臭氧電源在燒結機煙氣脫硝上的應用分析

陳思維

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

隨著我國環保政策的逐漸強硬，大氣污染治理行業發展速度極快，NOx 成為污染大氣的主要物質，而NOx的主要來源為工業燒結機的煙氣排放。為此，采取必要措施對燒結機的煙氣進行脫硝極為必要。臭氧氧化脫硝技術的出現，有效地提高了脫硝效率。

1 燒結機煙氣脫硝技術相關概述

燒結機多應用于燃煤廠、鋼鐵廠，燃燒產生的煙氣中含有大量的氮氧化物（即NOx），一氧化氮占比為90%左右，二氧化氮占比在5%～10%，一氧化二氮的占比為1%左右。其中熱力型NOx 在整體的20%左右，燃料型NOx 在整體的60%～80%，快速型NOx 在5%以下。熱力型指的是二氧化氮在高溫下和氧氣發生，隨著反應溫度的提高，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，在燃燒中難以分解，后續被氧化為NOx。快速型指的是燃料燃燒過程中碳氫化合物在高溫區域產生熱分解形成的NOx，反應時間較短。

近年來，臭氧氧化法作為NOx 處理的新型控制技術，脫硝效率較高，設備體積較小，反應溫度較低，適宜對低溫度煙氣進行脫硝處理，所以在廢氣治理行業，尤其是工業鍋爐煙氣治理等領域被廣泛應用，是當前煙氣脫硝技術的重點研究方向。

2 臭氧脫硝基本原理與系統組成

脫硝指的是將煙氣中NOx 進行脫除。傳統脫硝工藝存在著阻力較大、耗能較高、效率較低等缺陷，難以實現燒結機的超低排放。而臭氧脫硝效率較高、設備體積較小、耗能較小，適合應用在煙氣處理中。

2.1 臭氧脫硝基本原理

臭氧被稱為超氧，是氧氣的同素異形體，常溫狀態下，臭氧為淡藍色，具有特殊氣味，穩定性較差，半衰期通常在50min 以下，可自行分解為氧氣。少量吸入臭氧有益于人體健康，過量吸入則有危害，此外，氧氣通過電解反應能夠變為臭氧。

由于臭氧具有較強的氧化性，所以臭氧脫硝的原理便是利用此特點，將NOx 中不可溶的低價NOx 氧化為可溶的高價NOx，再經過洗滌塔或相關設備將NOx 吸收，從而達到脫硝的目的。臭氧在煙氣中混合的均勻性將直接影響脫硝效率，可使用CFD 軟件對煙道流場進行模擬，優化具體布置方案。

2.2 臭氧脫硝系統組成

臭氧脫硝系統由臭氧合成系統、電源系統、PLC、氣源處理系統、冷卻系統、投加系統組成，具體如下。

（1）臭氧合成系統。臭氧合成系統也被稱為臭氧發生器單元，是臭氧脫硝中的核心部件。大型臭氧發生室是由多個放電單元進行串聯或并聯組成的結構，使得氧氣在高頻高壓放電的反應條件下，生成臭氧。

（2）電源系統。電源系統是臭氧脫硝中的供電單元，采用先變頻后升壓的方式將輸入電源的工頻高壓電源轉換為高頻高壓，采用調頻串聯諧振的方式獲得高頻高壓電源，使得發生器電氣系統有著較高的功率因素，從而提高臭氧發生室內的電場電壓，控制臭氧的發生量。

（3）PLC。PLC，即可編輯邏輯控制器，作用為對臭氧脫硝系統進行在線監控、檢測。比如，數據采集顯示、遠傳、遠程控制，調節臭氧氧氣、調整運行功率，實現壓力調節和供氣流量調節，監測臭氧濃度等功能。

（4）氣源處理系統。臭氧脫硝系統中的氣源處理系統分為三種，分別是空氣源、富氧源以及純氧源。空氣源指的是將空氣作為原料，經過空壓機干燥后送入臭氧發生器，空氣源送入氧氣生成臭氧的濃度為20 ～30mg/L。富氧源指的是經過多道處理工序后，向臭氧發生器送入高純度氧氣，生成臭氧濃度在125mg/L 左右。純氧源指的是使用液態氧經過汽化器進行汽化后，將其送入臭氧發生器，生成的臭氧濃度在150mg/L 左右。

（5）冷卻系統。臭氧發生器在生成臭氧的過程中，至少90%的電能被轉化為熱能，若無法進行有效散熱，將會影響臭氧發生器的穩定運轉。因此，需要在臭氧脫硝系統中安裝冷卻系統。通常采用閉路循環和外循環冷卻水系統對臭氧發生器的放電單元外電極進行冷卻。

（6）投加系統。臭氧投加系統指的是將臭氧投入到煙氣中，通常為噴射裝置，噴頭、噴嘴或陣列孔均可進行臭氧投加，但在投加中，需要著重注意臭氧投加的均勻程度，確保脫硝效率。

2.3 臭氧脫硝的優勢

和傳統脫硝工藝相比，臭氧脫硝具有四種優勢，具體如下。

（1）適用性廣。傳統脫硝工藝，比如SCR、SNCR，必須在特定、穩定的溫度范圍內進行操作。而臭氧脫硝無須提高煙氣溫度，適宜使用在溫度較低的煙氣中進行脫硝改造，用戶還可對煙氣熱量進行回收。

（2）改造簡單。臭氧脫硝能夠解決SCR 脫硝中反應器的阻力問題，比如，解決NH3和SO3反應生成NH4HOS4堵塞管道的問題，解決SNCR 鍋爐改造后出現氨逃逸、空預器腐蝕的問題。臭氧脫硝系統無須在煙氣系統中增加煙氣處理設備，僅需要對煙道進行改造，而不對鍋爐、風機進行改造，改造周期較短，停爐時間短。

（3）效率高，控制靈活。在煙氣量或NOx 量不穩定的條件下，可靈活調整臭氧產量。在確保脫硝效率的情況下，降低系統能耗，將脫硝效率維持在90%以上。

（4）多污染物去除。臭氧脫硝對于NOx 的氧化反應選擇性較高，能夠將其轉化為可溶的離子化合物，從而脫除NOx。臭氧脫硝系統能夠聯合濕法脫硫塔，同時對有機物進行降解，比如，其他重金屬污染物，脫除率在60%以上。

2.4 臭氧脫硝中臭氧電源系統構成

臭氧電源是臭氧脫硝系統中的重要部分，其中包括配電單元、控制單元、變頻器、升壓單元、監測儀表單元，如圖1。

圖1 臭氧電源框架

圖2 SPWM 調制波形示意圖

（1）配電單元負責為臭氧脫硝系統提供動力電，通常為380V、50Hz，通常和控制單元整合到相同控制柜中，通過三相整流橋進行整流，被稱為配電控制柜。

（2）控制單元通過數字信息處理DSP 技術，實現對臭氧電源的控制調節，利用快速的CPU 和更大容量的儲存器，實現對臭氧電源的相關參數進行實時監測，驅動控制以及處理相關故障。

（3）變頻器單元負責控制臭氧發生器的運行功率，通常采用IGBT 模塊作為核心器件，通過正弦脈寬調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的工作原理，使進行逆變輸出的方波，串聯臭氧電源的電抗器到達整流變壓器進行升壓，形成近似正弦波的高壓，同時，可以大大削除諧波，提高臭氧電源的工作效率。

（4）升壓單元負責為臭氧發生器提供高壓和功率。由于臭氧發生器為容性負載，所以需要采用串聯諧振升壓技術。此外，臭氧發生器的頻率需求較高，通常在3000Hz 以上，常規矽鋼片無法滿足需求，所以應采用鐵氧體磁芯材料，為臭氧發生器提供可靠的高頻高壓電源。

（5）監測儀表。此部分和臭氧發生器相連，負責監測臭氧發生器的多種參數，比如，壓力、流量、濃度、泄漏情況等，并將參數傳輸至PLC，以此實現自動化運行。

3 臭氧電源在燒結機煙氣脫硝中的實證分析

為明確臭氧電源在燒結機煙氣脫硝中利用功率控制脫硝效率的具體情況和臭氧脫硝的效果，本文依托于某實際煙氣處理工程對臭氧電源的應用進行分析。

3.1 工程概況及改造內容

案例工程為福建某鋼鐵廠的燒結機煙氣脫硝項目，煙氣量每小時315m3。為完成臭氧脫硝系統的改造，具體改造內容如下。

（1）電源部分。安裝逆變器柜以及電源柜，產生高壓投入至臭氧發生器后，額定臭氧產生量為30kg/h，并安裝遠程控制柜，其中包括PLC。

（2）本體部分。安裝臭氧發生器及配套元件，連接氣路管道、水路管道，采用氬弧焊技術。

（3）換熱系統。安裝水泵、儲水罐以及板式散熱器，水路管道為不銹鋼管道，現場管道長度在15m 左右。

（4）煙道投加系統。采用噴嘴管向煙道內部進行噴灑，并安裝防腐材料，四周沿煙氣方向安裝4m 不銹鋼材質的擋板。

（5）安裝上位機后進行調試，利用電源功率調節臭氧產量，控制脫硝效率。

3.2 臭氧電源投入效果

以安裝臭氧電源當日常規工況下的運行數據為準，探究是否能夠通過電源功率控制臭氧產量，從而達到控制脫硝效率的目的，具體統計數據如表1。從表中統計數據可得知，通過對電源功率的調整，能夠有效控制臭氧發生器的流量，影響臭氧濃度，在煙氣流量變化較小的情況下（可視為控制變量）實現對脫硝效率的控制，即臭氧電源功率越大，脫硝效率越高，NOx 含量越少，證明臭氧電源可有效控制脫硝效率。

表1 臭氧電源功率和NOx 的排放量

3.3 臭氧系統投入效果對比

為驗證臭氧系統的使用是否能夠實現脫硝，本文將臭氧系統投入前以及投入后的NOx 排放率進行對比分析（取值范圍為投入前3d 和投入后3d），具體如表2、表3。以表中第3d 的NOx 排放率為準，可知投入前的NOx 排放率為70kg/h，投入后NOx 排放率為29kg/h，可計算脫硝效率為58.571%，脫硝效果較為顯著。

表2 投入前3d 的NOx 排放率

表3 投入后3d 的NOx 排放率（將臭氧產生量固定為30kg/h）

4 結語

綜上所述，在環保政策逐漸強硬的背景下，大氣污染治理極為重要，而燒結機煙氣處理是其中重點。臭氧氧化脫硝技術在實際應用中具有較多優勢，還能通過調整功率控制臭氧產量，實現自動化控制脫硝效率，具有較高的推廣價值，隨著科技的不斷發展，未來臭氧脫硝技術將會更節能，且脫硝效率將會進一步提升，發展前景十分廣闊。