Dual FGC：静电除尘提效的新路径

基于Allied Environmental与Fuel Tech联合研究的双重烟气调质技术解读

关键词
Electrostatic Precipitator, Gas Cleaning, PM Removal, Flue Gas Conditioning, Ammonium Conditioning, Dual FGC, Ammonium Bisulfate, ABS, 脱硫脱硝, 超低排放

在燃煤电厂、钢铁、水泥等高排放行业，如何在不大改主机、不大幅扩容静电除尘器（ESP）的前提下把颗粒物排放压到更低，一直是工程师们反复博弈的命题。围绕这一痛点，烟气调质（Flue Gas Conditioning，FGC）——通过向烟气中注入微量气体添加剂来改变飞灰电学和黏结特性，从而提升ESP性能——逐渐从“实验室概念”走向大规模工程应用。

在众多技术路线中，传统的SO₃烟气调质已较为成熟，而近十多年来，结合氨气的Dual FGC（双重烟气调质）成为新的技术焦点。Allied Environmental Technologies与Fuel Tech联合作者Henry V. Krigmont和James J. Ferrigan系统总结了Dual FGC的机理、工艺路径与工程案例，为高难飞灰工况下的ESP治理提供了可复制的经验[1–6]。

从机理上看，FGC的核心并不是“调气”，而是“调粉”——在飞灰表面沉积一层液相或导电薄膜。SO₃调质通过生成硫酸蒸汽，在飞灰表面形成薄层酸膜，从而显著降低高电阻率飞灰的体电阻，抑制背电晕，提高ESP的有效电场和荷电效率[3–6]。而氨气本身并不显著改变飞灰电阻率，这是Dismukes实测所得出的重要结论[2]，却可以通过空间电荷效应和增加飞灰黏结性这两条路径，显著改善颗粒捕集行为。

当锅炉燃烧含硫燃料时，大部分硫转化为SO₂，只有一小部分在炉内或受热面上被氧化成SO₃。当烟气温度冷却至约316℃以下，SO₃与水蒸气迅速反应生成硫酸蒸汽，在ESP典型运行温度（149–177℃）下基本完成。工程上常说的“SO₃调质”，实质上更多是利用H₂SO₄蒸汽在飞灰表面形成导电液膜[1,3–6]。

SO₃来源可以是锅炉本身生成的“原生SO₃”，也可以通过外置SO₂→SO₃催化转化装置人工注入。文中介绍的iCON®（Indigenous FGC）路线，是从ESP后端抽取一小股含SO₂烟气，经加热和催化床部分转化为SO₃后，再回注至ESP前[16,17]。典型工况下，只需1%–2%的烟气抽取量就足以形成有效SO₃浓度，系统结构简单、SO₃消耗随煤质自适应，与传统液态或干硫制SO₃的FGC系统形成互补。

目前工程上更为普遍的仍是以元素硫或液态SO₂为原料，经V₂O₅型催化剂转化制得SO₃，再通过保温良好的分配管道和喷射枪将SO₃/空气混合流注入空气预热器之后、ESP之前的烟道[5,6]。近年在低NOx燃烧配合SNCR/SCR脱硝的大背景下，为兼顾NH₃逃逸和SO₃调质效果，一些项目采用“偏置致密格栅”喷射布置，在冷端注入的同时通过温度偏置控制，降低下游氨盐二次气溶胶和可见蓝烟风险。

Dual FGC的关键在于：在有控制地引入SO₃改变飞灰电阻率的同时，引入适量NH₃让其在含SO₃/H₂SO₄和水蒸气的烟气环境中形成一系列铵盐——氨硫酸氢盐（NH₄HSO₄）和硫酸铵[(NH₄)₂SO₄]为主[2–6,7–11]。其中，NH₄HSO₄的熔点约为146–147℃，在很多冷侧ESP工况下处于“熔融或半熔融”状态，可以通过毛细作用聚集于颗粒接触点，形成液桥，把本来易被振打再飞扬的细灰粒子“胶合”成更大团聚体，大幅提高飞灰的体积黏聚性，减少再飞扬损失。这一“液桥凝聚”机制，是Dual FGC改善ESP排放的一个基础物理支点。

值得注意的是，NH₄HSO₄兼具“强黏性”和“易冷凝”两面性。其生成温度与SO₃、H₂SO₄与NH₃的分压及平衡关系密切[7–9]。Johnson等人和Matsuda等人分别从热力学平衡和汽压关系推导了不同的凝结温度曲线，SCR催化剂厂商和电厂在选择最低运行温度时多以此为重要参考。Wei等人的实验表明，在模拟空气预热器条件下，实际NH₄HSO₄开始形成的温度明显低于部分经典模型预测[7]，这意味着在当前深度脱硫脱硝、低温排放的新趋势下，SO₃和NH₃的投加量、投加位置与烟温窗口控制变得更加关键。

从电气特性来看，多数国外实测结果显示，在几ppm到几十ppm NH₃注入浓度下，飞灰本体电阻率变化并不显著[2,10]。因此，Dual FGC带来的ESP性能提升，更应归因于两个方面：一是“空间电荷效应”，即NH₃与SO₃/H₂SO₄生成的大量亚微米级铵盐颗粒在ESP内被强电场快速荷电，使气相中携带的电荷密度增加，从而在同一极间电压下形成更高的有效场强和荷电电流；二是颗粒凝聚和黏结增强，改变了颗粒粒径分布和再飞扬行为[1,2,4]。

数值模拟给出了这一过程的量化轮廓。基于EPA ESP-VI模型开发的NEP性能模型显示，在某600 MW机组工况下，向烟气中注入约10 ppm NH₃，理论上可生成约30 mg/Nm³的铵盐超细颗粒，而此时ESP入口煤灰浓度约为12,000 mg/Nm³[18]。从质量份额看，新生成颗粒仅占很小比例，却足以改变V–I特性曲线和空间电荷分布，使ESP整体迁移速度有所提升。不过，如果SO₃/NH₃投加比控制不当，过多生成脱附困难的亚微米颗粒，则会在质量排放贡献很小的同时放大PM₂.₅数量浓度，对未来更严苛细颗粒物监管构成挑战。因此，Dual FGC必须是“优化比控制”的精细化系统，而不是简单的“多打一支药”。

另一方面，Dual FGC通过生成一定比例的NH₄HSO₄，可显著降低板面再飞扬。NEP模拟显示，若将ESP再飞扬参数下调10%，在相同SCA和供电条件下，出口粉尘浓度可从约13 mg/Nm³进一步压降至10 mg/Nm³[18]。现场观察也支持这一趋势：采用Dual FGC后，Brink撞击器采样中的飞灰在受冲击后的散落性明显下降，显微照片中颗粒间可见羽毛状“桥连物质”，推测为硫酸铵/氨硫酸氢盐凝聚体[4]。

在工程应用层面，文中列举了三个具有代表性的案例，为中国行业应用提供了有价值的类比参照。内蒙古神华准格尔电厂被认为是中国高铝型“难收灰”的典型代表之一[19–21]。机组采用大比表面积ESP，但在高负荷和本地煤长期掺烧条件下，原始出口粉尘浓度仍达85–116 mg/Nm³。通过NEP建模和现场优化，项目最终选择实施SO₃调质方案，并在2014–2015年间改造完成，测试结果表明两台机组ESP出口粉尘浓度被压至17–18 mg/Nm³区间，基本释放了原有本体结构的潜力，为后续进一步叠加Dual FGC留下空间。

美国NRG Morgantown电站的案例，则展示了在低SCA、受限布置条件下的系统性治理路径。该厂两台640 MW机组原始SCA仅31–38 m²/(m³/s)，处于典型“边缘设计”水平。项目通过“NEP建模+CFD模拟+ESP硬件升级+Dual FGC”的组合拳——前场分裂、刚性放电极与高性能高压电源升级，再配合温度偏置喷射的SO₃/NH₃调质——不仅显著降低了堆栈不透光度，还实实在在释放了机组出力：1号机组回收约25 MW，2号机组回收约45 MW。该案例从经济性角度说明，在很多既有装机中，通过优化ESP与烟气调质的系统设计，往往比大规模更换除尘器本体更具性价比。

明尼苏达Taconite Harbor电站的实践，则坐标于“协同污染控制”的现实场景——机组在加装脱硫、脱硝及石灰基吸收剂后，粉尘负荷和飞灰电阻率双双上升，原冷侧ESP已无法在既有气速下稳定达标。项目采取“热侧改冷侧”的重大改造，将ESP布置调整为冷端运行，并叠加Dual FGC精细调质，使得出口颗粒物排放优于0.03 lb/MBtu（约合10–15 mg/Nm³量级），同时可靠性和运行窗口显著改善。这一案例对于中国正在推进超低排放改造、尤其是在脱硫脱硝、炉内脱硫多技术叠加工况下的老机组，具有很强的借鉴意义。

综合来看，Allied Environmental与Fuel Tech的这组研究和工程实践表明：在正确的化学计量比和注入窗口控制下，Dual FGC能够在不大幅增加系统阻力和占地的情况下，协同改善飞灰电阻率、增强颗粒黏聚性、提升空间电荷，从而在ESP原有SCA框架内显著降低排放浓度和再飞扬损失。对于大量已投运的燃煤电厂和有色、建材行业现有ESP而言，Dual FGC正在从“补救措施”向“系统设计中的常规选项”演进。在未来更严苛的PM₂.₅和超细颗粒物监管框架下，如何在提高除尘效率与抑制二次细颗粒生成之间取得平衡，将是Dual FGC乃至整个烟气调质技术持续创新的核心方向。

参考文献
[1] Snyder TR, Vann Bush P, Dahlin RS. Fundamental mechanisms in flue gas conditioning. Final Report. US DOE.
[2] Dismukes EB. Conditioning of fly ash with ammonia. Journal of the Air Pollution Control Association. 1975;25(2).
[3] Dalmon J, Tidy D. A comparison of chemical additives as aids to the electrostatic precipitation of fly ash. Atmospheric Environment. 1972;6:721–734.
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[6] Krigmont HV, Coe EL Jr. Experience in conditioning electrostatic precipitators. 4th International Conference on Electrostatic Precipitation, Beijing; 1990.
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[21] Qi L, Yuan Y. Experimental study on the electrostatic precipitability for the high-alumina fly ash of burning ZHUNGEER coal in China. 2008 IEEE International Conference on Electrostatic Precipitation.

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