脈沖電暈等離子體煙氣脫硫脫硝實驗裝置

杜佳棋， 丁澤坤， 呂亮， 章洲， 金希舒

（1.杭州天明環(huán)保工程有限公司，杭州 310018；2.寧波興業(yè)盛泰集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315336；3.寧波愛嘉環(huán)境科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB13/5161—2021）的公開，對燃煤鍋爐的煙氣排放指標(biāo)進(jìn)一步提升，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：新建火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組自本標(biāo)準(zhǔn)實施之日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組自2023年1月1日起，排放標(biāo)準(zhǔn)升級為“30255”：NOx的排放限值為30 mg/m3，SO2的排放限值為25 mg/m3，顆粒物的排放限值為5 mg/m3[1]。

傳統(tǒng)的脫硫脫硝除塵工藝為SCR/SNCR+濕法脫硫+濕電或者是SCR/SNCR+半干法脫硫+布袋，其占地面積非常大，阻力也很大，尤其是在低濃度的煙氣情況下，運行費用非常高。脈沖電源等離子體脫硫脫硝技術(shù)，是目前控制煙氣NOx和SO2排放的一種切實有效的手段。此技術(shù)是通過短上升沿、窄脈寬的高壓脈沖電暈放電形成等離子體，產(chǎn)生高能電子，將煙氣中的水、氧分子電離產(chǎn)生水合分子、羥基自由基和氧自由基等活性分子[2-4]，這些活性分子與煙氣中的污染分子進(jìn)行結(jié)合，使污染物發(fā)生氧化、轉(zhuǎn)化，最終被收集并隨噴淋水排出設(shè)備，達(dá)到煙氣凈化的目的。

本文根據(jù)中試實驗內(nèi)容及現(xiàn)場的煙氣條件，設(shè)計了一套脈沖電暈等離子體脫硫脫硝實驗裝置，并用于某燃煤電廠600 MW機(jī)組煙氣處理上，進(jìn)行各種工況的數(shù)據(jù)測量，結(jié)果表明，脈沖電暈等離子體脫硫脫硝技術(shù)對燃煤煙氣污染物脫除效果顯著，能夠滿足新的排放要求。

1 裝置概況

實驗裝置的工藝流程如圖1所示，包含煙氣系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。煙氣系統(tǒng)由進(jìn)口煙道、出口煙道、引風(fēng)機(jī)、進(jìn)口閥門和出口閥門等5部分組成；降溫系統(tǒng)主要為急冷塔；反應(yīng)系統(tǒng)由反應(yīng)裝置、等離子電源和高壓連接裝置等3部分組成；水系統(tǒng)由水箱、水泵、閥門等組成；控制系統(tǒng)由配電柜、控制柜、電腦等組成。煙氣取自電廠煙道，經(jīng)急冷塔降溫增濕后，進(jìn)入反應(yīng)裝置進(jìn)行反應(yīng)，同時，等離子電源對反應(yīng)裝置進(jìn)行脈沖放電，在放電極上產(chǎn)生等離子體對煙氣進(jìn)行處理，處理后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)再送回原煙道內(nèi)，最后通過煙囪排放。

圖1 脈沖電暈等離子體煙氣脫硫脫硝工藝流程圖

根據(jù)電廠提供的煙氣參數(shù)對本實驗裝置進(jìn)行設(shè)計，并結(jié)合設(shè)備本身的處理能力，選取煙氣量為30 000～60 000 m3/h；裝置由2個供電分區(qū)組成；煙氣經(jīng)急冷塔降溫至50～80 ℃；入口SO2濃度約為80 mg/m3，出口濃度≤35 mg/m3；入口NOx濃度約為120 mg/m3，出口濃度≤50 mg/m3；引風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，可以調(diào)整風(fēng)量大小。具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 實驗裝置設(shè)計參數(shù)

將設(shè)備放置在室外，占地尺寸為30 m×16 m，如圖2所示。反應(yīng)裝置通過鋼支架落地布置，長為9 m，寬為6 m，頂部側(cè)面布置有平臺，等離子電源布置在反應(yīng)裝置的頂部，水系統(tǒng)布置在反應(yīng)裝置的下部鋼支架內(nèi)，配電柜、控制柜布置在反應(yīng)裝置的平臺下部，風(fēng)機(jī)、煙道和塔架空布置。

圖2 脈沖電暈等離子體煙氣脫硫脫硝實驗裝置平面布置圖

2 單個系統(tǒng)介紹

2.1 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)的主要作用是將煙氣從電廠原煙道引出，進(jìn)入降溫塔降溫后送至反應(yīng)裝置進(jìn)行反應(yīng)，再送回原煙道。在進(jìn)口、出口煙道上均設(shè)置有閥門和測試孔。在設(shè)備需要進(jìn)行必要的調(diào)整時，可以通過關(guān)閉閥門的方式來切斷煙氣，從而使反應(yīng)裝置具備人員進(jìn)入的條件。而測試孔的主要作用是方便檢測儀器對煙氣成分進(jìn)行測量，從而判斷污染物脫除效果。

本系統(tǒng)采用變頻風(fēng)機(jī)，可以通過調(diào)整變頻風(fēng)機(jī)變頻器的頻率來調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對抽取的煙氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)煙氣的處理時間。

2.2 降溫系統(tǒng)

降溫系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)煙氣的溫度和濕度，讓煙氣溫度、濕度處于反應(yīng)裝置的最佳工作范圍內(nèi)。當(dāng)煙氣經(jīng)過急冷塔時，塔內(nèi)的噴淋層會啟動，順著煙氣流方向噴射降溫用水，根據(jù)反應(yīng)裝置進(jìn)口的測溫點的溫度反饋來聯(lián)鎖控制急冷塔噴淋層的開啟數(shù)量和噴嘴的工作壓力，實現(xiàn)溫度的精確控制。

2.3 反應(yīng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由反應(yīng)裝置、等離子電源和高壓連接裝置等3部分組成，是整個實驗裝置的核心系統(tǒng)。

2.3.1 反應(yīng)裝置

根據(jù)經(jīng)驗和工藝要求，反應(yīng)裝置采用臥式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部放電極的結(jié)構(gòu)形式為線-板式，由2個反應(yīng)室組成，每個反應(yīng)室的有效長度為1.8 m，寬度為2.16 m，高度為3.6 m，分別用等離子電源給其供電；反應(yīng)裝置頂部設(shè)置有噴淋系統(tǒng)，有極板噴淋和空間噴淋2種噴淋方式，分別可以沖洗極板和整個放電空間；反應(yīng)裝置殼體與煙氣接觸部分采用不銹鋼，其余部分采用碳鋼，內(nèi)件采用不銹鋼。

單個反應(yīng)室的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 單個反應(yīng)室技術(shù)參數(shù)表

反應(yīng)裝置主要放電部分為其內(nèi)部的極板和極線，線-板距離為（135±5）mm，保證電場有足夠的電場強(qiáng)度，確保不會被擊穿。極板采用C590型波紋板（如圖3），其長度為590 mm，寬度為50 mm，厚度為1.2 mm，由平板軋制而成，中間呈波紋型，便于水膜的形成，極板上下均開有φ13 mm固定連接孔，用于組裝和安裝。極線采用直徑φ3 mm的針刺線，焊接在陰極管上，針刺之間的距離為75 mm，極線與極線之間的距離為200 mm，焊接在陰極框架上。

圖3 極板結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)件組裝和安裝完成后，均采用焊接形式固定，一方面增加內(nèi)件的安裝強(qiáng)度和可靠度，另一方面減小能量傳輸?shù)淖杩梗欣陔娫茨芰康淖⑷耄瑴p小脈沖寬度和脈沖上升沿。針尖對板安裝，有利于提高電場強(qiáng)度，更容易產(chǎn)生等離子體，此外，合理的針刺間距和線線間距能夠使等離子體的空間分布更加均勻，從而提高整個空間內(nèi)的等離子體場強(qiáng)度和均勻性[5]。

反應(yīng)產(chǎn)物為硫酸氣溶膠和硝酸氣溶膠，這些產(chǎn)物與粉塵顆粒物一樣，在靜電場的作用下被荷電收集，最終吸附在極板上。反應(yīng)產(chǎn)物的過多富集容易造成電場擊穿，導(dǎo)致電場吸附能力降低和促進(jìn)逆反應(yīng)的發(fā)生。故在電場頂部設(shè)置噴淋裝置（如圖4），有極板噴淋和空間噴淋2種，其中極板噴淋是針對極板清洗所設(shè)，采用扇形噴嘴，每組分左右2個噴嘴，分別對著極板噴射，在極板表面形成連續(xù)的水膜，此噴淋層連續(xù)運行；空間噴淋是針對整個放電區(qū)域的，采用錐形噴嘴，此噴淋層間斷運行。電場底部設(shè)置灰斗，傾斜角為10°，灰斗底部有排水口，能及時將含有反應(yīng)產(chǎn)物的水排出設(shè)備。

圖4 噴淋結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 等離子電源

等離子電源是用于給脈沖等離子體煙氣凈化設(shè)備提供高壓電的裝置，其在等離子場的形成中起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)反應(yīng)器電場電容及各連線與反應(yīng)器組成的回路電感設(shè)計等離子電源，與反應(yīng)器匹配使用。

電場產(chǎn)生等離子體的場強(qiáng)為6 kV/cm，而要實現(xiàn)脫除煙氣中污染物的目的，達(dá)到等離子體的產(chǎn)生場強(qiáng)是不夠的，需要將電場強(qiáng)度提升到8 kV/cm以上，從而使等離子體往空間擴(kuò)散，最終與污染物進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到凈化煙氣的目的。

等離子電源的技術(shù)參數(shù)如下：電源功率為50 kW，輸出峰值電壓為120 kV，峰值電流為3 kA，脈沖前沿＜300 ns，脈沖寬度＜800 ns，最大頻率為300 Hz。

2.3.3 高壓連接裝置

高壓連接裝置用于連接反應(yīng)裝置和等離子電源，作為能量傳輸?shù)臉蛄海浣Y(jié)構(gòu)特性及本身電氣參數(shù)對脈沖波形的形成、能量傳輸效率有著重要的影響。該裝置采用寬銅皮作為高壓連接線，并將高壓套筒與連接線同軸布置，套筒與地之間可靠連接。

能量在傳輸過程中通過傳輸線輸送至工作區(qū)域，但部分能量以熱能、電磁輻射等形式消耗掉。采用同軸傳輸?shù)姆绞娇梢杂行У販p小能量在傳輸過程中的輻射損失，從而提高能量的傳輸效率。

2.4 水系統(tǒng)

水系統(tǒng)包括在脈沖等離子體脫硫脫硝實驗裝置中所設(shè)置的用于前端煙氣降溫、對電極進(jìn)行清洗的供水和排水系統(tǒng)，由補(bǔ)水箱、循環(huán)水箱、排水箱、管路、泵、閥門等組成。其中降溫用噴淋泵采用變頻泵，可以有效地控制水量，從而控制煙氣溫度和濕度；給極板噴淋的供水泵采用變頻泵，可以精確地控制流量和壓力，以免因噴嘴壓力過大而噴出板外并導(dǎo)致電場擊穿放電，或噴嘴壓力過小，水膜在極板上只形成一部分，達(dá)不到?jīng)_洗的效果。

水箱之間貫通連接，補(bǔ)水箱補(bǔ)充新水，為降溫噴淋和空間噴淋供水，并可溢流至循環(huán)水箱；排水箱內(nèi)儲存并沉淀反應(yīng)裝置的出水，將上層清液溢流至循環(huán)水箱，下層濁液則排入脫硫地坑，作為脫硫漿液的一部分使用；循環(huán)水箱給極板噴淋供水，水循環(huán)使用，一部分取自排水箱的上層清液，一部分取自補(bǔ)水箱的溢流水。

2.5 控制系統(tǒng)

實驗現(xiàn)場，將實驗裝置上的氣體流量計、壓力變送器、液體流量計、PT100等儀表上的數(shù)據(jù)通過控制柜傳輸至PLC系統(tǒng)內(nèi)，由計算機(jī)記錄、保存，并由PLC實現(xiàn)自動控制，根據(jù)反饋信號實時調(diào)整各部分的運行參數(shù)，確保設(shè)備運行參數(shù)不超出設(shè)計參數(shù)。將電源運行參數(shù)也通過信號線傳送到PLC系統(tǒng)上，可以對電源工作情況進(jìn)行實時監(jiān)測并記錄需要的數(shù)據(jù)。通過程序的設(shè)定，可以將所有采集的數(shù)據(jù)輸出為表格、圖形、曲線等多種形式，直觀可見，便于分析。

3 檢測儀器

檢測儀器是檢驗實驗效果的唯一手段，通過檢測儀器對實驗裝置進(jìn)出口煙氣的成分進(jìn)行實時檢測（如圖1），一臺儀器放置在裝置前端的進(jìn)口煙道上，一臺放置在裝置后端的出口煙道上，能夠清楚地了解進(jìn)出口煙氣成分的實時數(shù)據(jù)，通過對進(jìn)出口煙氣的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，可以計算實驗裝置在不同工況下對煙氣中污染物的脫除效率。

本次實驗采用的檢測儀器為GASMET DX4020便攜式傅里葉變換紅外多組氣體分析儀，該儀器采用紅外吸收原理，配合其獨有的光譜和算法，能同時定性、定量分析多種氣體組分，并且儀器出廠標(biāo)定后無需再次進(jìn)行氣體標(biāo)定，精度為相應(yīng)量程的2%～5%。

4 結(jié)語

實驗裝置在整個實驗過程中穩(wěn)定可靠，達(dá)到了各項設(shè)計要求。整個實驗過程中，通過PLC獲取了所有的實驗數(shù)據(jù)；通過對實驗裝置運行參數(shù)的調(diào)整，了解了實驗裝置在不同工況下的處理能力，為后續(xù)裝置工業(yè)化奠定了一定的基礎(chǔ)。