脉冲电源等离子体脱硫脱硝中试实验研究

2021-10-26杜佳棋孔春林赵岩徐斌

机械工程师 2021年10期

杜佳棋，孔春林,，赵岩，徐斌

（1.杭州天明环保工程有限公司，杭州 310018；2.杭州天明电子有限公司，杭州 310018）

0 引言

早在20世纪80年代，国外就提出了脉冲电晕放电等离子体烟气一体化净化技术（Pulsed corona induced Plasma Chemical Process，简称PPCP），并在随后的几年里，意大利、日本等国做了一系列的实验研究[1-5]，证明了PPCP技术在烟气污染物脱除上有很好的效果。

近年来，国内出台一系列环保新政策，进一步降低了燃煤电厂和钢厂的污染物排放指标。目前的排放指标已经严于西方发达国家，传统的脱硫脱硝技术已经很难甚至不能满足现行的排放标准，这一现象促使国内的环保企业寻找脱硫脱硝新技术，以满足用户的需求，实现超低排放。

脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术，是以气体高压放电为基础，激发烟气中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*和水合分子等活性自由基[6-7]，这些自由基与烟气中的SO2、NO等污染物结合，生成相应的H2SO4、HNO3等雾滴，在静电场的作用下荷电被收集，具体反应机理如下:

中试实验在燃煤电厂抽取脱硫后湿烟气，使其经过脱硫脱硝除尘一体化设备后再送回原烟道；通过对脱硫脱硝除尘一体化设备的极配形式、极间距、电源运行参数、喷水、喷雾等手段，调整脱硫脱硝除尘一体化设备的运行工况，记录并研究实验数据，根据实验数据确定等离子脱硫脱硝除尘设备的最佳极配形式和运行模式，使得设备的脱硫脱硝除尘效果达到最佳。

1 实验装置

实验装置由等离子反应器、辅助水处理系统、离心风机和控制系统组成，如图1所示。该装置布置于燃煤电厂脱硫塔之后，烟气从脱硫塔之后烟道人孔门处引出，经过PPCP反应器进行反应，净化后的烟气再送回至脱硫塔后烟道内，并经烟囱进行排放。

图1 工艺流程图

根据脱硫塔后污染物浓度，以处理30 000 m3/h烟气量为设计依据，本装置具体参数如表1所示。

表1 PPCP反应器设计参数

根据研究结果及工艺要求，本次实验将反应器设计线-板式（如图2），分成前后两级，分别用两个电源供电；考虑烟气具有一定的腐蚀性，将极线极板设计成不锈钢。

图2 反应器平面布置图

2 实验内容

本次实验的目的是通过调整PPCP反应器的运行工况，从反应器电场结构、电源及附属设备三方面着手，变换其中某个单一要素，测试并记录所有数据。根据测试数据，分析和摸索出PPCP最佳运行工况，从而提高PPCP反应效率。

本实验采用定电位电解法烟气分析仪testo340、testo350，非分散红外烟气分析仪和傅里叶变换红外烟气分析仪，对PPCP反应器的进口和出口污染物浓度进行实时检测，以便记录各工况下的污染物数据。具体的实验内容如下。

2.1 反应器电场结构调整

反应器的电场结构包括极线形式、极板形式、极线间距、线板间距等，合理的极配形式和极间距能够更好地与电源匹配，从而提高电场的能量注入，优化波形[8]，能够在反应器内部有效地建立等离子体场，并提高等离子体场的强度及均匀性。

本文采取了星形线、针刺较少的针刺线（以下简称疏针刺线）和针刺较密的针刺线（以下简称密针刺线）3种极线形式；并采用300、270、250 mm三种不同的极间距，针对反应器电场结构对等离子脱硫脱硝效率的影响进行实验。

2.1.1 极线的选择

在极间距、电源运行参数、烟气条件等其他变量不变的工况下，依次更换反应器极线，并在反应器进出口测试孔位置放置烟气分析仪，同时测试进出口污染物浓度。得到如图3所示数据。

图3 不同极线条件下的脱除效果对比图

根据实验数据可以看出，脱除效果：密针刺线＞星形线＞疏针刺线。在同样的运行工况条件下，针刺线更容易建立等离子体场，而星形线建立的等离子场的均匀性比针刺线好。密针刺线与极板匹配时建立的等离子场强度较大且均匀性更好，所以整体效果最佳。

对于该所有研究对象的治疗依从性、健康知识的知晓率以及不良反应发生的情况进行比较。评价本文所有研究对象，经过不同护理干预以后患者的空腹血糖值、餐后2 h血糖值、糖化血红蛋白等相关指标情况。

2.1.2 极间距的选择

阴极线采用密针刺线，保证电源运行参数、烟气条件等其他变量不变的工况下，移动电极，改变电场极间距，分别在300、270、250 mm的极间距下，测试反应器的脱除效率。得到数据如图4 所示，随着极间距减小，脱除效率先上升后下降。

极间距的减小，在电源运行参数不变的情况下，电场强度会增加，电场内部等离子场也会随之增强，产生更多的等离子体，所以反应器从300 mm极距变换为270 mm极距后，污染物的脱除效率有所增加。

从图4中可见，极间距进一步减小，从270 mm减小到250 mm时，脱除效率反而下降，这主要是反应器本体的制造和安装精度导致的，极线极板在生产、运输和安装过程中都会有一定量的形变，极间距越小，受产品本身精度的影响越大，安装完成后的极间距调整工作更加困难。在250 mm极距试验中，电源还未升至额定功率时电场内部已经击穿放电，从而影响了等离子体场的建立，导致脱除效率下降。

图4 不同极间距下的脱除效果对比图

2.2 等离子电源运行参数调整

2.2.1 脉冲电压

脉冲电压是衡量电场内部是否建立等离子场的重要因素，脉冲电压越高，电场内部场强越大，等离子场越强。从图5中可以看出，当烟气直通时，反应器进出口污染物浓度基本是一样的，等开启等离子电源后，污染物浓度瞬间下降，趋于平稳并与入口污染物浓度趋势一致。说明当电源开启后，电场内部很快建立起等离子场，在等离子的作用下，烟气中的SO2和NO能够迅速地被反应并且脱除[9]。

图5 反应器进出口污染物浓度变化图

在实验中，通过逐次增加5 kV脉冲电压的方式，我们发现，并不是只要电场内部有电压，就能建立起有效的等离子场。在电压较低的情况下，反应器的脱除效率很低，并且随着电压的增加，脱除效率并未有明显的增加，说明电场内部未能形成等离子场；当电压达到110 kV，反应器的脱除效率呈现直线式的上升，随着电压的继续增加，脱除效率也随之上升；并且通过提高电源运行频率的方式，增加注入电场的能量，产生更多的自由基[10]，反应器的脱除效率也会相应提高。

2.2.2 脉冲宽度

实验中，在反应器与电源之间串联一个磁开关，通过调整磁开关的线圈匝数来调节脉冲截尾电路的工作时间，来调整电源输出波形的脉冲宽度，找到最佳脉冲宽度。

从图6中可以看出，随着脉冲宽度的减小，脱硫效率呈现下降趋势，而脱硝效率则是先上升后下降，在800 ns时脱硝效率达到最大。由于脱硫相对于脱硝更加容易，故本次实验的电源运行参数设定为：脉冲峰值电压为110 kV，电流峰值为2 kA，脉冲宽度为800 ns，脉冲上升时间＜400 ns，工作频率为300～600 Hz[11]。