孔春林 杜佳棋 張德軒

(杭州天明環(huán)保工程有限公司 杭州 310018)

0 引言

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝是利用氣體電暈放電產(chǎn)生的等離子體來生成具有化學(xué)反應(yīng)活性的自由基，通過這些自由基將SO2、NOx變成硫酸和硝酸，從而實(shí)現(xiàn)煙氣凈化的技術(shù)[1]。盡管早在1972年，美國科學(xué)家就在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了電暈放電對SO2的氧化效果[2]，但由于能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的脈沖電源的技術(shù)難度太大，所以該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用在當(dāng)時并沒有實(shí)現(xiàn)。后來，承擔(dān)“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目的中國工程物理研究院丁伯南院士團(tuán)隊提出了脫硫用脈沖電源需要達(dá)到的指標(biāo)：脈沖電壓大于100 kV，脈沖上升時間小于100 ns[3]。該電源用工作電壓100 kV的閘流管作脈沖形成開關(guān)?！笆濉逼陂g建成了與上述電源配套的處理煙氣量20 000 m3/h的工業(yè)中試裝置[4]。浦項科技大學(xué)研制了1種采用工作電壓20 kV的晶閘管堆體作為脈沖形成開關(guān)[5]，并采用磁開關(guān)進(jìn)行脈沖壓縮的脈沖電源，還進(jìn)行了煙氣量50 000 m3/h的鐵礦石燒結(jié)煙氣同時脫硫、脫硝實(shí)驗(yàn)。上述工業(yè)中試實(shí)驗(yàn)評估了脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝技術(shù)的可行性[6]，為近年的工業(yè)應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

但是上述研究所用的脈沖電源都使用了工作電壓上萬伏的特殊開關(guān)，這些開關(guān)同時具有軍事用途，一般的環(huán)保公司很難采購到。為了降低脫硫、脫硝用脈沖電源的工業(yè)化應(yīng)用難度，我們使用常規(guī)的半導(dǎo)體開關(guān)開發(fā)了1種設(shè)計平均功率為15 kW的脈沖電源，輸出脈沖上升時間500 ns，脈沖重復(fù)頻率300 Hz。配備了9臺電源的脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝反應(yīng)器，在1臺130 t/h蒸發(fā)量的燃煤鍋爐上配套使用，處理171 000 m3/h的煙氣。

1 脈沖電源及配套脫硫、脫硝裝置的設(shè)計

1.1 脈沖電源的設(shè)計

本項目脈沖電源的原理見圖1。根據(jù)該工作原理，把脈沖電源分為以下4部分：直流充電電路、脈沖形成電路、磁壓縮電路和負(fù)載電路。表1列出了脈沖電源的主要設(shè)計參數(shù)。

表1 脈沖電源主要設(shè)計參數(shù)

圖1 脈沖電源原理

在直流充電電路中，三相380 V交流電經(jīng)可控硅SW1調(diào)壓、變壓器(T1)升壓、整流橋DB1整流后，在濾波電容C1上得到2 kV的電壓。電容C1經(jīng)二極管D和限流電阻R1給脈沖儲能電容C2充電。通過調(diào)節(jié)可控硅的開度可對濾波電容C1上的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)C2上的充電電壓。

在脈沖形成電路中，當(dāng)脈沖儲能電容C2充電至設(shè)定電壓后，開關(guān)SW2受到觸發(fā)而導(dǎo)通，電容器C2和變壓器1次側(cè)漏感L形成諧振而產(chǎn)生電流脈沖。開關(guān)SW2是2只并聯(lián)的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，型號為Infineon FZ1200R33KF2C。所產(chǎn)生的初始電流脈沖波形的底寬是8 μs，脈沖峰值電流是9.8 kA，頻率是300 Hz，脈沖變壓變比為1：50，磁芯是鐵基非晶合金。

磁壓縮電路設(shè)計根據(jù)Druckmann原理[7]，詳細(xì)計算可參考文獻(xiàn)[8]，其中的磁壓縮電容C3和C4的容值均為10 nF，與負(fù)載電場的靜態(tài)分布電容值相等。磁開關(guān)的設(shè)計參數(shù)見表2。每級磁開關(guān)采用FT-3H牌號的納米晶疊片磁芯。一級磁開關(guān)MS1包含14個環(huán)形磁芯，用多股漆包線繞了16匝線圈；二級磁開關(guān)MS2包含6個環(huán)形磁芯，用多股漆包線繞了5匝線圈。采用直流電源給MS1和MS2提供大小為10 A的磁芯復(fù)位電流，把磁芯的磁擺幅控制在2.27 T。磁開關(guān)的工作過程如下：當(dāng)脈沖形成回路的電容C2通過脈沖變壓器向一級磁壓縮電容C3充電的過程中, MS1的磁芯沒有飽和，電感值為51 mH，相當(dāng)于是斷開的開關(guān)；當(dāng)C2向C3充電過程完成時，MS1的磁芯飽和，電感降至10.2 uH，相當(dāng)于開關(guān)閉合，此時電流從C3流經(jīng)MS1對C4充電。同理，當(dāng)C3向二級磁壓縮電容C4充電過程完成時，MS2的磁芯飽和，存儲在C4中的能量傳輸?shù)截?fù)載。

表2 磁開關(guān)設(shè)計參數(shù)

負(fù)載電路包括電場F、脈沖截尾磁開關(guān)MS3和截尾電阻R2。脈沖電暈等離子體反應(yīng)器在電場起暈之前，等效于1個電容器；在電場起暈之后等效于1個非線性電阻并聯(lián)1個電容器。在電暈過程結(jié)束后，為防止電場分布電容上的剩余能量引起電場發(fā)生閃絡(luò)擊穿，脈沖截尾磁開關(guān)MS3在電暈放電過程結(jié)束后導(dǎo)通，脈沖截尾電阻R2把電場分布電容上的剩余能量以生成熱量的形式消耗掉。

電源的高壓部件(包括脈沖變壓器、高壓電容器、磁開關(guān))全部裝在油箱中。油箱2側(cè)裝有散熱片，油箱內(nèi)的變壓器油采用自然循環(huán)的冷卻方式，油箱外安裝了風(fēng)扇對散熱片持續(xù)降溫。

1.2 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的設(shè)計

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置需要安裝在1套蒸發(fā)量為130 t/h的燃煤鍋爐原有的煙氣處理設(shè)施的尾部，煙囪前的位置。鍋爐煙氣的完整處理流程如圖2所示。鍋爐是循環(huán)流化床鍋爐，配有爐內(nèi)SNCR(選擇性非催化還原法)脫硝裝置。鍋爐煙氣經(jīng)電除塵器初步除塵后，進(jìn)入循環(huán)流化床半干法脫硫塔，再經(jīng)袋式除塵器除塵，污染物排放濃度滿足2011年公布實(shí)施的排放標(biāo)準(zhǔn)。脈沖等離子體煙氣脫硫、脫硝裝置的設(shè)計目的是對煙氣實(shí)施進(jìn)一步的凈化，以達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2 煙氣處理流程

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的原理見圖3。裝置由2部分組成：①脈沖電暈反應(yīng)器電場，用于脫硫、脫硝和除塵；②電場沖洗系統(tǒng)，用來收集副產(chǎn)物，包括硫酸、硝酸和粉塵。

圖3 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置原理

脈沖電暈反應(yīng)器的電場使用板-線式結(jié)構(gòu)。在降低脈沖電源制作難度的同時，脈沖上升時間擴(kuò)展到了500 ns，超過了經(jīng)典文獻(xiàn)對于脈沖上升時間的要求。為了防止電場在升壓過程中過早發(fā)生閃絡(luò)，影響等離子體的產(chǎn)生，需要提高電場的極距精度。本項目一方面采用壓筋極板代替平板，增加極板的剛性，另一方面采用20 mm直徑的鋼管做放電極(魚骨針線)的線體，并使用直徑38 mm的鋼管做放電極框架。在放電極和接地極有足夠剛性的條件下，保證安裝完成后的電場中異極間距誤差在±5 mm以內(nèi)。

由于煙氣和反應(yīng)生成物具有腐蝕性，電場內(nèi)與煙氣接觸的部件采用316L不銹鋼材料制作。電場的主要參數(shù)列于表3。電暈反應(yīng)器包括3個電場，共9臺脈沖電源。每個電場包括3個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)對應(yīng)8個氣體通道。反應(yīng)器設(shè)計處理煙氣流量171 000 m3/h，平均每臺電源處理的煙氣量為19 000 m3/h。每個極板排的高度和長度分別為6 000 mm和1 800 mm，極板之間的間距是250 mm。測量得到每個供電分區(qū)的電場靜態(tài)分布電容是10 nF。

表3 脈沖電暈反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)

2 脈沖電源及配套脫硫、脫硝裝置的工業(yè)運(yùn)行

2.1 脈沖電源運(yùn)行結(jié)果

脈沖電源的運(yùn)行參數(shù)測量采用泰克TDS2012C示波器、配泰克THDP0100電壓探頭、南瑞NRV-100高壓探頭以及知用CP9121L電流環(huán)。

通過可控硅調(diào)壓的升壓整流電路，把脈沖形成電容C2充電至2 kV。半導(dǎo)體開關(guān)SW2閉合后，在8 μs時間內(nèi)C2向一級磁壓縮電容C3充電，通過變比1∶50的脈沖變壓器把電壓提升至100 kV。在C3充電完成前，第一級磁開關(guān)MS1作為1個大電感而保持在斷開狀態(tài)；在C3充電完成時，MS1的磁芯飽和，用1 μs的充電時間，能量流向C4，測量得到電容C4峰值電壓92 kV。計算得到脈沖形成回路到磁壓縮回路的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了84.6%，比文獻(xiàn)[6]的64.3%高，原因是這里使用了磁滯損耗更小的脈沖變壓器磁芯。第二級磁開關(guān)MS2飽和后，能量輸出到脈沖電暈反應(yīng)器電場。此時，通過測量得出脈沖電源輸出的峰值電流2.7 kA，在反應(yīng)器分布電容上測量得到峰值電壓68 kV，脈沖半高寬度是1 200 ns，脈沖電壓上升時間是500 ns。

2.2 脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置運(yùn)行結(jié)果

脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的進(jìn)、出口煙氣中的SO2、NOx和粉塵濃度由具有資質(zhì)的第三方單位測試，測試儀器為天虹880F自動煙塵煙氣分析儀。該儀器對SO2、NOx采用定電位電解法進(jìn)行測量，對粉塵進(jìn)行在線采樣、離線稱重法測量。

圖4為脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置的進(jìn)、出口煙氣中SO2、NOx濃度的測試數(shù)據(jù)，圖5為粉塵濃度的測試數(shù)據(jù)。測試期間，以脈沖形成電容C2處能量計算，單位體積的煙氣所得到的脈沖能量是0.79 Wh/m3，比文獻(xiàn)[6]中的1.4 Wh/m3小。測試工作共進(jìn)行了9次取樣，把9次的測試數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，結(jié)果如下：脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置把SO2質(zhì)量濃度從入口的平均78 mg/m3降到了31.6 mg/m3，對應(yīng)的脫硫效率為59%；把NOx質(zhì)量濃度從入口的平均46 mg/m3降到了21 mg/m3，對應(yīng)的脫硫效率為53%；把粉塵質(zhì)量濃度從入口的平均16.8 mg/m3降到了3.8 mg/m3，對應(yīng)的除塵效率為77%。文獻(xiàn)[6]在加氨氣條件下的脫硝效率為99%，加丙烯條件下的脫硝效率為70%。

圖4 煙氣中SO2、NOx質(zhì)量濃度

圖5 煙氣中粉塵濃度

這套脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置自2015年底試運(yùn)行以來，與鍋爐同步運(yùn)行已超過6年，證明了此技術(shù)方案的工業(yè)化可行性。

3 結(jié)論

本項目使用常規(guī)半導(dǎo)體開關(guān)和脈沖磁壓縮技術(shù)開發(fā)了平均功率15 kW、脈沖上升時間500 ns、重復(fù)頻率300 Hz的脫硫、脫硝用脈沖電源。配備了9臺電源的脈沖電暈等離子體脫硫、脫硝裝置，在1臺130 t/h蒸發(fā)量的燃煤鍋爐上配套使用，取得了59%的脫硫效率、53%的脫硝效率和77%的除塵效率。

相比于文獻(xiàn)[6]的研究數(shù)據(jù)，本項目采用了無添加劑的工藝，所以脫硫、脫硝效率較低，但電源的能量轉(zhuǎn)化效率有所提升，單位流量煙氣消耗的能量有所降低。由于此技術(shù)降低了電源的制作難度，在最近5年時間內(nèi)，又相繼建成了11套脈沖電暈等離子體煙氣凈化裝置，其中最大的1臺裝置處理的煙氣量是800 000 m3/h。此技術(shù)除了用于燃煤煙氣二次脫硫、脫硝外，還可用于燒結(jié)煙氣低溫脫硝，煤氣發(fā)電煙氣脫硫、脫硝，熱風(fēng)爐煙氣脫硫、脫硝，市政污泥干化煙氣脫硫、脫硝和除臭等。