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1、直流电晕放电氨自由基喷淋系统同时脱除煤锅炉烟气中的氮氧化物和SO2 :试验装置测试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 4M1b Safety and Environmental Protection Research Institute,

2、 State Environmental Protection General Agency,Renji Road, Chinsan-District, Wuhan, Peoples Republic of China)摘要小规模试验中,用电晕放电技术同时脱除煤锅炉烟气中氮氧化物和SO2,这个技术称为氨自由基喷淋技术.也叫电晕自由基喷淋系统.该试验中,烟气流量为1000-1500m3h;气体为62到 80,氨气对总气体比率为0.8到1.3 ,外加电压为0到25kv和NO初始浓度从 53ppm到93pmm,SO2固定为800ppm.试验结果证明SO2去除率的增长随同氨自由基喷射速率的增长,而非单

3、独依靠输入电功率.氮氧化物去除率的增 长随同输入电功率和氨自由基喷射速率的增长.99%的SO2去除率的时候,一千瓦时输入能力能清除大约9kg的SO2;75%的NOx去除效率的候 ,1千瓦时的能量输入能去除大约125g关键字:低温等离子体;流量稳定电晕放电;离子喷射;煤锅炉烟气;氮氧化物和硫氧化物;氨自由基;烟气;1 介绍 1990年至1995年之间,在中国因为空气污染,每年大约一百万人的死亡与肺病和心脏病有关.因此对由工业和汽车引起的污染,我们有着明确的治理目标.大约30000个-兆瓦热功率热量的锅炉用于蒸汽发电厂,锅炉主要排放出灰尘,SO2（300 -2300ppm),氮氧化物(50-100

4、ppm)等等.由于含硫量的煤（3%-13%),所以烟气中SO2浓度相对高.由于低温燃烧,所以NO浓度相对低.所以需求着一些低功率消耗的气体净化装置.传统的湿式洗涤器,半导体可控整流器 ,nscr, 除非燃料转变成天然气,由于相对较高的资本和生产费用,所以不被应用.而低温等离子体方法和石灰石喷射建立方法能克服这问题.很多试验使用脉冲电晕,电子束,高频电容耦合等离子方法处理来自烟道气体SO2和氮氧化物.然而低温等离体方法,等离子体法处理烟道气未必能高效能力利用.因为大部分能量将会丢失.所以低温等离子体喷淋技术比较受欢迎 。在电晕放电等离子喷射技术里,电晕放电在喷射氨,碳氢化合物,水蒸气,氧气,氮气

5、等空心电极前发生等离子技术能最少地减少产生不需要的气体成分. 比例模型试验中,电晕放电氨自由基和甲烷自由基喷淋系统相比传统的低温等离子体法有高出几个数量级的能量利用效率.在本研究中,测试试验规模处理燃煤锅炉烟气的低温等离子体技术就是建立在电晕放电自由基喷淋系统技术上的 。图1 试验模型流程图 T: 气体温度测计 SP:气体分析仪器 图2 电晕放电自由基喷淋系统和多喷管电极简图2 试验装置图1为实验性检验设备图,35000立方米/小时燃煤锅炉烟气中,其中1000-1500立方米被转移到测试设备;a首个电气除尘器用于除尘;喷水冷却塔(此试验中为使用);b电晕放电喷淋系统;c第二个电气除尘器用于收集

6、副产物;d引风机用于烟气气流控制;e烟囱.f气体温度测计T,气体分析仪器SP分别测试4个不同的位置;电晕放电喷淋系统主反应器的规格为:2.1m*1.8m*2m;里面有20个通道,每个通道有5个电晕放电喷射电极.多喷管电极代替了传统的电晕电线(如图2示).多喷管电极长度为2m 图3.在25和75下 ,平均总电流与电压特性关系3 试验结果。图3中,气体温度分别为250C和750C的情况下平均总电流与电压特性的关系.100个电晕喷射电极电晕安置电压的反应器大约为15.5千伏,电流与外加电压几乎成线性增长.极限工作电压大约24KV,极限耗功率为816w.图4.三种氨气与酸性气体比中,SO2去除效率与输

7、入电功率的关系图4表示出SO2的去除效率与输入电功率的关系,分别三种氨气与酸性气体情况,SO2的去除效率随输入功率的增加而增加,直到350w后,随输入功率的增加而减少. SO2的去除效率随氨气与烟气比率的增大而增大,随随烟气温度的减小而增大. 图5.在68和79下, SO2去除效率与输入功率的关系 图表明SO2去除系数随烟气温度增加而增加.因为气体温度依赖着氨气化学性质 ,并非单独依靠输入功率或能量密度（瓦特/小时=输入功率烟气流速率）增加或者减少有关.那最适宜的SO2去除效率为温度680C, 另一种情况就是790C,而且大约在150和300瓦特近76 -86%的SO2是在没有外加电压情况下电

8、晕自由基喷淋体系去除.在实验规模的测试中,烟雾剂形成被那绝热膨胀均相成核的氨气在已经注意到,相比气相反应,烟雾剂表面反应NH3和SO2为之间是数量级地更快形成硫酸氨. 图中 ,三种氨气与酸性气体比率,氮氧化物去除效率跟输入电功率的关系图中,显示出三种不同的氨气与酸性气体比率情况下,氮氧化物去除效率跟输入电功率的关系:氮氧化物的去除效率随同输入功率以及 氨气喷淋速率的增长而增长 。 图7中三种不同NO初始浓度,氮氧化物去除效率与输入功率的关系 图7中,显示出三种不同NO初始浓度的情况下,氮氧化物去除效率与输入功率的关系:氮氧化物的去除效率随输入功率或者能量密 度的增加而增加,随同NO初始浓度的减

9、小而增大.大约在660w的输入 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 能量效率图8-12显示出,去除SO2 和NOx的能量效率和能量密度的关系 .能量效 率是以一千瓦时的功率输入处理多少KGSO2或者NOx,也叫能量.SO2和NOx的去除率随同能量密度、NO的初始浓度、烟气温度的增加而减 少.SO2和NOx的去除率随同氨气与酸性气体的比例的增加而增加.氨 喷淋速度的提高能提高SO2和NOx的去除率和能量效率.如图8所示, 如果我们认为氨气从烟气排气中滑落,那么最适宜的气体比例是应该研究出来的.图8也表示出,氨气的滑落随电晕放电的外加电压的增加而

10、减少 图8.在三种氨气与酸性气体比下,去除SO2的能量效率和能量密度的关系 图9.在68和79下,去除SO2的能量效率和能量密度的关系 图10.在三种氨气与酸性气体比下,去除NOx的能量效率和能量密度的关系 图.11. 三种NO初始浓度下,去除NOx的能量效率与能量密度的关系图12.三种氨气与酸性气体比率,电晕放电自由基喷淋系统的出口氨气浓度与外加电压的关系5 总 结 利用试验规模电晕自由基喷淋系统,从燃煤烟道气体中同时去除SO2 和氮氧化物已经被研究,总结如下 :1电晕放电电流随外加电压和氨气与酸性气体比率的增加而增加.然而,还是没有发现最适宜的比例效果 . SO2的去除效率随同氨气与酸性气

11、体比率的增加而增加,也随气体 温度的增加而减少.SO2去除效率非单独依靠输入功率,90%去除效率的时候,最大的输入效率为300W.SO2的能量效率随氨气与酸性气体比率的增加而增加,随烟气度、能量密度、输入功率的增加而减少.99%的SO2去除效率,单位千瓦时能 去除大约9KG. NOx的去除效率随输入功率、氨气与酸性气体比率的增加而增加.NOx的去除效率不单单依靠NOx在烟气的初始浓度,其最大值为约65ppm.NOx的去除效率在较高的电压中能达到最高值70-80% 氮氧化物的能量效率随能量密度或者外加电压的增加而增加.然 而,还没发现最适宜的氨气与酸性气体的比率作用于最高能量效率,但是去除NOx

12、的能量效率不单单依靠在烟气中的NOx的初始浓度.在75%的去除效率中,单位千瓦时的输入能量能去除大约125g的NOx. 氨气超量浓度随同氨气与酸性气体比率的增加而增加,随外加电压或者输入功率的增加而减少 。致谢感谢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对本设计的建议.同样感谢Hunan Province环保局,加拿大国际开发局,日中污染控制技术基金,中国环保总局,加拿大自然科学和工程研究理事会的财务支持.