脈沖電源等離子體脫硫脫硝中試實(shí)驗(yàn)研究

杜佳棋，孔春林,，趙巖，徐斌

（1.杭州天明環(huán)保工程有限公司，杭州 310018；2.杭州天明電子有限公司，杭州 310018）

0 引言

早在20世紀(jì)80年代，國(guó)外就提出了脈沖電暈放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)（Pulsed corona induced Plasma Chemical Process，簡(jiǎn)稱(chēng)PPCP），并在隨后的幾年里，意大利、日本等國(guó)做了一系列的實(shí)驗(yàn)研究[1-5]，證明了PPCP技術(shù)在煙氣污染物脫除上有很好的效果。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出臺(tái)一系列環(huán)保新政策，進(jìn)一步降低了燃煤電廠和鋼廠的污染物排放指標(biāo)。目前的排放指標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，傳統(tǒng)的脫硫脫硝技術(shù)已經(jīng)很難甚至不能滿(mǎn)足現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)，這一現(xiàn)象促使國(guó)內(nèi)的環(huán)保企業(yè)尋找脫硫脫硝新技術(shù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，實(shí)現(xiàn)超低排放。

脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)，是以氣體高壓放電為基礎(chǔ)，激發(fā)煙氣中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*和水合分子等活性自由基[6-7]，這些自由基與煙氣中的SO2、NO等污染物結(jié)合，生成相應(yīng)的H2SO4、HNO3等霧滴，在靜電場(chǎng)的作用下荷電被收集，具體反應(yīng)機(jī)理如下:

中試實(shí)驗(yàn)在燃煤電廠抽取脫硫后濕煙氣，使其經(jīng)過(guò)脫硫脫硝除塵一體化設(shè)備后再送回原煙道；通過(guò)對(duì)脫硫脫硝除塵一體化設(shè)備的極配形式、極間距、電源運(yùn)行參數(shù)、噴水、噴霧等手段，調(diào)整脫硫脫硝除塵一體化設(shè)備的運(yùn)行工況，記錄并研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定等離子脫硫脫硝除塵設(shè)備的最佳極配形式和運(yùn)行模式，使得設(shè)備的脫硫脫硝除塵效果達(dá)到最佳。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由等離子反應(yīng)器、輔助水處理系統(tǒng)、離心風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。該裝置布置于燃煤電廠脫硫塔之后，煙氣從脫硫塔之后煙道人孔門(mén)處引出，經(jīng)過(guò)PPCP反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，凈化后的煙氣再送回至脫硫塔后煙道內(nèi)，并經(jīng)煙囪進(jìn)行排放。

圖1 工藝流程圖

根據(jù)脫硫塔后污染物濃度，以處理30 000 m3/h煙氣量為設(shè)計(jì)依據(jù)，本裝置具體參數(shù)如表1所示。

表1 PPCP反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)研究結(jié)果及工藝要求，本次實(shí)驗(yàn)將反應(yīng)器設(shè)計(jì)線(xiàn)-板式（如圖2），分成前后兩級(jí)，分別用兩個(gè)電源供電；考慮煙氣具有一定的腐蝕性，將極線(xiàn)極板設(shè)計(jì)成不銹鋼。

圖2 反應(yīng)器平面布置圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)調(diào)整PPCP反應(yīng)器的運(yùn)行工況，從反應(yīng)器電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、電源及附屬設(shè)備三方面著手，變換其中某個(gè)單一要素，測(cè)試并記錄所有數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析和摸索出PPCP最佳運(yùn)行工況，從而提高PPCP反應(yīng)效率。

本實(shí)驗(yàn)采用定電位電解法煙氣分析儀testo340、testo350，非分散紅外煙氣分析儀和傅里葉變換紅外煙氣分析儀，對(duì)PPCP反應(yīng)器的進(jìn)口和出口污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便記錄各工況下的污染物數(shù)據(jù)。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

2.1 反應(yīng)器電場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

反應(yīng)器的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)包括極線(xiàn)形式、極板形式、極線(xiàn)間距、線(xiàn)板間距等，合理的極配形式和極間距能夠更好地與電源匹配，從而提高電場(chǎng)的能量注入，優(yōu)化波形[8]，能夠在反應(yīng)器內(nèi)部有效地建立等離子體場(chǎng)，并提高等離子體場(chǎng)的強(qiáng)度及均勻性。

本文采取了星形線(xiàn)、針刺較少的針刺線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)疏針刺線(xiàn)）和針刺較密的針刺線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)密針刺線(xiàn)）3種極線(xiàn)形式；并采用300、270、250 mm三種不同的極間距，針對(duì)反應(yīng)器電場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)等離子脫硫脫硝效率的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 極線(xiàn)的選擇

在極間距、電源運(yùn)行參數(shù)、煙氣條件等其他變量不變的工況下，依次更換反應(yīng)器極線(xiàn)，并在反應(yīng)器進(jìn)出口測(cè)試孔位置放置煙氣分析儀，同時(shí)測(cè)試進(jìn)出口污染物濃度。得到如圖3所示數(shù)據(jù)。

圖3 不同極線(xiàn)條件下的脫除效果對(duì)比圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，脫除效果：密針刺線(xiàn)＞星形線(xiàn)＞疏針刺線(xiàn)。在同樣的運(yùn)行工況條件下，針刺線(xiàn)更容易建立等離子體場(chǎng)，而星形線(xiàn)建立的等離子場(chǎng)的均勻性比針刺線(xiàn)好。密針刺線(xiàn)與極板匹配時(shí)建立的等離子場(chǎng)強(qiáng)度較大且均勻性更好，所以整體效果最佳。

對(duì)于該所有研究對(duì)象的治療依從性、健康知識(shí)的知曉率以及不良反應(yīng)發(fā)生的情況進(jìn)行比較。評(píng)價(jià)本文所有研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)不同護(hù)理干預(yù)以后患者的空腹血糖值、餐后2 h血糖值、糖化血紅蛋白等相關(guān)指標(biāo)情況。

2.1.2 極間距的選擇

陰極線(xiàn)采用密針刺線(xiàn)，保證電源運(yùn)行參數(shù)、煙氣條件等其他變量不變的工況下，移動(dòng)電極，改變電場(chǎng)極間距，分別在300、270、250 mm的極間距下，測(cè)試反應(yīng)器的脫除效率。得到數(shù)據(jù)如圖4 所示，隨著極間距減小，脫除效率先上升后下降。

極間距的減小，在電源運(yùn)行參數(shù)不變的情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增加，電場(chǎng)內(nèi)部等離子場(chǎng)也會(huì)隨之增強(qiáng)，產(chǎn)生更多的等離子體，所以反應(yīng)器從300 mm極距變換為270 mm極距后，污染物的脫除效率有所增加。

從圖4中可見(jiàn)，極間距進(jìn)一步減小，從270 mm減小到250 mm時(shí)，脫除效率反而下降，這主要是反應(yīng)器本體的制造和安裝精度導(dǎo)致的，極線(xiàn)極板在生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中都會(huì)有一定量的形變，極間距越小，受產(chǎn)品本身精度的影響越大，安裝完成后的極間距調(diào)整工作更加困難。在250 mm極距試驗(yàn)中，電源還未升至額定功率時(shí)電場(chǎng)內(nèi)部已經(jīng)擊穿放電，從而影響了等離子體場(chǎng)的建立，導(dǎo)致脫除效率下降。

圖4 不同極間距下的脫除效果對(duì)比圖

2.2 等離子電源運(yùn)行參數(shù)調(diào)整

2.2.1 脈沖電壓

脈沖電壓是衡量電場(chǎng)內(nèi)部是否建立等離子場(chǎng)的重要因素，脈沖電壓越高，電場(chǎng)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)越大，等離子場(chǎng)越強(qiáng)。從圖5中可以看出，當(dāng)煙氣直通時(shí)，反應(yīng)器進(jìn)出口污染物濃度基本是一樣的，等開(kāi)啟等離子電源后，污染物濃度瞬間下降，趨于平穩(wěn)并與入口污染物濃度趨勢(shì)一致。說(shuō)明當(dāng)電源開(kāi)啟后，電場(chǎng)內(nèi)部很快建立起等離子場(chǎng)，在等離子的作用下，煙氣中的SO2和NO能夠迅速地被反應(yīng)并且脫除[9]。

圖5 反應(yīng)器進(jìn)出口污染物濃度變化圖

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)逐次增加5 kV脈沖電壓的方式，我們發(fā)現(xiàn)，并不是只要電場(chǎng)內(nèi)部有電壓，就能建立起有效的等離子場(chǎng)。在電壓較低的情況下，反應(yīng)器的脫除效率很低，并且隨著電壓的增加，脫除效率并未有明顯的增加，說(shuō)明電場(chǎng)內(nèi)部未能形成等離子場(chǎng)；當(dāng)電壓達(dá)到110 kV，反應(yīng)器的脫除效率呈現(xiàn)直線(xiàn)式的上升，隨著電壓的繼續(xù)增加，脫除效率也隨之上升；并且通過(guò)提高電源運(yùn)行頻率的方式，增加注入電場(chǎng)的能量，產(chǎn)生更多的自由基[10]，反應(yīng)器的脫除效率也會(huì)相應(yīng)提高。

2.2.2 脈沖寬度

實(shí)驗(yàn)中，在反應(yīng)器與電源之間串聯(lián)一個(gè)磁開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)整磁開(kāi)關(guān)的線(xiàn)圈匝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)脈沖截尾電路的工作時(shí)間，來(lái)調(diào)整電源輸出波形的脈沖寬度，找到最佳脈沖寬度。

從圖6中可以看出，隨著脈沖寬度的減小，脫硫效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而脫硝效率則是先上升后下降，在800 ns時(shí)脫硝效率達(dá)到最大。由于脫硫相對(duì)于脫硝更加容易，故本次實(shí)驗(yàn)的電源運(yùn)行參數(shù)設(shè)定為：脈沖峰值電壓為110 kV，電流峰值為2 kA，脈沖寬度為800 ns，脈沖上升時(shí)間＜400 ns，工作頻率為300～600 Hz[11]。

圖6 不同脈沖寬度下的效率圖

2.3 PPCP運(yùn)行工藝

水系統(tǒng)作為PPCP設(shè)備的附屬設(shè)施，也是必不可少的，它不僅能對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行沖洗，保證極板的清潔，同時(shí)也帶走了反應(yīng)器中收集下來(lái)的污染物，減少逆向反應(yīng)的發(fā)生。此外，水作為一種常用的吸收劑，能夠很好地吸收電場(chǎng)內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物，促進(jìn)反應(yīng)朝著我們需要的方向進(jìn)行，可以有效地提高PPCP裝置對(duì)污染物的脫除效率。

本次實(shí)驗(yàn)中水的添加有噴水和噴霧兩種形式。噴水是指采用扇形噴嘴，降水噴至極板上，水沿極板面自上而下流動(dòng)；噴霧是指采用霧化噴嘴，將水霧化后噴入反應(yīng)器中。

圖7中顯示，在等離子體作用下，單獨(dú)噴水，SO2濃度迅速下降，而NO沒(méi)發(fā)生變化；單獨(dú)噴霧，SO2和NO濃度均未有變化；在噴水的基礎(chǔ)上噴霧，SO2濃度繼續(xù)下降，但幅度不大，NO濃度仍未有所變化。

圖7 不同工況下的效率圖

由此可知，水對(duì)SO2的脫除有明顯的作用，而對(duì)NO的脫除基本沒(méi)有作用。原因是SO2和SO2的反應(yīng)產(chǎn)物都易溶于水[12]，并且很快被水帶出反應(yīng)器，可以有效地降低逆反應(yīng)的發(fā)生；而NO和NO反應(yīng)副產(chǎn)物不易溶于水，即使有部分溶于水也會(huì)很快分解。

3 結(jié)論

1）合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)能夠更好地與電源進(jìn)行匹配，提高反應(yīng)器的注入能量，從而提高等離子體場(chǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)也能提高等離子體場(chǎng)的均勻性，最終達(dá)到提高脫硫脫硝效率的目的。

2）電源運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，可以有效地提高NO的脫除率，但會(huì)降低SO2的脫除效率。

3）在等離子作用下，合理的噴水方式可以有效地降低SO2出口濃度，但對(duì)NO的脫除無(wú)明顯作用。

將上述條件優(yōu)化后組合在一起，最終實(shí)現(xiàn)NO的脫除率40%以上、SO2脫除率在80%以上的效果。隨著進(jìn)一步的工業(yè)化運(yùn)用，PPCP技術(shù)可以有效地解決燃煤電廠和鋼廠現(xiàn)階段面臨的排放困境，實(shí)現(xiàn)超低排放。