能将部分SO2(0.75%~1.5%)氧化生成SO3,转化率与烟气温度、V2O5负载量正相关。逃逸NH3和SO3可在一定条件下反应生成硫酸铵盐,可能增加燃煤一次PM2.5排放浓度,并影响PM2.5的物化特征。因此,有必要详细论述燃煤机组细颗粒物排放特征在

氨逃逸作用下的变化规律,主要包括烟风系统中硫酸铵盐的形成/转化和燃煤PM2.5的物性识别。

1.1硫酸铵盐的形成和转化

1.1.1硫酸铵盐的形成机理

大量研究发现,逃逸氨可与新生成的SO3、H2O(或H2SO4酸雾)在SCR脱硝系统、空预器(APH)和烟气中发生反应,利用形貌分析、元素分析和物相分析等表征手段,得知产物主要是氨逃逸衍生的NH4HSO4(ABS)和(NH4)2SO4(AS)细颗粒物,故推测反应机理如公式(1)~(5)所示。结合化学热力学分析,这些反应的吉布斯自由能都小于零,因此从热力学角度上看,形成硫酸铵盐的正反应比较容易进行。

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4(1)

NH4HSO4+NH3→(NH4)2SO4(2)

2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4(3)

SO3+H2O→H2SO4(4)

H2SO4+NH3→NH4HSO4(5)

已有研究报道NH4HSO4的生成路径有2个,对应着反应(1)和(5),通过化学反应平衡计算得知H2SO4与SO3的体积比和烟气温度负相关,在空预器温度窗口下反应(5)可能占主导。进一步探索形成硫酸(氢)铵的反应动力学特性,发现NH4HSO4生成速率高于(NH4)2SO4,说明反应(2)可能是硫酸铵生成的主要反应通道。

Radian公司通过动力学模型(Radian=[SO3]×[NH3]×[TABS形成-T出口烟气平均值])评估了NH4HSO4在空预器中的生成速率,发现NH4HSO4的形成与反应物NH3、SO3浓度正相关,与烟气温度、APH运行温度也紧密相关,且Radian数为5000~7000时APH中的沉积物不易引起堵塞。

1.1.2硫酸铵盐的转化规律

关于硫酸铵盐在烟风系统中的转化过程,考虑到空预器冷端温度窗口更有利于ABS的形成和凝结,当前研究主要关注ABS在空预器中的物理化学变化。(NH4)2SO4和NH4HSO4的熔点分别为513、147℃,在典型SCR脱硝和APH运行温度窗口下,(NH4)2SO4是一种干燥粉末状物质,主要以固态细颗粒形式存在于烟气中并排出;

APH通常可将烟气温度从350℃降至150℃以下,而气相ABS的露点温度为270~320℃,故部分ABS会发生凝结,液态ABS具有较强腐蚀性和吸湿性,容易黏附飞灰并沾污空预器冷端受热面。近年来,在SCR脱硝装置不断加装的背景下,国内已有燃煤机组空预器因ABS的均相/非均相凝结成核而出现堵塞问题。


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