高硫残渣燃烧SO₃控制：从氨喷干式电除尘到“盐溶液喷雾+湿式电除尘”

三菱重工机电系统公司高硫油品锅炉烟气SO₃减排实践与技术路径解读

关键词
SO₃,湿式电除尘,盐溶液喷雾,氨喷射,干式电除尘,蓝烟治理,高硫残渣燃烧,烟气深度治理

近十多年，炼油行业为满足成品油超低硫要求，不可避免地把更多含硫较高的真空渣油（VR）、石油焦（PC）、SDA沥青（SDA pitch）等残渣留在了“底部”。这些高硫残渣一方面被视作废物处理负担，另一方面又是大型燃油电站和工业锅炉眼中的“廉价高热值燃料”。在经济性与资源利用率的双重驱动下，高硫残渣燃烧正在成为一个全球范围内的趋势。

随之而来的是烟气深度治理的新难题：不仅要高效脱除SO₂，还必须系统性控制SO₃及其生成的硫酸雾滴（H₂SO₄ mist）。过量的SO₃会在空气预热器、烟道以及静电除尘器（ESP）内部形成强腐蚀性冷端腐蚀，同时在烟囱出口产生“蓝烟”现象，直接冲击装置寿命和环保达标风险。这使得“SO₃控制”“蓝烟治理”“高硫燃料烟气综合治理”等关键词，逐渐成为电力、石化、公用工程领域的技术风向标。

本文基于三菱重工机电系统公司（Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems, Ltd.）Nagata Chikayuki、Miyake Kazuaki、Nagasawa Hiroyuki、Noguchi Toshihide 等作者发表的《Experiences of Systems to Reduce SO₃ from Flue Gas of Combusting High Sulfur Content Residual Materials in Oil Refinery》一文，系统梳理其在高硫残渣锅炉上应用“氨喷射+干式电除尘（NH₃ Injection + Dry ESP）”与“盐溶液喷雾+湿式电除尘（Salt Solution Spray + Wet ESP）”两条技术路线的工程经验，对国内相关项目在工艺选型与运行策略上具有重要参考价值。

首先需要明确，高硫燃料燃烧后产生的大量SO₂，在锅炉对流受热面和SCR脱硝催化剂上会进一步被催化氧化为SO₃，其转化率受受热面金属催化特性和SCR工况影响较大。当燃料硫分明显升高时，烟气中SO₃浓度轻易就可以达到甚至超过100 ppm 的水平。传统的思路是，在空气预热器出口（即干式ESP入口）喷入稀释氨气，使烟气中的SO₃与NH₃和水蒸汽发生一系列反应，最终尽量转化为固体硫酸铵（(NH₄)₂SO₄）微粒，再由干式电除尘器捕集排出。

理想状态下的主要反应可简化描述为：

SO₃ + NH₃ + H₂O → NH₄HSO₄（气态）

NH₄HSO₄ + NH₃ → (NH₄)₂SO₄（固体颗粒）

通过适当过量的氨喷射，使大部分SO₃被“推”到硫酸铵终产物，实现良好的静电除尘可捕集性。然而工程实践表明，当SO₃负荷显著升高时，体系中会不可避免地生成大量中间产物，如NH₄HSO₄及其他铵盐中间体。这些NH₄–SO₄体系中间物具有极强的吸湿性和黏结性，一旦与锅炉尘粒及硫酸铵固体混合，就形成所谓“粘灰”“湿粘灰”，对干式电除尘器的气流分布、电气性能和灰斗排灰系统产生连锁冲击。

在“氨喷射+干式ESP”系统中，首先暴露问题的是进气导流板（气体分布板）的堵塞。该部位位于干式电除尘器入口喉部，承受全截面最高的粉尘负荷，是NH₄–SO₄中间物与飞灰混合粘附的首要靶区。三菱的现场照片显示，多台机组的导流板开孔被粘灰几乎完全糊死，导致除尘器进出口压降急剧上升、引风机过载，严重时不得不停机处理。数值模拟（CFD）进一步证实，局部堵塞会在极短距离内形成高速度“喷射”气流，气流偏流叠加流体振动，已经导致部分机组集尘极结构损坏、极板脱落，引发整流段T/R（变压整流装置）频繁跳闸。

针对这一问题，三菱从结构与振打两端着力：一是重新设计气体分布板结构和开孔形式，降低积灰和搭桥风险；二是强化分布板专用振打装置的布置和力度，使粘灰在尚未形成整体硬壳前被及时剥落。作者特别指出，这类导流板严重堵塞，并不是传统燃油锅炉ESP的常见故障，而是伴随高硫燃料、低温烟气和高SO₃工况才集中暴露的新问题，因此在国内高硫残渣改煤改油项目中不应简单套用旧设计。

更棘手的是电场内部电极的粘灰与剥落。NH₄HSO₄类中间物的荷电与迁移性能并不差，反而容易被高场强高电流状态迅速沉积在集尘极表面，形成致密黏结层。当沉积层逐渐增厚到一定厚度后，在振打或热应力作用下会以“大块”形式整体剥落，极易在板极与线极之间搭桥短路，使该母线段完全丧失供电能力。同时，放电极一旦被黏灰包裹，极尖效应大幅衰减，冠流电流快速下降，即使控制系统仍在“满负荷追电压”，实际粉尘迁移速度已明显退化。

因此，在高硫燃料条件下运维干式ESP，重点不在“把性能压榨到极致”，而是“主动牺牲部分效率换取长期连续运行”。三菱的经验是：

– 初期运行阶段，尽量避免在电场最优区间（高电流）长期工作，适度压低工作电流，减缓极板粘灰速度。

– 采用底部敲击的翻板式（tumbling type）振打布置，使整个极板长度方向的振打加速度尽可能均匀，有利于黏灰在尚未过度硬化前被逐步清理，而不是等“大块掉落”。

– 在最前级电场选用大电流型放电极，并增加长针形放电尖端，在部分被包覆情况下仍能维持一定电流输出。

– 通过“烟气分流+挡板系统”，实现逐箱（或逐电场）停电振打。即局部关闭某一烟道挡板、切断烟气流后，在无烟气工况下进行电源停运振打，避免再飞扬粉尘影响整体除尘，兼顾电场恢复和下游设施安全。

– 在母线分区设计上尽可能细分，一段电场局部短路不至于“拖死”整台ESP，为高硫高SO₃工况下维持基本除尘能力预留冗余。

尽管采取了上述一系列强化措施，当NH₄–SO₄中间产物比例较高时，干式ESP内部仍需要较高频次的水洗维护。文中提到，有机组在未优化前需要“每1–2个月”进行一次全面水洗，严重制约机组年利用小时。通过改进运行策略和振打设置，三菱在部分项目上已实现了“约一年不拆洗连续运行”的水平，但总体判断是：在极高硫工况下，氨喷+干式ESP这一路线很难成为真正意义上的长期稳定“终极解”。

除了电场本体，灰斗堵灰和排灰困难同样是高硫残渣燃烧项目的“痛点”。高含量NH₄HSO₄及硫酸铵中间物使粉尘黏结性剧烈增强、流动性变差。三菱通过对多台机组实际采样粉尘的黏结性试验，总结出两个表征指标：

– 黏聚系数（cohesion factor）：通过振动下粉尘团聚程度评估整体“成团”趋势，黏聚系数高意味着粉尘颗粒在振动中易聚结成大颗粒和桥拱结构。

– 灰硬化系数（ash hardening factor）：基于灰分中金属氧化物、有机未燃碳与铵盐（硫酸铵）含量构建的经验性组合指标。研究发现，当金属氧化物和未燃碳含量偏低，而硫酸铵含量较高时，灰层更易硬化结壳，造成严重挂壁和“倒挂伞”。

作者将大量实测样品按这两个指标在坐标图上归类，划分出A/B/C/D四个区域，并与设备现场排灰状况逐一对照：其中C区样品排灰问题最为严重，被界定为“高风险区域”，B区需重点关注，A区基本无粘结堵灰问题。这种定量化评估为新燃料切换和工况调整前的风险预判提供了可操作的工具。对应到工程设计，三菱提出了一套针对性较强的灰斗辅助排灰策略：

– 采用合理锥角的圆锥形灰斗，避免局部死区及静止料柱；

– 灰斗外设蒸汽加热保温，控制温度避免低温冷凝导致铵盐溶解再结晶，同时又要防止温度过高分解硫酸铵；

– 标配振动电机（vibro-motor）和常规空气助流器（air agitator），在黏灰和流动性尚可的工况下即可满足连续排灰要求；

– 对于处于B/C高风险区域的粉尘，增设“脉冲式空气助流器（pulse air agitator）”，通过短时高压脉冲气流切向喷射冲刷灰斗壁，打破粉尘架桥和挂壁。为了防止冲刷磨损灰斗壁，喷射角度严格控制为切向方向而非径向冲刷。

这些措施在多台燃烧石油焦、SDA沥青以及混烧VR的机组上得到应用，其经验对国内高硫燃料锅炉干式电除尘设计和改造具有很强的借鉴意义。

在系统运行可用性上，三菱给出的另一条技术路线尤为值得关注，即“盐溶液喷雾（SSS）+湿式电除尘（WEP）”的组合工艺。湿式电除尘器作为烟气末端精除尘与SO₃雾滴控制技术，已在燃煤电站和危废焚烧领域获得广泛应用，其优势在于：在烟气近饱和、低温、高湿条件下，可高效捕集细微颗粒和硫酸雾滴，解决“蓝烟”和细颗粒物排放问题。然而对于入口SO₃浓度过高（>80 ppm，尤其>100 ppm）的工况，单一WEP会面临两大挑战：一是过高SO₃负荷带来的强空间电荷效应，导致电场局部反电晕、有效迁移速率下降；二是酸露点和酸性冷凝明显抬升，对不锈钢极板和下游烟道材料造成严峻腐蚀考验。

为此，三菱提出在WEP上游布置盐溶液喷雾预处理单元，通过选择性吸收，将高浓度SO₃“降档”到WEP可安全稳定运行的范围。文中介绍的首台商业机组采用钠基湿法脱硫系统，其吸收液中含有NaHSO₃和Na₂SO₄等盐分。部分脱硫系统排出的含盐废水经适当处理后，被抽取作为盐溶液喷雾介质，从FGD出口引出，喷入干式ESP与FGD之间的烟道中。

喷雾形成的微细液滴在高温烟气中迅速干燥，析出含盐干尘，其表面具有良好的极性和吸附能力，可在气固接触过程中优先吸附SO₃，而对SO₂几乎不发生吸收反应，实现对SO₃的选择性削减。经SSS单元处理后，烟气中的SO₃浓度可稳定降低80%~90%，相比于初始高达120~130 ppm 的入口浓度，降至WEP可接受的约60 ppm 甚至更低的水平。随后烟气进入湿法FGD完成主脱硫，再进入WEP进行深度脱除残余SO₃雾滴和细颗粒。

从运行记录看，首台应用“干式ESP + SSS + FGD + WEP”组合工艺的高硫VR锅炉机组，在多年实际运行中实现了多次“年度大修间隔内不因SO₃控制系统停机”的纪录，说明该技术路线在高硫残渣燃烧场景下具备良好的稳定性和连续性。与“氨喷射+干式ESP”方案相比，SSS+WEP体系在以下方面表现出明显优势：

– 显著降低干式ESP内部铵盐中间物生成量，减轻高粘粉尘对电场充电性能和灰斗排灰系统的冲击；

– WEP窗口内运行SO₃负荷可控，空间电荷效应可管理，腐蚀风险得到有效压制，延长设备寿命；

– 可将FGD含盐废水“资源化”用于SO₃选择性控制，减少外加药剂和二次污染排放，契合当前“零液体排放”“近零排放”方向；

– 系统整体可用率高，工程案例实现多次一年期连续运转，对追求高负荷率的电站尤为关键。

从工艺选择的角度看，三菱在多台高硫残渣燃烧机组上的交付记录中，既包括传统的“NH₃喷射+干式ESP+FGD”组合，也包括加入WEP的后端强化路径，以及采用“干式ESP+SSS+FGD+WEP”的升级路线。其共同结论是：

– 对于中等SO₃水平的高硫燃料，经过周密设计和严格运维，氨喷射+干式ESP仍可在一定周期内实现6~12个月的连续运行，但需接受频繁水洗和较高运维强度；

– 在超高硫负荷、SO₃高达120 ppm 以上的场景，若追求长期稳定运行，“SSS+WEP”组合展现出更优的可持续性，是传统氨喷+干式ESP路线的重要替代方案甚至首选方案。

对国内正在推进高硫渣油锅炉、石油焦燃烧装置及煤油混烧机组升级改造的企业而言，三菱的这些工程经验提供了两点关键启示：一是要正视NH₄–SO₄中间物对ESP充电、排灰和腐蚀的全链路影响，从设计阶段就预留空间和对策，而不是将SO₃控制简单视作“在ESP前多打一层氨”的问题；二是在具备条件时，宜系统性评估“盐溶液喷雾+湿式ESP”方案的技术经济性，尤其是在有钠基或镁基FGD、具备可利用含盐废水资源的场合，通过末端整体工艺重构，获取更高的全生命周期效益和环保合规裕量。

在“超低排放”“近零排放”大背景下，SO₃控制与蓝烟治理已经从原来“可选项”演变为高硫燃料发电和工业锅炉项目的“硬指标”。静电除尘器、电袋复合除尘、湿式电除尘等技术边界不断被高硫场景重新定义。结合国际工程经验和本土燃料特性，构建适应高硫、高尘、高腐蚀环境的集成烟气治理系统，将是未来数年行业技术演进的重要方向。

参考文献
[1] Kishi T., Yata K., Yamashita Y., Nishimura I., Ishibashi Y. Application of Electro-Precipitator to Oil Fired Boilers[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 1970.
[2] Fujishima H., Nagata C. Experience of Wet Type Electrostatic Precipitator Successfully Applied for SO₃ Removal in Boilers Using High Sulfur Content Fuel[C]//9th International Conference on Electrostatic Precipitation. Kruger Gate, South Africa, 2004.
[3] Nagata C., Fujitani H., Blythe G. M. Wet Type Electrostatic Precipitator Successfully Applied for SO₃ Mist Removal in Boilers Using High Sulfur Content Fuel[C]//Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium. Washington D.C., USA, 2004, paper #22.
[4] Kagami M., Noguchi T. Development of New Gas Cleaning System with Salt Solution Spray[C]//11th International Conference on Electrostatic Precipitation. Hangzhou, China: Zhejiang University Press & Springer-Verlag, 2008: 563-566.

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