双组分烟气调质：从ESP提效到汞减排的新路径

基于Kyoto 2024 第17届国际静电除尘会议Allied Environmental & Fuel Tech联合团队DFGC研究解读

关键词
Electrostatic Precipitator, ESP, Gas Cleaning, PM Removal, Flue Gas Conditioning, FGC, Dual Flue Gas Conditioning, DFGC, Mercury, 汞减排, 超低排放

近年来，全球燃煤电厂和大型工业锅炉面临的环保压力持续加码，颗粒物和汞等重金属的超低排放正从“示范项目”走向“日常合规”。在这一背景下，电除尘器（ESP）在高比电阻飞灰、复杂灰化学条件下的稳定达标，成为行业痛点之一。围绕这一难题，在2024年京都举办的第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024）上，Allied Environmental Technologies 与 Fuel Tech 联合团队（H.V. Krigmont、J.J. Ferrigan）系统总结了“双组分烟气调质（Dual Flue Gas Conditioning，DFGC）”在颗粒物和汞协同控制方面的最新进展[2]。本文结合该会议论文，对DFGC的机理、实验基础和工程应用潜力进行面向工程实践的技术解读。

传统意义上，SO₃烟气调质（SO₃ FGC）已在全球大量机组上应用，其核心是通过适量SO₃降低高比电阻飞灰的体积电阻率，抑制反电晕，提高ESP的电场强度和集尘效率[2,4,15]。但在中国、印度、澳大利亚、俄罗斯、南非等高灰、高钙、高碱煤种条件下，仅依靠SO₃往往存在窗口窄、副作用大等问题，例如：酸雾增加导致烟囱羽流“蓝烟”、亚微米酸雾颗粒导致排放mg/Nm³达标但可见度偏高等[13,14]。与此同时，燃煤汞减排越来越依赖活性炭喷射（ACI）和下游布袋除尘（BH）或高端ESP+ACI组合，而SO₃、NH₃、活性炭之间在吸附位点上的竞争、酸性气体对碳孔结构的“中毒”效应，又可能削弱汞捕集效率[3]。

Krigmont等提出的“双组分烟气调质（DFGC）”正是在这一矛盾中寻找平衡：在空预器出口至ESP进口区段，精确控制SO₃与NH₃同时喷射及其化学计量比，使烟气中快速生成亚微米级硫酸铵/重硫酸铵（(NH₄)₂SO₄ / NH₄HSO₄）细粒子及薄膜层，从而一方面修正飞灰电学特性、提高ESP集尘性能，另一方面为汞提供额外“载体”，并与后续ACI形成互补[1,2,5–8]。

从化学机理看，DFGC本质是利用SO₃–NH₃–H₂O的快速气相反应，在酸露点以上、硫酸盐分解温度以下的窄温窗内，大量生成硫酸铵类颗粒：

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

NH₄HSO₄(l) + NH₃(g) ⇌ (NH₄)₂SO₄(s)

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

实验与理论均表明，该类反应在约0.1秒尺度内基本完成[2,4–6]，生成粒径远小于1 μm的硫酸铵细雾。这些细粒子在ESP极板–放电极间形成附加空间电荷，提升局部电场强度，同时在飞灰表面形成一层低熔点、电导率较高的“导电薄膜”，显著降低表观比电阻，从而拓宽ESP可稳定运行的比电阻窗口，减轻反电晕，改善振打损失和再夹带问题[2,7,8,15]。

另一方面，NH₄HSO₄在约147℃以下固化呈黏性固体，而(NH₄)₂SO₄在高于200℃开始分解，温度区间与常规锅炉空预器出口（约130–200℃）高度重合[2,16–18]。这意味着工程上必须精确控制喷射位置与负荷工况，使主反应在酸露点以上完成，避免酸雾H₂SO₄生成，又要防止空预器和烟道上严重的硫酸氢铵结垢。这一“温窗调度”能力，也是DFGC工程设计成败的关键之一。

值得关注的是，DFGC不仅是ESP调质工具，也与汞控制直接相关。早在Lee等在辛辛那提大学开展的实验研究中，就已经利用SO₃–NH₃反应生成的(NH₄)₂SO₄ / NH₄HSO₄微粒，对燃煤烟气中元素汞(Hg⁰)进行捕集[1]。在模拟燃煤烟气（10–40 ppb Hg⁰，约178℃）的实验装置中，通过改变SO₃和NH₃浓度、摩尔比及颗粒生成方式，研究团队发现：

• 基于原位生成的硫酸铵微粒，Hg⁰捕集效率在约11%–49%之间，效率对入口汞浓度、SO₃/NH₃剂量及气溶胶生成方式高度敏感[1]；

• 原位生成颗粒的汞捕集性能明显优于预制颗粒，说明“在反应场中长成”的粒子表面活性、比表面积及与汞的接触几何更有利于汞吸附或转化；

• 当SO₃和NH₃浓度继续增加到一定值后，汞去除效率趋于饱和，再提高投加量收益很小，表征出典型的“平台效应”，提示工程设计中存在一个经济最优投加区间[1]。

从机理上看，硫酸铵副产物通过几条路径参与汞控制：一是改变烟气氧化还原环境和微观酸碱平衡，促进部分Hg⁰氧化为更易被飞灰、活性炭或湿法脱硫系统捕集的Hg²⁺[3]；二是硫酸铵微粒与飞灰发生黏附、共聚集，形成表面化学性质更复杂的复合颗粒，为汞提供高比表面积的吸附/共沉载体[1,2,4]；三是可能发生直接化学络合或盐化生成汞盐，使其更加不挥发、易捕集，不过这部分机理仍需进一步研究确认[1,3]。

因此，Krigmont等在DFGC工程经验和Lee等的实验成果之间，建立了一条较为清晰的逻辑链：

• 实验室层面，SO₃–NH₃–H₂O体系可以借助原位生成的硫酸铵颗粒实现最多约50%的Hg⁰去除，为“不依赖大量ACI”的汞控制路径提供了可能[1]；

• 工程层面，DFGC已在多台燃煤电站机组上验证了其对ESP提效、降低排放粉尘、扩展燃煤适应性的作用，同时与ACI、布袋除尘形成“颗粒协同”[2,7–9]；

• 通过在DFGC中精细控制SO₃和NH₃的计量比、喷射位置和温窗，辅以抗硫酸盐中毒的特种活性炭配方，有望在不明显增加运行成本的前提下，拉高整体汞去除效率，实现颗粒物和汞协同达标[2,3,5,9]。

从系统实现角度看，DFGC在设备配置上并非“完全新建”，而是建立在成熟SO₃ FGC系统与氨调质系统的集成之上：

• SO₃部分通常采用硫单质燃烧+催化氧化SO₂制SO₃，既可以以熔融硫为原料，也可用干硫/粒状硫就地熔化，实现“按需制酸”[2,7,8]；

• 氨来源可为液氨或无水氨钢瓶/储罐，由SO₃系统鼓风机引出的工艺空气作为稀释载气，经混合后通过布置在空预出口、ESP进口前的多点喷射枪注入[2,5–7]；

• 若采用“本征SO₃调质（iCON®）”方案，则可从ESP后部引回携带SO₂的净烟气，经催化氧化生成SO₃，再返回至ESP前部，实现“自给型SO₃源”，进一步降低外购硫源成本[11,12,23]。

Krigmont团队多年现场运行数据表明，相较单纯SO₃调质，DFGC在以下几方面具有优势：

1）飞灰比电阻调控能力更强，特别是在高钙、高碱灰环境下，能更稳定地压制反电晕，提高特高比电阻区间ESP效率；

2）粒子凝聚与黏附能力增强，细颗粒易于团聚成大粒径团聚体，降低细颗粒穿透率和振打再夹带；

3）在合理控制NH₃逃逸的前提下，汞与被硫酸铵包覆的飞灰/硫酸铵颗粒协同捕集，叠加ACI后可实现较传统单一ACI更优的汞去除–活性炭消耗平衡[1–3,9]。

当然，DFGC在工程推广中也存在需要谨慎评估的边界条件。例如：氨逃逸引起的下游设备腐蚀和结垢风险；硫酸氢铵在空预器和换热表面的沉积控制；烟囱“蓝烟”及可见度与法规限值之间的平衡；以及DFGC副产硫酸铵在灰系统中的长期环境影响和综合利用路径。论文最后也提出，后续研究将重点放在：更加精细的SO₃/NH₃配比优化、不同煤种与飞灰特性的适应性评估、与高性能活性炭配方的协同开发，以及从实验室到百万千瓦机组的技术–经济综合评估[1–3,9]。

从行业风向看，DFGC的意义已不局限于“又一套ESP调质系统”，而更像是一个把颗粒物控制、汞控制与既有脱硫脱硝、ESP/布袋除尘深度耦合的平台技术。对于希望在不大规模改造主机和尾部烟气设备的前提下，向更严苛的PM/汞排放限值逼近的燃煤电厂和工业炉窑，DFGC提供了一条值得重视且可工程落地的增效路径。随着更多机组的长期运行数据积累，以及与智慧电厂在线监测和自适应控制系统的融合，DFGC有望从“针对疑难机组的解决方案”演变为“新建与改造机组的常规选项”。

参考文献
[1] Lee JY, 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 HV, Ferrigan JJ. Dual flue gas conditioning processes, technology, and experience. Proceedings of the 15th International Conference on Electrostatic Precipitation; 2018 Oct 11.
[3] Krishnakumar B, Niksa S. Predicting the impact of SO3 on mercury removal by carbon sorbents. Proc Combust Inst. 2011;33:2779–2785.
[4] Snyder TR, Vann Bush P, Dahlin RS. Fundamental mechanisms in flue gas conditioning. Final report to US DOE. Southern Research Institute.
[5] Dismukes EB. Conditioning of fly ash with ammonia. J Air Pollut Control Assoc. 1975;25(2).
[6] Dahlin RS, et al. A field study of combined NH3 and SO3 conditioning systems on a cold-side precipitator at a coal-fired power plant. 77th Annual Meeting of APCA; 1984.
[7] Krigmont HV, Coe E. Dual flue gas conditioning. Proceedings of the 8th EPA/EPRI Symposium on Transfer and Utilization of Particulate Control Technology; 1990.
[8] Krigmont HV, Coe EL Jr. Experience in conditioning electrostatic precipitators. Proceedings of the 4th International Conference on Electrostatic Precipitation; 1990.
[9] Krigmont H, Miller S, Laudal D, Chang R. Flue gas conditioning for baghouses. Proceedings of the 4th CSIRO Conference on Gas Cleaning; 1991.
[10] Dismukes EB. Conditioning of fly ash with sulfur trioxide and ammonia. Southern Research Institute; 1975.
[11] Kanowski S, Coughlin RW. Catalytic conditioning of fly ash without addition of SO3 from external sources. Environ Sci Technol. 1977;11(1):67–70.
[23] Krigmont HV. System and method for flue gas conditioning. US Patent 8,449,653; 2013.

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