臭氧电源在烧结机烟气脱硝上的应用分析

2024-01-16陈思维

中国设备工程 2024年1期

陈思维

（福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000）

随着我国环保政策的逐渐强硬，大气污染治理行业发展速度极快，NOx 成为污染大气的主要物质，而NOx的主要来源为工业烧结机的烟气排放。为此，采取必要措施对烧结机的烟气进行脱硝极为必要。臭氧氧化脱硝技术的出现，有效地提高了脱硝效率。

1 烧结机烟气脱硝技术相关概述

烧结机多应用于燃煤厂、钢铁厂，燃烧产生的烟气中含有大量的氮氧化物（即NOx），一氧化氮占比为90%左右，二氧化氮占比在5%～10%，一氧化二氮的占比为1%左右。其中热力型NOx 在整体的20%左右，燃料型NOx 在整体的60%～80%，快速型NOx 在5%以下。热力型指的是二氧化氮在高温下和氧气发生，随着反应温度的提高，氮氧化物生成的速度越快。燃料型指的是在燃料中部分少量的含氮化合物，在燃烧中难以分解，后续被氧化为NOx。快速型指的是燃料燃烧过程中碳氢化合物在高温区域产生热分解形成的NOx，反应时间较短。

近年来，臭氧氧化法作为NOx 处理的新型控制技术，脱硝效率较高，设备体积较小，反应温度较低，适宜对低温度烟气进行脱硝处理，所以在废气治理行业，尤其是工业锅炉烟气治理等领域被广泛应用，是当前烟气脱硝技术的重点研究方向。

2 臭氧脱硝基本原理与系统组成

脱硝指的是将烟气中NOx 进行脱除。传统脱硝工艺存在着阻力较大、耗能较高、效率较低等缺陷，难以实现烧结机的超低排放。而臭氧脱硝效率较高、设备体积较小、耗能较小，适合应用在烟气处理中。

2.1 臭氧脱硝基本原理

臭氧被称为超氧，是氧气的同素异形体，常温状态下，臭氧为淡蓝色，具有特殊气味，稳定性较差，半衰期通常在50min 以下，可自行分解为氧气。少量吸入臭氧有益于人体健康，过量吸入则有危害，此外，氧气通过电解反应能够变为臭氧。

由于臭氧具有较强的氧化性，所以臭氧脱硝的原理便是利用此特点，将NOx 中不可溶的低价NOx 氧化为可溶的高价NOx，再经过洗涤塔或相关设备将NOx 吸收，从而达到脱硝的目的。臭氧在烟气中混合的均匀性将直接影响脱硝效率，可使用CFD 软件对烟道流场进行模拟，优化具体布置方案。

2.2 臭氧脱硝系统组成

臭氧脱硝系统由臭氧合成系统、电源系统、PLC、气源处理系统、冷却系统、投加系统组成，具体如下。

（1）臭氧合成系统。臭氧合成系统也被称为臭氧发生器单元，是臭氧脱硝中的核心部件。大型臭氧发生室是由多个放电单元进行串联或并联组成的结构，使得氧气在高频高压放电的反应条件下，生成臭氧。

（2）电源系统。电源系统是臭氧脱硝中的供电单元，采用先变频后升压的方式将输入电源的工频高压电源转换为高频高压，采用调频串联谐振的方式获得高频高压电源，使得发生器电气系统有着较高的功率因素，从而提高臭氧发生室内的电场电压，控制臭氧的发生量。

（3）PLC。PLC，即可编辑逻辑控制器，作用为对臭氧脱硝系统进行在线监控、检测。比如，数据采集显示、远传、远程控制，调节臭氧氧气、调整运行功率，实现压力调节和供气流量调节，监测臭氧浓度等功能。

（4）气源处理系统。臭氧脱硝系统中的气源处理系统分为三种，分别是空气源、富氧源以及纯氧源。空气源指的是将空气作为原料，经过空压机干燥后送入臭氧发生器，空气源送入氧气生成臭氧的浓度为20 ～30mg/L。富氧源指的是经过多道处理工序后，向臭氧发生器送入高纯度氧气，生成臭氧浓度在125mg/L 左右。纯氧源指的是使用液态氧经过汽化器进行汽化后，将其送入臭氧发生器，生成的臭氧浓度在150mg/L 左右。

（5）冷却系统。臭氧发生器在生成臭氧的过程中，至少90%的电能被转化为热能，若无法进行有效散热，将会影响臭氧发生器的稳定运转。因此，需要在臭氧脱硝系统中安装冷却系统。通常采用闭路循环和外循环冷却水系统对臭氧发生器的放电单元外电极进行冷却。

（6）投加系统。臭氧投加系统指的是将臭氧投入到烟气中，通常为喷射装置，喷头、喷嘴或阵列孔均可进行臭氧投加，但在投加中，需要着重注意臭氧投加的均匀程度，确保脱硝效率。

2.3 臭氧脱硝的优势

和传统脱硝工艺相比，臭氧脱硝具有四种优势，具体如下。

（1）适用性广。传统脱硝工艺，比如SCR、SNCR，必须在特定、稳定的温度范围内进行操作。而臭氧脱硝无须提高烟气温度，适宜使用在温度较低的烟气中进行脱硝改造，用户还可对烟气热量进行回收。

（2）改造简单。臭氧脱硝能够解决SCR 脱硝中反应器的阻力问题，比如，解决NH3和SO3反应生成NH4HOS4堵塞管道的问题，解决SNCR 锅炉改造后出现氨逃逸、空预器腐蚀的问题。臭氧脱硝系统无须在烟气系统中增加烟气处理设备，仅需要对烟道进行改造，而不对锅炉、风机进行改造，改造周期较短，停炉时间短。

（3）效率高，控制灵活。在烟气量或NOx 量不稳定的条件下，可灵活调整臭氧产量。在确保脱硝效率的情况下，降低系统能耗，将脱硝效率维持在90%以上。

（4）多污染物去除。臭氧脱硝对于NOx 的氧化反应选择性较高，能够将其转化为可溶的离子化合物，从而脱除NOx。臭氧脱硝系统能够联合湿法脱硫塔，同时对有机物进行降解，比如，其他重金属污染物，脱除率在60%以上。

2.4 臭氧脱硝中臭氧电源系统构成

臭氧电源是臭氧脱硝系统中的重要部分，其中包括配电单元、控制单元、变频器、升压单元、监测仪表单元，如图1。

图1 臭氧电源框架

图2 SPWM 调制波形示意图

（1）配电单元负责为臭氧脱硝系统提供动力电，通常为380V、50Hz，通常和控制单元整合到相同控制柜中，通过三相整流桥进行整流，被称为配电控制柜。

（2）控制单元通过数字信息处理DSP 技术，实现对臭氧电源的控制调节，利用快速的CPU 和更大容量的储存器，实现对臭氧电源的相关参数进行实时监测，驱动控制以及处理相关故障。

（3）变频器单元负责控制臭氧发生器的运行功率，通常采用IGBT 模块作为核心器件，通过正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的工作原理，使进行逆变输出的方波，串联臭氧电源的电抗器到达整流变压器进行升压，形成近似正弦波的高压，同时，可以大大削除谐波，提高臭氧电源的工作效率。

（4）升压单元负责为臭氧发生器提供高压和功率。由于臭氧发生器为容性负载，所以需要采用串联谐振升压技术。此外，臭氧发生器的频率需求较高，通常在3000Hz 以上，常规矽钢片无法满足需求，所以应采用铁氧体磁芯材料，为臭氧发生器提供可靠的高频高压电源。

（5）监测仪表。此部分和臭氧发生器相连，负责监测臭氧发生器的多种参数，比如，压力、流量、浓度、泄漏情况等，并将参数传输至PLC，以此实现自动化运行。

3 臭氧电源在烧结机烟气脱硝中的实证分析

为明确臭氧电源在烧结机烟气脱硝中利用功率控制脱硝效率的具体情况和臭氧脱硝的效果，本文依托于某实际烟气处理工程对臭氧电源的应用进行分析。

3.1 工程概况及改造内容

案例工程为福建某钢铁厂的烧结机烟气脱硝项目，烟气量每小时315m3。为完成臭氧脱硝系统的改造，具体改造内容如下。

（1）电源部分。安装逆变器柜以及电源柜，产生高压投入至臭氧发生器后，额定臭氧产生量为30kg/h，并安装远程控制柜，其中包括PLC。

（2）本体部分。安装臭氧发生器及配套元件，连接气路管道、水路管道，采用氩弧焊技术。

（3）换热系统。安装水泵、储水罐以及板式散热器，水路管道为不锈钢管道，现场管道长度在15m 左右。

（4）烟道投加系统。采用喷嘴管向烟道内部进行喷洒，并安装防腐材料，四周沿烟气方向安装4m 不锈钢材质的挡板。

（5）安装上位机后进行调试，利用电源功率调节臭氧产量，控制脱硝效率。

3.2 臭氧电源投入效果

以安装臭氧电源当日常规工况下的运行数据为准，探究是否能够通过电源功率控制臭氧产量，从而达到控制脱硝效率的目的，具体统计数据如表1。从表中统计数据可得知，通过对电源功率的调整，能够有效控制臭氧发生器的流量，影响臭氧浓度，在烟气流量变化较小的情况下（可视为控制变量）实现对脱硝效率的控制，即臭氧电源功率越大，脱硝效率越高，NOx 含量越少，证明臭氧电源可有效控制脱硝效率。

表1 臭氧电源功率和NOx 的排放量

3.3 臭氧系统投入效果对比

为验证臭氧系统的使用是否能够实现脱硝，本文将臭氧系统投入前以及投入后的NOx 排放率进行对比分析（取值范围为投入前3d 和投入后3d），具体如表2、表3。以表中第3d 的NOx 排放率为准，可知投入前的NOx 排放率为70kg/h，投入后NOx 排放率为29kg/h，可计算脱硝效率为58.571%，脱硝效果较为显著。