脫硫、脫硝用脈沖電源的設計及工業(yè)應用

孔春林 杜佳棋 張德軒

(杭州天明環(huán)保工程有限公司 杭州 310018)

0 引言

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝是利用氣體電暈放電產(chǎn)生的等離子體來生成具有化學反應活性的自由基，通過這些自由基將SO2、NOx變成硫酸和硝酸，從而實現(xiàn)煙氣凈化的技術[1]。盡管早在1972年，美國科學家就在實驗室發(fā)現(xiàn)了電暈放電對SO2的氧化效果[2]，但由于能夠滿足工業(yè)應用的脈沖電源的技術難度太大，所以該技術的工業(yè)應用在當時并沒有實現(xiàn)。后來，承擔“九五”國家重點科技攻關項目的中國工程物理研究院丁伯南院士團隊提出了脫硫用脈沖電源需要達到的指標：脈沖電壓大于100 kV，脈沖上升時間小于100 ns[3]。該電源用工作電壓100 kV的閘流管作脈沖形成開關?！笆濉逼陂g建成了與上述電源配套的處理煙氣量20 000 m3/h的工業(yè)中試裝置[4]。浦項科技大學研制了1種采用工作電壓20 kV的晶閘管堆體作為脈沖形成開關[5]，并采用磁開關進行脈沖壓縮的脈沖電源，還進行了煙氣量50 000 m3/h的鐵礦石燒結煙氣同時脫硫、脫硝實驗。上述工業(yè)中試實驗評估了脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝技術的可行性[6]，為近年的工業(yè)應用奠定了技術基礎。

但是上述研究所用的脈沖電源都使用了工作電壓上萬伏的特殊開關，這些開關同時具有軍事用途，一般的環(huán)保公司很難采購到。為了降低脫硫、脫硝用脈沖電源的工業(yè)化應用難度，我們使用常規(guī)的半導體開關開發(fā)了1種設計平均功率為15 kW的脈沖電源，輸出脈沖上升時間500 ns，脈沖重復頻率300 Hz。配備了9臺電源的脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝反應器，在1臺130 t/h蒸發(fā)量的燃煤鍋爐上配套使用，處理171 000 m3/h的煙氣。

1 脈沖電源及配套脫硫、脫硝裝置的設計

1.1 脈沖電源的設計

本項目脈沖電源的原理見圖1。根據(jù)該工作原理，把脈沖電源分為以下4部分：直流充電電路、脈沖形成電路、磁壓縮電路和負載電路。表1列出了脈沖電源的主要設計參數(shù)。

表1 脈沖電源主要設計參數(shù)

圖1 脈沖電源原理

在直流充電電路中，三相380 V交流電經(jīng)可控硅SW1調壓、變壓器(T1)升壓、整流橋DB1整流后，在濾波電容C1上得到2 kV的電壓。電容C1經(jīng)二極管D和限流電阻R1給脈沖儲能電容C2充電。通過調節(jié)可控硅的開度可對濾波電容C1上的電壓進行調節(jié)，從而調節(jié)C2上的充電電壓。

在脈沖形成電路中，當脈沖儲能電容C2充電至設定電壓后，開關SW2受到觸發(fā)而導通，電容器C2和變壓器1次側漏感L形成諧振而產(chǎn)生電流脈沖。開關SW2是2只并聯(lián)的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，型號為Infineon FZ1200R33KF2C。所產(chǎn)生的初始電流脈沖波形的底寬是8 μs，脈沖峰值電流是9.8 kA，頻率是300 Hz，脈沖變壓變比為1：50，磁芯是鐵基非晶合金。

磁壓縮電路設計根據(jù)Druckmann原理[7]，詳細計算可參考文獻[8]，其中的磁壓縮電容C3和C4的容值均為10 nF，與負載電場的靜態(tài)分布電容值相等。磁開關的設計參數(shù)見表2。每級磁開關采用FT-3H牌號的納米晶疊片磁芯。一級磁開關MS1包含14個環(huán)形磁芯，用多股漆包線繞了16匝線圈；二級磁開關MS2包含6個環(huán)形磁芯，用多股漆包線繞了5匝線圈。采用直流電源給MS1和MS2提供大小為10 A的磁芯復位電流，把磁芯的磁擺幅控制在2.27 T。磁開關的工作過程如下：當脈沖形成回路的電容C2通過脈沖變壓器向一級磁壓縮電容C3充電的過程中, MS1的磁芯沒有飽和，電感值為51 mH，相當于是斷開的開關；當C2向C3充電過程完成時，MS1的磁芯飽和，電感降至10.2 uH，相當于開關閉合，此時電流從C3流經(jīng)MS1對C4充電。同理，當C3向二級磁壓縮電容C4充電過程完成時，MS2的磁芯飽和，存儲在C4中的能量傳輸?shù)截撦d。

表2 磁開關設計參數(shù)

負載電路包括電場F、脈沖截尾磁開關MS3和截尾電阻R2。脈沖電暈等離子體反應器在電場起暈之前，等效于1個電容器；在電場起暈之后等效于1個非線性電阻并聯(lián)1個電容器。在電暈過程結束后，為防止電場分布電容上的剩余能量引起電場發(fā)生閃絡擊穿，脈沖截尾磁開關MS3在電暈放電過程結束后導通，脈沖截尾電阻R2把電場分布電容上的剩余能量以生成熱量的形式消耗掉。

電源的高壓部件(包括脈沖變壓器、高壓電容器、磁開關)全部裝在油箱中。油箱2側裝有散熱片，油箱內的變壓器油采用自然循環(huán)的冷卻方式，油箱外安裝了風扇對散熱片持續(xù)降溫。

1.2 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的設計

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置需要安裝在1套蒸發(fā)量為130 t/h的燃煤鍋爐原有的煙氣處理設施的尾部，煙囪前的位置。鍋爐煙氣的完整處理流程如圖2所示。鍋爐是循環(huán)流化床鍋爐，配有爐內SNCR(選擇性非催化還原法)脫硝裝置。鍋爐煙氣經(jīng)電除塵器初步除塵后，進入循環(huán)流化床半干法脫硫塔，再經(jīng)袋式除塵器除塵，污染物排放濃度滿足2011年公布實施的排放標準。脈沖等離子體煙氣脫硫、脫硝裝置的設計目的是對煙氣實施進一步的凈化，以達到超低排放標準的要求。

圖2 煙氣處理流程

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的原理見圖3。裝置由2部分組成：①脈沖電暈反應器電場，用于脫硫、脫硝和除塵；②電場沖洗系統(tǒng)，用來收集副產(chǎn)物，包括硫酸、硝酸和粉塵。

圖3 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置原理

脈沖電暈反應器的電場使用板-線式結構。在降低脈沖電源制作難度的同時，脈沖上升時間擴展到了500 ns，超過了經(jīng)典文獻對于脈沖上升時間的要求。為了防止電場在升壓過程中過早發(fā)生閃絡，影響等離子體的產(chǎn)生，需要提高電場的極距精度。本項目一方面采用壓筋極板代替平板，增加極板的剛性，另一方面采用20 mm直徑的鋼管做放電極(魚骨針線)的線體，并使用直徑38 mm的鋼管做放電極框架。在放電極和接地極有足夠剛性的條件下，保證安裝完成后的電場中異極間距誤差在±5 mm以內。

由于煙氣和反應生成物具有腐蝕性，電場內與煙氣接觸的部件采用316L不銹鋼材料制作。電場的主要參數(shù)列于表3。電暈反應器包括3個電場，共9臺脈沖電源。每個電場包括3個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)對應8個氣體通道。反應器設計處理煙氣流量171 000 m3/h，平均每臺電源處理的煙氣量為19 000 m3/h。每個極板排的高度和長度分別為6 000 mm和1 800 mm，極板之間的間距是250 mm。測量得到每個供電分區(qū)的電場靜態(tài)分布電容是10 nF。

表3 脈沖電暈反應器設計參數(shù)

2 脈沖電源及配套脫硫、脫硝裝置的工業(yè)運行

2.1 脈沖電源運行結果

脈沖電源的運行參數(shù)測量采用泰克TDS2012C示波器、配泰克THDP0100電壓探頭、南瑞NRV-100高壓探頭以及知用CP9121L電流環(huán)。

通過可控硅調壓的升壓整流電路，把脈沖形成電容C2充電至2 kV。半導體開關SW2閉合后，在8 μs時間內C2向一級磁壓縮電容C3充電，通過變比1∶50的脈沖變壓器把電壓提升至100 kV。在C3充電完成前，第一級磁開關MS1作為1個大電感而保持在斷開狀態(tài)；在C3充電完成時，MS1的磁芯飽和，用1 μs的充電時間，能量流向C4，測量得到電容C4峰值電壓92 kV。計算得到脈沖形成回路到磁壓縮回路的能量轉換效率達到了84.6%，比文獻[6]的64.3%高，原因是這里使用了磁滯損耗更小的脈沖變壓器磁芯。第二級磁開關MS2飽和后，能量輸出到脈沖電暈反應器電場。此時，通過測量得出脈沖電源輸出的峰值電流2.7 kA，在反應器分布電容上測量得到峰值電壓68 kV，脈沖半高寬度是1 200 ns，脈沖電壓上升時間是500 ns。

2.2 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置運行結果

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的進、出口煙氣中的SO2、NOx和粉塵濃度由具有資質的第三方單位測試，測試儀器為天虹880F自動煙塵煙氣分析儀。該儀器對SO2、NOx采用定電位電解法進行測量，對粉塵進行在線采樣、離線稱重法測量。

圖4為脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的進、出口煙氣中SO2、NOx濃度的測試數(shù)據(jù)，圖5為粉塵濃度的測試數(shù)據(jù)。測試期間，以脈沖形成電容C2處能量計算，單位體積的煙氣所得到的脈沖能量是0.79 Wh/m3，比文獻[6]中的1.4 Wh/m3小。測試工作共進行了9次取樣，把9次的測試數(shù)據(jù)取算術平均值，結果如下：脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置把SO2質量濃度從入口的平均78 mg/m3降到了31.6 mg/m3，對應的脫硫效率為59%；把NOx質量濃度從入口的平均46 mg/m3降到了21 mg/m3，對應的脫硫效率為53%；把粉塵質量濃度從入口的平均16.8 mg/m3降到了3.8 mg/m3，對應的除塵效率為77%。文獻[6]在加氨氣條件下的脫硝效率為99%，加丙烯條件下的脫硝效率為70%。

圖4 煙氣中SO2、NOx質量濃度

圖5 煙氣中粉塵濃度

這套脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置自2015年底試運行以來，與鍋爐同步運行已超過6年，證明了此技術方案的工業(yè)化可行性。

3 結論

本項目使用常規(guī)半導體開關和脈沖磁壓縮技術開發(fā)了平均功率15 kW、脈沖上升時間500 ns、重復頻率300 Hz的脫硫、脫硝用脈沖電源。配備了9臺電源的脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置，在1臺130 t/h蒸發(fā)量的燃煤鍋爐上配套使用，取得了59%的脫硫效率、53%的脫硝效率和77%的除塵效率。

相比于文獻[6]的研究數(shù)據(jù)，本項目采用了無添加劑的工藝，所以脫硫、脫硝效率較低，但電源的能量轉化效率有所提升，單位流量煙氣消耗的能量有所降低。由于此技術降低了電源的制作難度，在最近5年時間內，又相繼建成了11套脈沖電暈等離子體煙氣凈化裝置，其中最大的1臺裝置處理的煙氣量是800 000 m3/h。此技術除了用于燃煤煙氣二次脫硫、脫硝外，還可用于燒結煙氣低溫脫硝，煤氣發(fā)電煙氣脫硫、脫硝，熱風爐煙氣脫硫、脫硝，市政污泥干化煙氣脫硫、脫硝和除臭等。