脈沖電源等離子體脫硫脫硝中試實驗研究

杜佳棋，孔春林,，趙巖，徐斌

（1.杭州天明環保工程有限公司，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80年代，國外就提出了脈沖電暈放電等離子體煙氣一體化凈化技術（Pulsed corona induced Plasma Chemical Process，簡稱PPCP），并在隨后的幾年里，意大利、日本等國做了一系列的實驗研究[1-5]，證明了PPCP技術在煙氣污染物脫除上有很好的效果。

近年來，國內出臺一系列環保新政策，進一步降低了燃煤電廠和鋼廠的污染物排放指標。目前的排放指標已經嚴于西方發達國家，傳統的脫硫脫硝技術已經很難甚至不能滿足現行的排放標準，這一現象促使國內的環保企業尋找脫硫脫硝新技術，以滿足用戶的需求，實現超低排放。

脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術，是以氣體高壓放電為基礎，激發煙氣中的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等污染物結合，生成相應的H2SO4、HNO3等霧滴，在靜電場的作用下荷電被收集，具體反應機理如下:

中試實驗在燃煤電廠抽取脫硫后濕煙氣，使其經過脫硫脫硝除塵一體化設備后再送回原煙道；通過對脫硫脫硝除塵一體化設備的極配形式、極間距、電源運行參數、噴水、噴霧等手段，調整脫硫脫硝除塵一體化設備的運行工況，記錄并研究實驗數據，根據實驗數據確定等離子脫硫脫硝除塵設備的最佳極配形式和運行模式，使得設備的脫硫脫硝除塵效果達到最佳。

1 實驗裝置

實驗裝置由等離子反應器、輔助水處理系統、離心風機和控制系統組成，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處引出，經過PPCP反應器進行反應，凈化后的煙氣再送回至脫硫塔后煙道內，并經煙囪進行排放。

圖1 工藝流程圖

根據脫硫塔后污染物濃度，以處理30 000 m3/h煙氣量為設計依據，本裝置具體參數如表1所示。

表1 PPCP反應器設計參數

根據研究結果及工藝要求，本次實驗將反應器設計線-板式（如圖2），分成前后兩級，分別用兩個電源供電；考慮煙氣具有一定的腐蝕性，將極線極板設計成不銹鋼。

圖2 反應器平面布置圖

2 實驗內容

本次實驗的目的是通過調整PPCP反應器的運行工況，從反應器電場結構、電源及附屬設備三方面著手，變換其中某個單一要素，測試并記錄所有數據。根據測試數據，分析和摸索出PPCP最佳運行工況，從而提高PPCP反應效率。

本實驗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PPCP反應器的進口和出口污染物濃度進行實時檢測，以便記錄各工況下的污染物數據。具體的實驗內容如下。

2.1 反應器電場結構調整

反應器的電場結構包括極線形式、極板形式、極線間距、線板間距等，合理的極配形式和極間距能夠更好地與電源匹配，從而提高電場的能量注入，優化波形[8]，能夠在反應器內部有效地建立等離子體場，并提高等離子體場的強度及均勻性。

本文采取了星形線、針刺較少的針刺線（以下簡稱疏針刺線）和針刺較密的針刺線（以下簡稱密針刺線）3種極線形式；并采用300、270、250 mm三種不同的極間距，針對反應器電場結構對等離子脫硫脫硝效率的影響進行實驗。

2.1.1 極線的選擇

在極間距、電源運行參數、煙氣條件等其他變量不變的工況下，依次更換反應器極線，并在反應器進出口測試孔位置放置煙氣分析儀，同時測試進出口污染物濃度。得到如圖3所示數據。

圖3 不同極線條件下的脫除效果對比圖

根據實驗數據可以看出，脫除效果：密針刺線＞星形線＞疏針刺線。在同樣的運行工況條件下，針刺線更容易建立等離子體場，而星形線建立的等離子場的均勻性比針刺線好。密針刺線與極板匹配時建立的等離子場強度較大且均勻性更好，所以整體效果最佳。

對于該所有研究對象的治療依從性、健康知識的知曉率以及不良反應發生的情況進行比較。評價本文所有研究對象，經過不同護理干預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指標情況。

2.1.2 極間距的選擇

陰極線采用密針刺線，保證電源運行參數、煙氣條件等其他變量不變的工況下，移動電極，改變電場極間距，分別在300、270、250 mm的極間距下，測試反應器的脫除效率。得到數據如圖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，在電源運行參數不變的情況下，電場強度會增加，電場內部等離子場也會隨之增強，產生更多的等離子體，所以反應器從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，極間距進一步減小，從270 mm減小到250 mm時，脫除效率反而下降，這主要是反應器本體的制造和安裝精度導致的，極線極板在生產、運輸和安裝過程中都會有一定量的形變，極間距越小，受產品本身精度的影響越大，安裝完成后的極間距調整工作更加困難。在250 mm極距試驗中，電源還未升至額定功率時電場內部已經擊穿放電，從而影響了等離子體場的建立，導致脫除效率下降。

圖4 不同極間距下的脫除效果對比圖

2.2 等離子電源運行參數調整

2.2.1 脈沖電壓

脈沖電壓是衡量電場內部是否建立等離子場的重要因素，脈沖電壓越高，電場內部場強越大，等離子場越強。從圖5中可以看出，當煙氣直通時，反應器進出口污染物濃度基本是一樣的，等開啟等離子電源后，污染物濃度瞬間下降，趨于平穩并與入口污染物濃度趨勢一致。說明當電源開啟后，電場內部很快建立起等離子場，在等離子的作用下，煙氣中的SO2和NO能夠迅速地被反應并且脫除[9]。

圖5 反應器進出口污染物濃度變化圖

在實驗中，通過逐次增加5 kV脈沖電壓的方式，我們發現，并不是只要電場內部有電壓，就能建立起有效的等離子場。在電壓較低的情況下，反應器的脫除效率很低，并且隨著電壓的增加，脫除效率并未有明顯的增加，說明電場內部未能形成等離子場；當電壓達到110 kV，反應器的脫除效率呈現直線式的上升，隨著電壓的繼續增加，脫除效率也隨之上升；并且通過提高電源運行頻率的方式，增加注入電場的能量，產生更多的自由基[10]，反應器的脫除效率也會相應提高。

2.2.2 脈沖寬度

實驗中，在反應器與電源之間串聯一個磁開關，通過調整磁開關的線圈匝數來調節脈沖截尾電路的工作時間，來調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，脫硫效率呈現下降趨勢，而脫硝效率則是先上升后下降，在800 ns時脫硝效率達到最大。由于脫硫相對于脫硝更加容易，故本次實驗的電源運行參數設定為：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運行工藝

水系統作為PPCP設備的附屬設施，也是必不可少的，它不僅能對電場進行沖洗，保證極板的清潔，同時也帶走了反應器中收集下來的污染物，減少逆向反應的發生。此外，水作為一種常用的吸收劑，能夠很好地吸收電場內部的反應產物，促進反應朝著我們需要的方向進行，可以有效地提高PPCP裝置對污染物的脫除效率。

本次實驗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；噴霧是指采用霧化噴嘴，將水霧化后噴入反應器中。

圖7中顯示，在等離子體作用下，單獨噴水，SO2濃度迅速下降，而NO沒發生變化；單獨噴霧，SO2和NO濃度均未有變化；在噴水的基礎上噴霧，SO2濃度繼續下降，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SO2的脫除有明顯的作用，而對NO的脫除基本沒有作用。原因是SO2和SO2的反應產物都易溶于水[12]，并且很快被水帶出反應器，可以有效地降低逆反應的發生；而NO和NO反應副產物不易溶于水，即使有部分溶于水也會很快分解。

3 結論

1）合理的反應器結構能夠更好地與電源進行匹配，提高反應器的注入能量，從而提高等離子體場的強度，同時也能提高等離子體場的均勻性，最終達到提高脫硫脫硝效率的目的。

2）電源運行參數的優化，可以有效地提高NO的脫除率，但會降低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NO的脫除無明顯作用。

將上述條件優化后組合在一起，最終實現NO的脫除率40%以上、SO2脫除率在80%以上的效果。隨著進一步的工業化運用，PPCP技術可以有效地解決燃煤電廠和鋼廠現階段面臨的排放困境，實現超低排放。