PDF《脉冲电晕等离子体法烟气脱硫脱硝技术进展》

收稿日期 :2000 -

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15 项目:国家 九五 重点科技攻关项目 ,96 -

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02 第一作者 :赵君科(1964 - ) ,男,1988 年毕业于中国工程物理研究院研 究生部 ,硕士学位 ,研究员.

中国工程物理研究院环保工程 研究中心主任.四川省 十大 杰出青年. 文章编号 :1001 -

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03 脉冲电晕等离子体法烟气脱硫脱硝技术进展 赵君科 任先文 王保健 朱祖良 (中国工程物理研究院环境保护工程研究中心 四川绵阳 621900) 摘要:本文概述了脉冲电晕等离子体法(PPCP) 烟气脱硫脱硝技术的发展历史、 研究现状 ,重点概述了脉冲电源的研制情况. 分析了存在的主要技术问题 ;

预测了该技术的发展趋势. 关键词 :烟气脱硫脱硝 脉冲电晕等离子体法 现状 趋势 中图分类号 :X701.

3 文献标识码 :A Flue G as DeSO2/ DeNOx Progress by PPCP ZHAO J un2ke REN Xian2wen WAN G Bao2jian ZHU Zu2liang ( Institute of Environmental Protection Engineering , CA EP , Mianyang

621900 , China) Abstract :In this paper ,the history ,status and prospect on Flue Gas Desulfurization(FGD) by PPCP ,especially impulse power were in2 troduced1The problems in developing PPCP and related countermeasures were analyzed1 Key Words :FGD ;

PPCP ;

status ;

prospect1

1 脉冲电晕法烟气脱硫脱硝技术的发 展历史 脉冲电晕法是

80 年代日本学者 Masuda[1 ] 在研究 电子束法过程中提出来的 ,属干法脱硫.该技术利用 高压脉冲电源产生的高能电子激活燃煤烟气中的二氧 化硫(SO2) 和氮氧化物 (NOx) ,加入氨作为反应剂 ,生 成硫酸铵( (NH4)

2 SO4) 和硝酸铵 (NH4NO3) 肥料.该 技术成本较低 ,无二次污染 ,可同时脱硫脱硝 ,形成的 副产物可回收利用 ,有较好的应用前景.到目前为止 , 日本、 美国、 意大利、 韩国、 加拿大、 俄罗斯等国都进行 了大量的研究工作[2 ] .国内从

80 年代后期开始也进 行了大量的研究[3~5 ] ,取得了不少的研究成果.

2 脉冲电晕烟气脱硫脱硝技术基础研 究成果 2.

1 脉冲电晕特性研究 脉冲电晕特性包括脉冲电压、 电流、 脉冲上升时 间、 脉宽和重复频率 ,以及单次脉冲能量和电能等.研 究结果表明 :正脉冲电晕优于负脉冲电晕 ;

脉冲电压峰 值增高 ,脉冲上升时间变短 ,电晕特征趋好 ;

一定的直 流基压有利于脉冲电源和反应器的匹配. 脉冲电 晕的流光特性研究主要采用光谱法,Rea[6 ] 等人对放电光谱测量中发现了一次流光和二次 流光 ,得到了流光结构与脉冲电参数之间的关系和流 光结构中的电子能量分布.Keping[5 ] 等人认为二次流 光对脱硫脱硝作用不大 ,仅消耗能量 ,必须有效抑制二 次流光.Laan[7 ] 等人认为在非均匀场中 ,因空间电荷 累积先于流光形成 ,所以流光具有多雪崩的特征. Gallimberti[8 ] 对脉冲电晕进行了模拟 ,计算了在 (N2 , O2 ,CO2 ,H2O) 混合气中的电子和离子传输特性 ,认为,H2O 和O2 在反应过程中起主要作用 ,烟气成份对 脉冲电晕特征有很大作用. 2.

2 反应机理研究 通过研究电晕特性、 烟气组成、 反应条件和添加 NH3 等参数对脱硫脱硝的作用 ,从而获知反应机理 : SO2 的脱除主要依赖热化学过程和电晕放电过程 ;

NOx 的脱除主要依靠脉冲电晕诱导的自由基反应和 离子反应 ;

H2O 在反应中既能降低能耗又能提高脱除 效率 ;

多相反应对 SO2 和NOx 脱除有利 ;

NH3 对NOx 的脱除有一定的促进作用 ;

由于物理和化学吸附的作 ―

6 ― 四川环境

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4 期用,飞灰对 SO2 的脱除有一定的促进作用. 在微观动力学方面的研究取得了大量的研究结 果.Gallimberti[8 ] 等在模拟脉冲电晕特性的同时 ,计 算了烟气中脉冲电晕诱导的主要自由基产率 ,结果表 明放电特性主要取决于水蒸汽和氧的浓度 ;

Li[9 ] 等研 究了脉冲电晕脱硫的反应机制 ,认为在 SO2 的脱除过 程中液相中自由基 SO -

3 在把 SO2 -

2 氧化成 SO2 -

4 的链 反应中起主要作用 ,液相吸收的 OH 脱除

85 %以上的 SO2 ,他认为脉冲电晕脱硫的主要反应是液相反应.

3 脉冲电源系统研究 脉冲电源系统是实现脉冲电晕脱硫脱硝技术产业 化的关键之一.正是通过它对反应器放电而提供了高 能自由电子.流光电晕放电脱硫脱硝技术要求在有载 条件下脉冲电源系统提供较陡上升前沿(数十纳秒级) 的脉冲电流电压波形.脉冲宽度应依据反应器放电空 间的情况(极间距及流光速度) 而定 ,以避免二次流光 通过反应空间造成能量浪费.同时 ,系统要具有一定 的轻便灵活的特点 ,特别要求系统能长期 (3000 小时 , 或6000 小时) 有效连续工作 ,以适应电厂运行的要求. 对实验室研究而言 ,数百瓦乃至数千瓦的功率要求使 得电源系统较易实现 ,而对一个

30 万千瓦发电机组而 言 ,要采用电晕放电技术有效地脱硫脱硝 ,需脉冲电源 功率系统提供约 3600kw 的平均功率.这将带来一系 列的问题 ,如系统热效应 ,高功率开关预期寿命等. 重复频率的高压脉冲电源可分为三类 :调制器式 电源 ,Tesla 变压器(空心变压器) 谐振充电式电源和磁 压缩式电源.调制器技术较为成熟 ,但采用了铁芯材 料使脉冲前沿受限制 ,无法得到快的上升时间.Tesla 变压器可以得到较快的脉冲前沿 ,由于脉冲形成开关 使用吹气火花隙 ,寿命需进一步提高.脉冲磁压缩技 术是一种先进的技术 ,它采用坡莫合金、 铁氧体、 金属 玻璃等磁性材料作铁芯 ,其中金属玻璃性能最好 ,但价 格较贵 ,处理工艺复杂.下面就几种常用的方案进行 综合评价 ,从而选择一种可供产业化的方案. 3.

1 用直流高压对无感电容器谐振充电 ,然后电容 器通过开关对负载放电形成快上升时间的脉冲(图1) 该方案线路简单 ,开关 K 通常用旋转火花隙开 关 ,或用闸流管、 高压真空开关.目前 ,国内一些研究 单位(如大连理工大学) 采用了该方案 ,从图

2 中可以 看出 :在负载较复杂时无法提高电压和功率.因此输 出脉冲前沿主要取决于放电回路的参数 L2 ,R 等 ,而 脉冲宽度主要取决于 Cp 与负载 R. 图1简易脉冲电源原理图 图2简易脉冲电源等效电路 3.

2 磁脉冲调制器技术 这是以磁脉冲压缩器为主要部件的高压大功率脉 冲形成技术.这种技术的特点是可以得到大功率、 快 上升时间、 高重复频率的短脉冲.美国 LLNL 在这方 面做了很多有成效的研究工作.图3表示了这种方案 的原理图 ,电容 C1 通过 L0 充电直至 L1 饱和 ,设计时 应使 L1 的饱和电感远小于 L0 ,一但 L1 饱和了 ,C2 就被C1 通过 L1 饱和充电 ,但L1饱

80 % 氨排放浓度 : ≤ 50ppm 装置连续运行

3000 小时. 图7中试装置流程示意图

5 发展趋势 大量的研究结果表明 ,影响该技术产业化的主要 问题是 :大功率、 窄脉冲、 长寿命的高压脉冲电源尚在 研究之中.由于负载的特殊性 ,电源和反应器的有效 匹配还没有有效解决 ;

副产物收集中的粘结也没有得 到有效解决 ;

能耗较高.目前 ,国内外的研究都集中在 这四方面问题的解决上.预计大功率脉冲电源技术突 破后 ,该技术将得到工业化应用. 参考文献 [1] S1Masuda Pulse corona induced plasma chemical process :a horizon of new plasma chemical technologies [J ]. Pure Appl1Chem11998 ,

60 :7271 [2] 张齐馨等

1 燃煤工业锅炉除尘脱硫脱氮技术 [J ]

1 大气环境 ,

1989 ,4(6) :11 [3] 郝吉明等

1 燃煤 SO2 污染控制技术现状[J ]1 电除尘及气体净化 ,

1999 ,5(2) :241 (下转第

15 页) ―

8 ― 四川环境

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4 期414 污染源与受体点化学组分含量的测量值是 一个变量 ,影响因素很多 ,诸如 :气象条件、 排放源本身 组分不确定等.

415 可能对模型计算造成最大的影响是 ,模型假 设排放源对于受体点的贡献量中 ,化学组份保持不变 , 这实际上是不可能的 ,因为 ,不同的元素 ,由于其自身 性质不同 ,在迁移的过程中可能发生各种物理、 化学变 化(例如沉降或者发生化学反应等) .这说明 ,解析结 果只是一个近似的参考 ,对于某些化学成分相似的排 放源 ,例如 :燃煤电厂排放和燃油电厂排放 ,虽然最后 的解析结果只选择了其中之一 ,但可以近似地认为 ,它 们之间有一定程度的可互相替代性. 最终的模拟结果显示 ,飞机尾气排放、 城市居民烧 煤和城市及乡村植物焚烧对于大气污染程度最重 ;

其 次是机动车轮胎磨损和海洋尘的污染 ;

发电厂和建筑 尘及轻型机动车尾气排放对于大气环境污染也有轻度 的污染.同时应该指出 ,与解析出的排放源化学组分 相似的源可能共同占有贡献率 ,例如 :燃煤电厂和燃油 电厂的贡献率之和为解析出的燃油电厂的贡献率.根 据这个分析 ,可以重新按照大类对排放源的贡献率做 一总结 ,如表

3 所示 (表中涉及了文中未列出的排放 源) .这个分析可以为香港地区污染源治理提供一定 的依据. 表3香港地区排放源排污贡献率概析 Table

3 The emission contribution analysis of each sources in Hongkong district 代表排放源 同类排放源 排放源特征 平均排污贡献率 飞机尾气排放 柴油车尾气排放 重型机动车尾气排放 轻型机动车尾气排放 摩托车尾气排放 机动车轮胎磨损 含C量很高 ,Ca、 Cl、 Fe 也有一定含量

39 %左右 城市居民燃煤 城市居民烧气、 烧柴木材 装修、 加工锯末 含C量高 ,其余元素微量

30 %左右 城市及乡村植物焚烧 城市果皮纸屑等焚烧 城市油漆喷洒 含碳量高 ,SO4 也有一定含量

23 %左右 海洋尘 城市固体垃圾 Na、 Cl 含量较高

6 %左右 燃油电厂 燃煤电厂 道路扬尘 土壤扬尘 机动车刹车磨损 建筑尘 Ca、 Fe 含量较高

1 %左右 其余 工业污染 牲畜喂养 SO4 含量较高 ,C、 Na、 Ca、 Cu、 Fe 均有一定 含量 ,各组份含量微量

1 %左右 参考文献 [1] Fung Y1S1(1995) Apportionment of air pollution sources by acc ep2 tor models in Hong Kong [J ] 1Atmospheric Environment

29 ( 16) , 2041~20481 [2] Zelenka M1P1 (1994) A combined TTFA/ CMB acc eptor modeling approach and its application to air pollution sources in China [ J ] 1Atmospheric Environment 28(8) ,pp1425~14351 [3] DRI (Desert Research Institute) 1CHEMICAL MASS BALANCE ACCEPTOR MODEL VERSION8 ( CMB8) USER'

S MANUAL [ M ]. Desert Research Institute Document No1180811D1 ,Decem2 ber ,19971 (上接第

8 页) [4] 薄以匀

1 我国烟气脱硫技术的进展 [J ]

1 电除尘及气体净化 ,

1999 ,5(2) :181 [5] Yan Kepi........