脈沖放電等離子體煙氣治理技術在燃氣鍋爐的應用研究

杜佳棋，丁澤坤，楊宣志，許經偉，司柄帥，鄭煥

（1.杭州天明環(huán)保工程有限公司，杭州 310018；2.河北卓越電氣有限責任公司，河北邯鄲 056000）

0 引言

2020年鋼鐵行業(yè)仍是脫硫脫硝治理的重點，繼續(xù)加強鋼鐵行業(yè)超低排放改造，鼓勵脫硫脫硝先進技術。各地要按照生態(tài)環(huán)境部等5部門聯合印發(fā)的《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，增強服務意識，協(xié)調組織相關資源，幫助鋼鐵企業(yè)因廠制宜選擇成熟適用的環(huán)保改造技術路線，為企業(yè)超低排放改造提供有利條件。

鋼鐵廠自備煤氣發(fā)電廠機組的煙氣指標在原排放標準下能夠滿足排放要求，未上任何環(huán)保設備，煙氣直接排放。隨著排放標準的提高，燃燒后的煙氣無法達到超低排放的標準，需要新建脫硫脫硝除塵環(huán)保設備，以滿足排放要求。

脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP），作為一種煙氣凈化新技術，可以同時脫除NOx、SO2、粉塵等多種污染物，且設備可以架空布置，占地面積小，運行阻力也很小，只需要對風機進行葉輪改造就能滿足使用要求，不需要更換風機，整個設備的投資和運行成本相對較低，能夠很好地適應鋼廠煤氣發(fā)電廠的工況。

1 脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP）簡介

1.1 工作原理

脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP），是以納秒級脈寬的等離子電源在反應器的電極上產生高壓，電離煙氣中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*、O*和水合分子等活性自由基[1-2]，煙氣中的SO2、NO等污染物被產生的活性自由基氧化，與煙氣中的H2O結合，生成相應的H2SO4、HNO3等霧滴，在電場內部被荷電，最終在電場力的作用下被收集到電極上，通過噴水等方式，將收集的污染產物帶出設備。

反應機理：

1.2 脈沖等離子電源

脈沖等離子電源，作為脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP）的核心部件，與PPCP設備配套使用，給PPCP設備提供高壓，脈沖寬度達到納秒級的窄脈沖（如圖1），繼而產生高能電子，從而激發(fā)自由基。

圖1 脈沖波形圖

電源的最大功率可以達到100 kW，頻率可以達到600 Hz，具體參數如表1所示。

表1 脈沖等離子電源參數表

1.3 脈沖等離子體反應器

反應器采用板-線形式，反應器異極距為300 mm，線線距離為200 mm，放電極采用密針刺線結構，極板采用590型波紋板結構。在內件上部，布置有兩種噴淋層（一種扇形的和一種錐形的），扇形噴嘴對板進行沖洗，保證板面清潔；錐形噴嘴則對整個空間進行沖洗，包括針刺，保證放電強度。由于反應產物為酸，且通過噴水的方式如圖2所示，將反應產物帶出設備，所以反應器內件均采用不銹鋼材質。

圖2 PPCP設備結構圖

作為等離子體產生的載體，其容量需要與脈沖等離子電源相匹配，才能實現能量的有效傳遞。此外，其結構上的分布電容和分布電感，對窄脈沖的形成也至關重要，整個反應器內部均采用焊接的形式，減少部件之間的接觸阻抗；反應器與電源連接處采用同心結構，提高能量的傳輸效率。

3 FDA生物標志物資格認定流程 在FDA， 藥品審評與研究中心 （CDER）的轉化科學辦公室、新藥辦公室、反恐與應急協(xié)調辦公室具體負責生物標志物資格認定項目的實施。雖然流程與其他藥物研發(fā)工具相類似，但針對生物標志物的資格審評中，CDER會對其在藥物研發(fā)中的特定COU做專門考慮。

1.4 反應的煙氣條件

由于脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP）需要電離煙氣中的H2O、O2等分子來產生自由基，從而跟煙氣中的污染物結合并將污染物脫除，其中羥基自由基起到關鍵性作用，而產生羥基自由基最主要的途徑是電離煙氣中的水分子，所以PPCP設備正常工作對煙氣濕度有一定的要求。

在煙氣濕度較低的情況下,隨著濕度的增加，PPCP設備的脫除效率呈現上升趨勢,超過一定濕度后，煙氣中富余的水會吸收電離產生的高能電子，反而會導致脫除效率的下降[3]。

2 脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP）的應用分析

2.1 煙氣條件分析

鋼廠燃氣鍋爐的煙氣條件如表2所示，正常情況下，排煙溫度為110～140 ℃，含水量為3%左右，在省煤器出現故障的時候會出現180 ℃高溫；而燃氣鍋爐的煤氣條件受前端高爐、轉爐等設備的影響，也直接影響到煙氣中的SO2和NOx的排放，在正常工況下，煙氣中SO2折算平均值為80 mg/m3，NOx折算平均值為70 mg/m3，顆粒物折算平均值為10 mg/m3，當高爐出現檢修等情況時，煙氣中的污染物會出現峰值，SO2折算最大值為150 mg/m3，NOx折算最大值為100 mg/m3，顆粒物折算最大值為20 mg/m3。

表2 煤氣發(fā)電機組煙氣條件

高爐煤氣成分如表3所示。

表3 煤氣成分質量分數%

空氣過程系數取1，燃燒后的煙氣成分如表4所示。

表4 燃燒后煙氣成分質量分數%

2.2 場地條件

鋼廠燃氣鍋爐鍋爐房后就是引風機房，緊接著就是煙囪，所以整個場地非常緊張，只有煙道、附屬設備及周邊道路上空部分可以擺放環(huán)保處理設備，對于傳統(tǒng)的脫硫脫硝除塵工藝而言，沒有足夠的空間可以安裝設備，而脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化設備，可以通過鋼支架將設備架高，把設備安裝在煙道上空，完全可以適應鋼廠燃氣鍋爐現場條件，具體布置如圖3所示。

圖3 設備布置圖

2.3 工藝確定

根據鋼廠燃氣鍋爐的煙氣條件和場地條件，以及脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP）自身的工作條件，燃氣鍋爐的煙氣條件很適合采用PPCP技術，但需要對原煙氣進行降溫增濕處理，以達到PPCP設備運行的最佳工作條件，另外，為提高PPCP設備的經濟性，可將設備按照平均值進行設計，在前端增加一個消峰裝置，以滿足鍋爐的特殊工況。燃氣鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵的可行工藝如圖4所示，在脈沖放電等離子體煙氣治理設備前端增加一個急冷消峰塔，正常情況下采用噴水的方式將煙氣從140 ℃降至70～80 ℃，煙氣濕度從3%增加到6%左右，經過預處理后的煙氣進入脈沖放電等離子體煙氣治理設備進行處理，最后凈化后的煙氣經煙囪排放。當高爐進行檢修等特殊工況時，急冷消峰塔內噴入相應的藥劑，將超出PPCP設備處理能力之外的污染物脫除，實現達標排放。

圖4 煙氣脫硫脫硝除塵工藝流程圖

2.4 急冷消峰塔參數計算

1）急冷曉峰塔降溫水量計算。

由于PPCP設備對煙氣溫度和濕度有一定的要求，所以需要噴水對煙氣進行降溫增濕，以達到PPCP最佳的處理煙氣條件。原煙氣煙溫為140 ℃左右，需要將煙氣溫度降至80 ℃左右，換熱計算如下：

查表得80 ℃和140 ℃煙氣的各組成分的平均比熱，如表5所示。

表5 煙氣各組成分平均比熱表

根據表5，計算煙氣降溫釋放的熱量：

另查表得焓值如表6所示。

表6 焓值表kJ/kg

計算蒸發(fā)用水量：

2）用藥量計算。

急冷消峰塔采用噴藥的方式，將特殊工況下的煙氣中污染物濃度從最大值降至PPCP設備的處理能力范圍以內，故噴淋用藥量按污染物濃度最大值降到平均值進行計算。

由于藥劑本身的特性，會對SO2先進行脫除，后再對NOx 進行脫除，則根據工況藥劑需要將SO2脫除150 mg/m3，NOx脫除30 mg/m3，計算得每小時需要藥劑的最大量約2.39 kg/h。

2.5 PPCP設備選型

PPCP設備對煙氣污染物的脫除，其脫除能力跟煙氣流速有很大關系，其脫除效率與處理時間成正比關系。根據煙氣條件，選取PPCP反應器由18個模塊單元組成，每個單元配置一臺等離子脈沖電源，反應器在煙氣方向3級串聯而成，橫向6個單元并聯。PPCP設備外形尺寸及其他參數詳如表7所示。

表7 PPCP設備參數表

2.6 對比分析

PPCP設備本身的特性對于低濃度煙氣條件下的污染物脫除具有更好的經濟性，包含設備的投資費用及運行費用。而傳統(tǒng)的技術對于低濃度的煙氣脫除主要是靠與污染物的碰撞接觸，在污染物濃度越低的情況下，碰撞越困難，脫除難度也就越高，則成本也會越大。

以下對不同技術占地面積、建設費用及運行費用進行了統(tǒng)計，如表8所示。PPCP技術與其他技術在建設費用這一塊相當；但是占地面積遠小于其他技術路線，并且可以架空布置，對場地的利用率高；從運行成本看，PPCP技術的運行成本是其他幾種技術路線的1/3～1/5左右。

表8 PPCP技術與其他技術對比表

3 結語

脈沖放電等離子體煙氣治理技術（PPCP），增加煙氣預處理設備后，能夠很好地適應鋼廠燃氣鍋爐的煙氣條件和場地條件，并且與傳統(tǒng)的脫硫脫硝除塵工藝相比，PPCP技術具有以下優(yōu)點：1）可以架空布置，占地面積??；2）PPCP技術在低濃度下可以更加經濟地脫除污染物，尤其是在前端消峰裝置的輔助下，總投資低，經濟性高；3）PPCP設備阻力為400 Pa左右，原風機不需要改造；4）PPCP技術的能耗主要是電和水，但與傳統(tǒng)技術由于阻力而消耗的電量相比，其能耗要低得多，降低了設備的運行費用；5）PPCP設備內件采用不銹鋼材質，檢修周期長，檢修費用低。