双重烟气调质：让ESP同时抓住粉尘和汞

基于第17届国际静电除尘大会（京都，2024）的Dual FGC最新进展解读——来自Allied Environmental & Fuel Tech的联合研究

关键词
Electrostatic Precipitator, ESP, Gas Cleaning, PM Removal, Flue Gas Conditioning, FGC, Dual Flue Gas Conditioning, DFGC, Mercury, Activated Carbon Injection, Coal-fired Power Plant

在全球环保法规不断趋严的背景下，传统单一控制颗粒物或单一控制汞的技术路径，已经越来越难以支撑燃煤机组和高温工业炉窑的超低排放改造。静电除尘器（ESP）在处理高比电阻飞灰、复杂煤种掺烧工况（尤其是来自中国、印度、澳大利亚、俄罗斯、南非等煤源）时，性能瓶颈愈发突出。在此语境下，“双重烟气调质（Dual Flue Gas Conditioning，DFGC）”正在成为行业新的技术风向标：通过在ESP前同时精确投加三氧化硫（SO3）和氨（NH3），一套系统内协同解决颗粒物捕集效率、飞灰比电阻和汞排放控制三大难题。

在第17届国际静电除尘大会（ICESP 2024，京都）上，Allied Environmental Technologies, Inc.的Henry V. Krigmont博士与Fuel Tech, Inc.的James J. Ferrigan联合发布的论文《Enhanced Emission Reduction: Dual Flue Gas Conditioning’s Impact on Mercury and Particulate Capture》[2]，系统总结了Dual FGC在实际燃煤机组上的应用经验，并结合前期实验与机理研究，对SO3–NH3–汞–活性炭之间复杂相互作用进行了梳理，对考虑ESP提效改造、超低排放改造的工程业主与设计单位具有较强的参考价值。

从机理上看，传统SO3烟气调质（SO3 FGC）主要通过在ESP入口前投加少量SO3，降低高比电阻飞灰的表观电阻率，抑制反电晕，改善电场分布，从而提高捕集效率。然而，SO3同时会生成大量亚微米硫酸雾滴，既可能恶化烟囱羽流外观，又会与后端汞控制技术（如活性炭喷射，ACI）产生竞争吸附问题[3]。DFGC在此基础上增加了NH3注入，利用SO3与NH3在含水烟气中快速生成的硫酸铵/氢硫酸铵微细颗粒，一方面改变了电晕放电和空间电荷分布，形成额外的NH4+电荷载体，另一方面又为氧化态汞提供了新的吸附和“搭载”载体，实现颗粒物控制与汞控制的深度耦合[1–3]。

反应化学上，SO3与NH3在含水烟气中会在0.1 s量级内迅速完成反应[1,2,4–6]，生成以氢硫酸铵（NH4HSO4）和硫酸铵（(NH4)2SO4）为主的一系列铵盐颗粒：

SO3(g) + NH3(g) + H2O(g) → NH4HSO4(l/solid)

SO3 + 2NH3 + H2O → (NH4)2SO4(s)

在实际锅炉尾部烟道200 ℃左右的温度窗口内，这些产物既可以以粘性液滴形式存在，也可以随着温度下降转变为固体细颗粒，熔点和物相随H2SO4/NH3当量比连续变化[2,4]。在140–200 ℃区间，如果缺乏过量氨，NH4HSO4会以“半熔融—半固态”的胶黏状态附着于飞灰表面，形成一层低熔点导电薄膜，显著改变飞灰的电学行为，改善高比电阻工况下ESP的充电与卸荷过程[2,5,10]。而在NH3过量、SO3控制得当的情况下，则更有利于生成稳定的硫酸铵固体颗粒，既降低腐蚀和结垢风险，又提升汞吸附潜力[16–18]。

Krigmont等人在文中对Lee等人早期发表的实验研究[1]进行了系统引用与再解读。该实验在辛辛那提大学搭建了模拟燃煤锅炉烟气的实验平台，烟温约178 ℃，汞浓度10–40 ppb，通过调节SO3和NH3的投加量及摩尔比，在烟气中原位生成一系列硫酸铵气溶胶，并在下游玻纤滤膜上捕集后测定汞去除率。结果表明：在不使用活性炭、仅依赖SO3–NH3反应生成的铵盐颗粒条件下，对单质汞（Hg0）的捕集效率可达到11%–49%。其中，在线原位生成的细颗粒对Hg0的吸附效果明显优于事先制备好的预成颗粒；但当SO3和NH3投加继续提高到一定水平后，汞捕集效率出现“平台”现象，说明该机理存在经济与技术上的最优注入区间[1]。

这一实验结果，与DFGC在工程现场的运行表现高度呼应。论文指出，在实际燃煤机组上，通过在ESP前布置SO3与NH3双路精确控制的喷射系统，既可以在高灰分、高比电阻工况下实现ESP收尘效率明显提升，降低振打二次扬尘和工频反电晕，又可以利用SO3–NH3生成的微细颗粒与飞灰表面共同为汞提供吸附和“搭载”载体，使汞更多地以“附着于颗粒”的形式通过ESP或布袋除尘器（BH）被捕集[2,6–9]。对于已经配置活性炭喷射系统的机组，合理的DFGC可降低SO3对活性炭孔隙的“毒化”，减少汞与硫酸的竞争吸附，进而降低ACI投加量，形成汞控制与烟气调质的一体化优化方案[3]。

在技术实现上，文中从工程角度梳理了目前主流的SO3烟气调质和NH3烟气调质系统形式[2,7,8,10]，包括：

一是“外源SO3 FGC”——通过燃烧熔融硫或干硫颗粒，利用V2O5等催化剂将生成的SO2氧化为SO3，再以SO3/空气混合气形式喷入ESP前烟道。熔硫工艺具有长期运行成本低、SO3输出稳定的特点，而干硫工艺则在供货灵活性与安全性上更适应当前化工供应链环境[2,7,8]。二是“原生SO3调质（iCON®）”——从ESP后抽取部分含SO2的净烟气，经电加热和催化床局部将SO2转化为SO3，再回注至ESP入口区域。这类“原生SO2再利用”技术减少了外购硫源依赖，但对催化剂选择、温度控制及飞灰中潜在催化毒物较为敏感[11,12,20–23]。三是“NH3 FGC”——通常以液氨或高浓度氨水为储运形式，经汽化或蒸发后与工艺空气在SO3系统的鼓风机下游混合，通过布置在空预器后、ESP前的喷枪均匀注入烟道。Dual FGC则是在同一套或联锁系统下，分别对SO3和NH3进行独立计量和在线调节，通过控制氨硫当量比与温度窗，使氨盐生成区域“前移到ESP、避开空预器和SCR催化器”，兼顾ESP提效与尾部设备安全[2,5,6,16–18]。

与传统单一SO3 FGC相比，DFGC系统表现出几个工程层面的协同优势[2,4,7–10]：其一，通过生成直径远小于1 μm的铵盐细颗粒，提高了烟气中电荷载体密度，强化了电晕空间电荷效应，等效提升ESP有效场强，使得对细颗粒物（PM2.5甚至更细颗粒）的捕集效率提高。其二，这些铵盐微粒和覆盖于飞灰表面的低熔点铵盐薄膜，改善了飞灰颗粒的黏结性和团聚特性，有利于形成更大粒径的团聚体，既利于带电迁移，又能减少振打过程中飞灰“弹飞”与二次扬尘。其三，NH3参与后，部分H2SO4更倾向于与飞灰颗粒结合，而非以游离硫酸雾形式带至烟囱出口，有助于降低SO3/H2SO4导致的尾气蓝烟和冷端腐蚀问题[13,14,17]。

对于汞控制而言，DFGC的价值在于“改变了汞所处的化学与相态环境”，而不仅仅是简单增加一个吸附剂种类。SO3–NH3反应生成的铵盐颗粒与飞灰共同构成了一个“动态载体体系”：

一方面，氧化态汞（Hg2+）可以更容易吸附在这些亲水性较强的硫酸盐表面，或者与飞灰表面硫酸盐层发生配位，随ESP/布袋除尘器捕集[1,2]；另一方面，SO3和NH3对烟气酸碱性、氧化还原条件和水汽含量的微调，会影响原本在烟道中通过氯、溴、金属氧化物等通道进行的Hg0→Hg2+转化反应，间接改变后续汞捕集效率[3,14]。如果系统中还配置了活性炭喷射，适当控制SO3浓度与DFGC反应位置，可减少H2SO4在活性炭孔隙中的凝结，避免“占位”汞吸附位点；配合耐铵盐污染的改性活性炭，可在一定程度上实现活性炭用量与运行成本的“双降”[3]。

当然，从实验室方案走向商业装置，Dual FGC仍然面临一系列工程与经济挑战。论文在总结时明确指出：需要在更宽烟气成分与温度工况范围内，系统优化SO3与NH3的投加比例及喷射位置，评估不同煤种、飞灰性质对DFGC效果的影响；在更大机组上开展长期运行考察，识别氨逃逸（NH3 slip）、铵盐沉积对空预器、SCR与下游设备的长期影响与防控策略；同时，需要结合ACI、湿法脱硫（FGD）等既有工艺的整体经济性，对Dual FGC的资本成本与运行成本进行综合对比评估[2,9,13]。

总体来看，基于Krigmont等人多年Dual FGC实践经验与本次ICESP 2024的系统回顾，可以较为清晰地看到一个技术演进脉络：从早期“只为ESP提效”的SO3调质，到“兼顾飞灰利用与空预器安全”的SO3–NH3复合调质，再到“与汞控制、ACI和SCR/FGD协同优化”的一体化烟气治理方案。对于正在规划ESP技改、汞超低排放改造或考虑延寿改造的燃煤电厂与工业炉窑用户而言，Dual FGC不再只是一个“提高收尘效率的小改造”，而是有望成为贯穿上游燃料特性、锅炉燃烧、尾部烟气治理全链条的“化学平台”，在满足日益严格排放标准的同时，最大限度压缩综合治理成本，提升系统运行弹性与环保合规冗余度。

参考文献
[1] Lee, J.-Y., Khang, S., & Keener, T. Mercury Removal from Flue Gas with Particles Generated by SO3–NH3 Reactions. Ind. Eng. Chem. Res., 2004, 43: 4363–4368.
[2] Krigmont, H., & Ferrigan, J. Dual Flue Gas Conditioning Processes, Technology, and Experience. Proceedings of the 15th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2018.
[3] Krishnakumar, B., & Niksa, S. Predicting the Impact of SO3 on Mercury Removal by Carbon Sorbents. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33: 2779–2785.
[4] Snyder, T. R., Vann Bush, P., & Dahlin, R. S. Fundamental Mechanisms in Flue Gas Conditioning. Final Report, Southern Research Institute, US DOE.
[5] Dismukes, E. B. Conditioning of Fly Ash with Ammonia. Journal of the Air Pollution Control Association, 1975, 25(2).
[6] Dahlin, R. S., et al. A Field Study of Combined NH3 and SO3 Conditioning Systems on a Cold-side Precipitator at a Coal-fired Power Plant. 77th APCA Annual Meeting, 1984.
[7] Krigmont, H., & Coe, E. Dual Flue Gas Conditioning. The Eighth EPA/EPRI Symposium on Transfer and Utilization of Particulate Control Technology, 1990.
[8] Krigmont, H. V., & Coe, E. L. Jr. Experience in Conditioning Electrostatic Precipitators. 4th International Conference on Electrostatic Precipitation, Beijing, 1990.
[9] Krigmont, H., Miller, S., Laudal, D., & Chang, R. Flue Gas Conditioning for Baghouses. Fourth CSIRO Conference on Gas Cleaning, 1991.
[10] Dismukes, E. B. Conditioning of Fly Ash with Sulfur Trioxide and Ammonia. Southern Research Institute, 1975.
[11] Kanowski, S., & Coughlin, R. W. Catalytic Conditioning of Fly Ash without Addition of SO3 from External Sources. Environ. Sci. Technol., 1977, 11(1): 67–70.
[12] Moser, R. SO3’s Impacts on Plant O&M Parts I and II. Power Magazine.

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