氨活化電暈放電煙氣脫硫試驗研究

王暉 王家鵬

摘 要：采用氨活化方法，對電暈放電煙氣脫硫進行了試驗研究。考察了氨活化效果、電壓、氨硫摩爾比、電源、電極、脈沖頻率對SO2脫除效率的影響。試驗結果表明，采用NH3活化可在較大程度上提高脫硫效率；隨電源輸出電壓、氨硫摩爾比、SO2初始濃度的提高，SO2脫除效率提高；在同樣電源輸出電壓等級的條件下，脈沖電源比直流電源具有較高的脫硫效率；在其它條件相同的情況下，芒刺電極比星型電極具有較高的脫硫效率；提高脈沖電源頻率，脫硫效率變化較小。

關鍵詞：電暈；脫硫；氨活化

1 緒論

脈沖電暈放電脫硫自日本增田閃一教授提出后，被各大科研機構廣泛的研究，獲得了較多的具有工程實用價值的成果。就現階段而言，所采用的煙氣脫硫方式屬于干法脫硫，與濕法脫硫方式相比，干法脫硫具有較多優勢，如成本投入較低、占地面積較小，在實際應用的過程中，不會產生二次污染，脫硫結束后的產物能夠以肥料的形式應用于農作物中，能夠在脫硫的同時實現脫硝目的，并且可以達到除塵效果。

2 實驗部分簡介

實驗應用裝置：在實驗進行的過程中，將水蒸汽、二氧化硫、空氣以及氨氣以一定比例進行混合，模擬為煙氣。空氣進入加熱器前將水蒸汽混入，水蒸汽混入量根據試驗需要進行調整。加熱器中，空氣與水蒸汽混合后被加熱到120°C。控制二氧化硫、氨氣含量的方式是應用流量計、截止閥，并在反應器出口處安裝相應的煙氣測試儀器（目前常用的是3012型自動煙氣測試分析儀），以此來監控二氧化硫的濃度。目前的脫硫反應器多為單通道，通道寬度為150mm，有效電場長度為2m，外形體積為2000×300×600mm，殼體采取保溫措施。電極結構為線板式，采用窄脈沖高壓電源供電，電源采用旋轉火花間隙式開關。管狀放電極的外框所應用的銅管外徑為10毫米；放電針應用的是外徑2毫米、內徑1毫米的細銅管；鋸齒型電極應用的不銹鋼片較薄，僅為2毫米，相關工作人員對其進行加工制造，成為鋸齒狀；星型線放電極應用的材料形式為四棱柱制造的4×4毫米的正方形。高壓脈沖采用的是單向交流的電源輸入方式，其電壓為220伏特，允許波動范圍是198-242伏特。頻率在49-51赫茲，額定輸出功率是200VA，輸出脈沖峰值電壓被定義為連續可調的15～50kV。選用正極性脈沖，其寬度≤500ns，脈沖上升前沿≤200ns，脈沖重復頻率0～150Hz連續可調。

3 實驗結果與討論

3.1 電壓的影響

在SO2初始濃度為1200mg/m3，煙氣濕度為10%的情況下，煙氣流量為65Nm3/h，采用正脈沖電壓（脈沖頻率100Hz）、芒刺電極，其中氨氣與二氧化硫的比例為二比一，根據該比例進行氨氣添加工作，并調試外加電壓，觀察氨氣的脫硫效果，其中對比曲線為NH3從模擬煙氣入口加入的情況。煙氣的脫硝效率隨著外加的電源電壓的升高而不斷提升，根據觀察可知，從放電極注入氨氣時，其脫硫效率明顯高于從模擬煙氣入口注入氨氣。另外，當外加電壓加壓到31千伏時，脫硫效率能夠達到百分之八十一，從煙氣入口注入氨氣時其脫硫效率是百分之七十。電廠內部強弱不同，電廠最強的部分是放電針的電極附近，主要原因是放電過程中，高能電子集中于此地。從放電針電極加入氨氣時，能夠擁有更大的概率接觸高能電子，使氨氣分子活化程度更高，并產生NH、NH2以及其他多種自由基，由于化學反應能夠在較大程度上促進自由基與二氧化硫分子結合，使其能夠更好的完成脫硫任務。

3.2 氨、硫不同摩爾比對實驗的影響

設置各個成分的最初濃度，SO2為1400mg/m3，煙氣濕度為10%時，煙氣為65Nm3/h，外加正脈沖31kV的電壓（脈沖頻率100Hz）、芒刺電極，改變NH3與SO2的摩爾比R，得到相應的脫硫效率，其中對比曲線為加電前熱化學反應等作用下的脫硫率。在實驗的進程中，不斷的增加氨氣與二氧化硫的摩爾比，煙氣的脫硫效率也不斷上升。氨、硫的摩爾比為0.5時，其脫硫效率是59%，當氨、硫摩爾比是2時，脫硫效率明顯提升，為81%。隨著NH3流量的增加，不僅能夠提升熱化學反應的效率，還能增加放電極的活化有效區域中氨氣的分子濃度，此時，高能電子能夠擁有更大的機率與氨氣分子發生化學作用，進一步提升氨氣的活化效率，進而促進脫硫效率。

3.3 二氧化硫不同的初始濃度影響

在煙氣流量是65Nm3/h，煙氣濕度是10%時，可以按照2：1的氨、硫比添加氨氣，脈沖電壓為31kV（脈沖頻率100Hz）、芒刺電極，更改模擬煙氣中二氧化硫的初始含量，并針對其不同含量進行相應的影響對比。

3.4 脫硫效率受不同電源的影響

在實驗過程中，將負直流、正脈沖電壓分別作用于兩種不同電極上（脈沖頻率100Hz）。SO2初始濃度1400mg/m3，采用芒刺電極，煙氣流量為65Nm3/h，煙氣濕度為10%，NH3：SO2為2：1，試驗結果。

3.5 電極對脫硫效率的影響

采用芒刺電極和星型電極兩種電極進行對比試驗，SO2初始濃度1400mg/m3，煙氣流量為65Nm3/h，煙氣濕度為10%，NH3：SO2為2：1，脈沖電壓為31kV。芒刺放電針的脫硫效率明顯比星形線放電針的高，電暈放電的基本工作原理是將曲率半徑較小的細線或者針作為放電極，低壓電極則應用曲率半徑較大的平板，在兩極作用的過程中施加相應的高強電壓，是高能電子與各類氣體進行碰撞，最終放電。

3.6 脈沖頻率

采用脈沖電源，改變脈沖頻率進行試驗，二氧化硫初始濃度為1150mg/m3，脈沖電壓為30kv，采用芒刺電極，煙氣濕度為10%，氨硫摩爾比為2：1，氨氣活化與不活化的脫硫效率曲線。氨氣活化與否的脫硫效率都不隨著脈沖電源頻率的提升而增加。主要的產生原因是，應用脈沖高壓形成的電廠能夠有效的活化NH3分子，能夠更改電場強度的是脈沖電壓峰值，而不是電源頻率。

4 結論

本文主要研究了氨活化電暈放電煙氣脫硫的相關實驗，主要結論如下：

1）采用NH3活化可在較大程度上提高脫硫效率；

2）隨電源輸出電壓、氨硫摩爾比、SO2初始濃度的提高，SO2脫除效率提高；

3）在同樣電源輸出電壓等級的條件下，脈沖電源比直流電源具有較高的脫硫效率；

4）在其他條件相同的情況下，芒刺電極比星型電極具有較高的脫硫效率。