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直流電暈放電氨自由基噴淋系統(tǒng)同時(shí)脫除煤鍋爐煙氣中的氮氧化物和SO2 :
試驗(yàn)裝置測(cè)試
J.-S. Changa,*, K. Urashimaa, Y.X. Tongb, W.P. Liub,H.Y. Weib, F.M. Yangb, X.J. Liub
(aMcMaster University, Department of Engineering Physics, Nuclear Research Building 118,
Hamilton, Ont., Canada L8S 4M1
b Safety and Environmental Protection Research Institute, State Environmental Protection General Agency,
Renji Road, Chinsan-District, Wuhan, People’s Republic of China)
摘要
小規(guī)模試驗(yàn)中,用電暈放電技術(shù)同時(shí)脫除煤鍋爐煙氣中氮氧化物和SO2,這個(gè)技術(shù)稱為氨自由基噴淋技術(shù).也叫電暈自由基噴淋系統(tǒng).該試驗(yàn)中,煙氣流量為1000-1500m3／h;氣體為62到 80,氨氣對(duì)總氣體比率為0.8到1.3 ,外加電壓為0到25kv和NO初始濃度從 53ppm到93pmm,SO2固定為800ppm.試驗(yàn)結(jié)果證明SO2去除率的增長(zhǎng)隨同氨自由基噴射速率的增長(zhǎng),而非單獨(dú)依靠輸入電功率.氮氧化物去除率的增 長(zhǎng)隨同輸入電功率和氨自由基噴射速率的增長(zhǎng).99%的SO2去除率的時(shí)候,一千瓦時(shí)輸入能力能清除大約9kg的SO2;75%的NOx去除效率的候 ,1千瓦時(shí)的能量輸入能去除大約125g
關(guān)鍵字:低溫等離子體;流量穩(wěn)定電暈放電;離子噴射;煤鍋爐煙氣;氮氧化物和硫氧化物;氨自由基;煙氣;
1 介紹
1990年至1995年之間,在中國(guó)因?yàn)榭諝馕廴?每年大約一百萬人的死亡與肺病和心臟病有關(guān).因此對(duì)由工業(yè)和汽車引起的污染,我們有著明確的治理目標(biāo).大約30000個(gè)２-４兆瓦熱功率熱量的鍋爐用于蒸汽發(fā)電廠,鍋爐主要排放出灰塵,SO2（300 -2300ppm),氮氧化物(50-100ppm)等等.由于含硫量的煤（3%-13%),所以煙氣中SO2濃度相對(duì)高.由于低溫燃燒,所以NO濃度相對(duì)低.所以需求著一些低功率消耗的氣體凈化裝置.傳統(tǒng)的濕式洗滌器,半導(dǎo)體可控整流器 ,nscr, 除非燃料轉(zhuǎn)變成天然氣,由于相對(duì)較高的資本和生產(chǎn)費(fèi)用,所以不被應(yīng)用.而低溫等離子體方法和石灰石噴射建立方法能克服這問題.很多試驗(yàn)使用脈沖電暈,電子束,高頻電容耦合等離子方法處理來自煙道氣體SO2和氮氧化物.然而低溫等離體方法,等離子體法處理煙道氣未必能高效能力利用.因?yàn)榇蟛糠帜芰繉?huì)丟失.所以低溫等離子體噴淋技術(shù)比較受歡迎 。
在電暈放電等離子噴射技術(shù)里,電暈放電在噴射氨,碳?xì)浠衔?水蒸氣,氧氣,氮?dú)獾瓤招碾姌O前發(fā)生等離子技術(shù)能最少地減少產(chǎn)生不需要的氣體成分.
比例模型試驗(yàn)中,電暈放電氨自由基和甲烷自由基噴淋系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的低溫等離子體法有高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的能量利用效率.在本研究中,測(cè)試試驗(yàn)規(guī)模處理燃煤鍋爐煙氣的低溫等離子體技術(shù)就是建立在電暈放電自由基噴淋系統(tǒng)技術(shù)上的 。
圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鞒虉D T: 氣體溫度測(cè)計(jì) SP:氣體分析儀器
圖2 電暈放電自由基噴淋系統(tǒng)和多噴管電極簡(jiǎn)圖
2 試驗(yàn)裝置
圖1為實(shí)驗(yàn)性檢驗(yàn)設(shè)備圖,35000立方米/小時(shí)燃煤鍋爐煙氣中,其中1000-1500立方米被轉(zhuǎn)移到測(cè)試設(shè)備;
a首個(gè)電氣除塵器用于除塵;噴水冷卻塔(此試驗(yàn)中為使用);
b電暈放電噴淋系統(tǒng);
c第二個(gè)電氣除塵器用于收集副產(chǎn)物;
d引風(fēng)機(jī)用于煙氣氣流控制;
e煙囪.
f氣體溫度測(cè)計(jì)T,氣體分析儀器SP分別測(cè)試4個(gè)不同的位置;
電暈放電噴淋系統(tǒng)主反應(yīng)器的規(guī)格為:2.1m*1.8m*2m;
里面有20個(gè)通道,每個(gè)通道有5個(gè)電暈放電噴射電極.多噴管電極代替了傳統(tǒng)的電暈電線(如圖2示).多噴管電極長(zhǎng)度為2m
圖3.在25和75下 ,平均總電流與電壓特性關(guān)系
3 試驗(yàn)結(jié)果。
圖3中,氣體溫度分別為250C和750C的情況下平均總電流與電壓特性的關(guān)系.100個(gè)電暈噴射電極電暈安置電壓的反應(yīng)器大約為15.5千伏,電流與外加電壓幾乎成線性增長(zhǎng).極限工作電壓大約24KV,極限耗功率為816w.
圖4.三種氨氣與酸性氣體比中,SO2去除效率與輸入電功率的關(guān)系
圖4表示出SO2的去除效率與輸入電功率的關(guān)系,分別三種氨氣與酸性氣體情況,SO2的去除效率隨輸入功率的增加而增加,直到350w后,隨輸入功率的增加而減少. SO2的去除效率隨氨氣與煙氣比率的增大而增大,隨隨煙氣溫度的減小而增大.
圖5.在68和79下, SO2去除效率與輸入功率的關(guān)系
圖５表明SO2去除系數(shù)隨煙氣溫度增加而增加.因?yàn)闅怏w溫度依賴著氨氣化學(xué)性質(zhì) ,并非單獨(dú)依靠輸入功率或能量密度（瓦特/小時(shí)=輸入功率／煙氣流速率）增加或者減少有關(guān).那最適宜的SO2去除效率為溫度680C, 另一種情況就是790C,而且大約在150和300瓦特近76 -86%的SO2是在沒有外加電壓情況下電暈自由基噴淋體系去除.在實(shí)驗(yàn)規(guī)模的測(cè)試中,煙霧劑形成被那絕熱膨脹均相成核的氨氣在已經(jīng)注意到,相比氣相反應(yīng),煙霧劑表面反應(yīng)NH3和SO2為之間是數(shù)量級(jí)地更快形成硫酸氨.
圖６中 ,三種氨氣與酸性氣體比率,氮氧化物去除效率跟輸入電功率的關(guān)系
圖６中,顯示出三種不同的氨氣與酸性氣體比率情況下,氮氧化物去除效率跟輸入電功率的關(guān)系:氮氧化物的去除效率隨同輸入功率以及 氨氣噴淋速率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng) 。
圖7中三種不同NO初始濃度,氮氧化物去除效率與輸入功率的關(guān)系
圖7中,顯示出三種不同NO初始濃度的情況下,氮氧化物去除效率與輸入功率的關(guān)系:氮氧化物的去除效率隨輸入功率或者能量密 度的增加而增加,隨同NO初始濃度的減小而增大.大約在660w的輸入 功率或者是0.6Wh/m3的能力密度下,可以得到最大的NOx的去除(65-82%).
4 能量效率
圖8-12顯示出,去除SO2 和NOx的能量效率和能量密度的關(guān)系 .能量效 率是以一千瓦時(shí)的功率輸入處理多少KGSO2或者NOx,也叫能量.SO2和NOx的去除率隨同能量密度、NO的初始濃度、煙氣溫度的增加而減 少.SO2和NOx的去除率隨同氨氣與酸性氣體的比例的增加而增加.氨 噴淋速度的提高能提高SO2和NOx的去除率和能量效率.如圖8所示, 如果我們認(rèn)為氨氣從煙氣排氣中滑落,那么最適宜的氣體比例是應(yīng)該研究出來的.圖8也表示出,氨氣的滑落隨電暈放電的外加電壓的增加而減少
圖8.在三種氨氣與酸性氣體比下,去除SO2的能量效率和能量密度的關(guān)系
圖9.在68和79下,去除SO2的能量效率和能量密度的關(guān)系
圖10.在三種氨氣與酸性氣體比下,去除NOx的能量效率和能量密度的關(guān)系
圖.11. 三種NO初始濃度下,去除NOx的能量效率與能量密度的關(guān)系
圖12.三種氨氣與酸性氣體比率,電暈放電自由基噴淋系統(tǒng)的出口氨氣濃度與外加電壓的關(guān)系
5 總 結(jié)
利用試驗(yàn)規(guī)模電暈自由基噴淋系統(tǒng),從燃煤煙道氣體中同時(shí)去除SO2 和氮氧化物已經(jīng)被研究,總結(jié)如下 :
1電暈放電電流隨外加電壓和氨氣與酸性氣體比率的增加而增加.然而,還是沒有發(fā)現(xiàn)最適宜的比例效果 .
⒉SO2的去除效率隨同氨氣與酸性氣體比率的增加而增加,也隨氣體 溫度的增加而減少.SO2去除效率非單獨(dú)依靠輸入功率,90%去除效率的時(shí)候,最大的輸入效率為300W.
⒊SO2的能量效率隨氨氣與酸性氣體比率的增加而增加,隨煙氣度、能量密度、輸入功率的增加而減少.99%的SO2去除效率,單位千瓦時(shí)能 去除大約9KG.
⒋ NOx的去除效率隨輸入功率、氨氣與酸性氣體比率的增加而增加.NOx的去除效率不單單依靠NOx在煙氣的初始濃度,其最大值為約65ppm.NOx的去除效率在較高的電壓中能達(dá)到最高值70-80%
⒌ 氮氧化物的能量效率隨能量密度或者外加電壓的增加而增加.然 而,還沒發(fā)現(xiàn)最適宜的氨氣與酸性氣體的比率作用于最高能量效率,但是去除NOx的能量效率不單單依靠在煙氣中的NOx的初始濃度.在75%的去除效率中,單位千瓦時(shí)的輸入能量能去除大約125g的NOx.
⒍ 氨氣超量濃度隨同氨氣與酸性氣體比率的增加而增加,隨外加電壓或者輸入功率的增加而減少 。
致謝
感謝P.C. Looy, T. Ohkubo, S. Kanazawa, T. Nomoto, Z. Li, S.J. Kim, J.Y. Park, G.F. Round, L.A. Rosocha, A. Miziolek, S. Aoki, K. Hirayama, K. Yoshimura, A. Maezawa, and M. Itzutsu對(duì)本設(shè)計(jì)的建議.同樣感謝Hunan Province環(huán)保局,加拿大國(guó)際開發(fā)局,日中污染控制技術(shù)基金,中國(guó)環(huán)?？偩?加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會(huì)的財(cái)務(wù)支持.