臭氧電源在燒結(jié)機煙氣脫硝上的應(yīng)用分析

陳思維

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

隨著我國環(huán)保政策的逐漸強硬，大氣污染治理行業(yè)發(fā)展速度極快，NOx 成為污染大氣的主要物質(zhì)，而NOx的主要來源為工業(yè)燒結(jié)機的煙氣排放。為此，采取必要措施對燒結(jié)機的煙氣進行脫硝極為必要。臭氧氧化脫硝技術(shù)的出現(xiàn)，有效地提高了脫硝效率。

1 燒結(jié)機煙氣脫硝技術(shù)相關(guān)概述

燒結(jié)機多應(yīng)用于燃煤廠、鋼鐵廠，燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的氮氧化物（即NOx），一氧化氮占比為90%左右，二氧化氮占比在5%～10%，一氧化二氮的占比為1%左右。其中熱力型NOx 在整體的20%左右，燃料型NOx 在整體的60%～80%，快速型NOx 在5%以下。熱力型指的是二氧化氮在高溫下和氧氣發(fā)生，隨著反應(yīng)溫度的提高，氮氧化物生成的速度越快。燃料型指的是在燃料中部分少量的含氮化合物，在燃燒中難以分解，后續(xù)被氧化為NOx。快速型指的是燃料燃燒過程中碳氫化合物在高溫區(qū)域產(chǎn)生熱分解形成的NOx，反應(yīng)時間較短。

近年來，臭氧氧化法作為NOx 處理的新型控制技術(shù)，脫硝效率較高，設(shè)備體積較小，反應(yīng)溫度較低，適宜對低溫度煙氣進行脫硝處理，所以在廢氣治理行業(yè)，尤其是工業(yè)鍋爐煙氣治理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前煙氣脫硝技術(shù)的重點研究方向。

2 臭氧脫硝基本原理與系統(tǒng)組成

脫硝指的是將煙氣中NOx 進行脫除。傳統(tǒng)脫硝工藝存在著阻力較大、耗能較高、效率較低等缺陷，難以實現(xiàn)燒結(jié)機的超低排放。而臭氧脫硝效率較高、設(shè)備體積較小、耗能較小，適合應(yīng)用在煙氣處理中。

2.1 臭氧脫硝基本原理

臭氧被稱為超氧，是氧氣的同素異形體，常溫狀態(tài)下，臭氧為淡藍色，具有特殊氣味，穩(wěn)定性較差，半衰期通常在50min 以下，可自行分解為氧氣。少量吸入臭氧有益于人體健康，過量吸入則有危害，此外，氧氣通過電解反應(yīng)能夠變?yōu)槌粞酢?/p>

由于臭氧具有較強的氧化性，所以臭氧脫硝的原理便是利用此特點，將NOx 中不可溶的低價NOx 氧化為可溶的高價NOx，再經(jīng)過洗滌塔或相關(guān)設(shè)備將NOx 吸收，從而達到脫硝的目的。臭氧在煙氣中混合的均勻性將直接影響脫硝效率，可使用CFD 軟件對煙道流場進行模擬，優(yōu)化具體布置方案。

2.2 臭氧脫硝系統(tǒng)組成

臭氧脫硝系統(tǒng)由臭氧合成系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、PLC、氣源處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、投加系統(tǒng)組成，具體如下。

（1）臭氧合成系統(tǒng)。臭氧合成系統(tǒng)也被稱為臭氧發(fā)生器單元，是臭氧脫硝中的核心部件。大型臭氧發(fā)生室是由多個放電單元進行串聯(lián)或并聯(lián)組成的結(jié)構(gòu)，使得氧氣在高頻高壓放電的反應(yīng)條件下，生成臭氧。

（2）電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)是臭氧脫硝中的供電單元，采用先變頻后升壓的方式將輸入電源的工頻高壓電源轉(zhuǎn)換為高頻高壓，采用調(diào)頻串聯(lián)諧振的方式獲得高頻高壓電源，使得發(fā)生器電氣系統(tǒng)有著較高的功率因素，從而提高臭氧發(fā)生室內(nèi)的電場電壓，控制臭氧的發(fā)生量。

（3）PLC。PLC，即可編輯邏輯控制器，作用為對臭氧脫硝系統(tǒng)進行在線監(jiān)控、檢測。比如，數(shù)據(jù)采集顯示、遠傳、遠程控制，調(diào)節(jié)臭氧氧氣、調(diào)整運行功率，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)和供氣流量調(diào)節(jié)，監(jiān)測臭氧濃度等功能。

（4）氣源處理系統(tǒng)。臭氧脫硝系統(tǒng)中的氣源處理系統(tǒng)分為三種，分別是空氣源、富氧源以及純氧源。空氣源指的是將空氣作為原料，經(jīng)過空壓機干燥后送入臭氧發(fā)生器，空氣源送入氧氣生成臭氧的濃度為20 ～30mg/L。富氧源指的是經(jīng)過多道處理工序后，向臭氧發(fā)生器送入高純度氧氣，生成臭氧濃度在125mg/L 左右。純氧源指的是使用液態(tài)氧經(jīng)過汽化器進行汽化后，將其送入臭氧發(fā)生器，生成的臭氧濃度在150mg/L 左右。

（5）冷卻系統(tǒng)。臭氧發(fā)生器在生成臭氧的過程中，至少90%的電能被轉(zhuǎn)化為熱能，若無法進行有效散熱，將會影響臭氧發(fā)生器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。因此，需要在臭氧脫硝系統(tǒng)中安裝冷卻系統(tǒng)。通常采用閉路循環(huán)和外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對臭氧發(fā)生器的放電單元外電極進行冷卻。

（6）投加系統(tǒng)。臭氧投加系統(tǒng)指的是將臭氧投入到煙氣中，通常為噴射裝置，噴頭、噴嘴或陣列孔均可進行臭氧投加，但在投加中，需要著重注意臭氧投加的均勻程度，確保脫硝效率。

2.3 臭氧脫硝的優(yōu)勢

和傳統(tǒng)脫硝工藝相比，臭氧脫硝具有四種優(yōu)勢，具體如下。

（1）適用性廣。傳統(tǒng)脫硝工藝，比如SCR、SNCR，必須在特定、穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)進行操作。而臭氧脫硝無須提高煙氣溫度，適宜使用在溫度較低的煙氣中進行脫硝改造，用戶還可對煙氣熱量進行回收。

（2）改造簡單。臭氧脫硝能夠解決SCR 脫硝中反應(yīng)器的阻力問題，比如，解決NH3和SO3反應(yīng)生成NH4HOS4堵塞管道的問題，解決SNCR 鍋爐改造后出現(xiàn)氨逃逸、空預(yù)器腐蝕的問題。臭氧脫硝系統(tǒng)無須在煙氣系統(tǒng)中增加煙氣處理設(shè)備，僅需要對煙道進行改造，而不對鍋爐、風(fēng)機進行改造，改造周期較短，停爐時間短。

（3）效率高，控制靈活。在煙氣量或NOx 量不穩(wěn)定的條件下，可靈活調(diào)整臭氧產(chǎn)量。在確保脫硝效率的情況下，降低系統(tǒng)能耗，將脫硝效率維持在90%以上。

（4）多污染物去除。臭氧脫硝對于NOx 的氧化反應(yīng)選擇性較高，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為可溶的離子化合物，從而脫除NOx。臭氧脫硝系統(tǒng)能夠聯(lián)合濕法脫硫塔，同時對有機物進行降解，比如，其他重金屬污染物，脫除率在60%以上。

2.4 臭氧脫硝中臭氧電源系統(tǒng)構(gòu)成

臭氧電源是臭氧脫硝系統(tǒng)中的重要部分，其中包括配電單元、控制單元、變頻器、升壓單元、監(jiān)測儀表單元，如圖1。

圖1 臭氧電源框架

圖2 SPWM 調(diào)制波形示意圖

（1）配電單元負責(zé)為臭氧脫硝系統(tǒng)提供動力電，通常為380V、50Hz，通常和控制單元整合到相同控制柜中，通過三相整流橋進行整流，被稱為配電控制柜。

（2）控制單元通過數(shù)字信息處理DSP 技術(shù)，實現(xiàn)對臭氧電源的控制調(diào)節(jié)，利用快速的CPU 和更大容量的儲存器，實現(xiàn)對臭氧電源的相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)測，驅(qū)動控制以及處理相關(guān)故障。

（3）變頻器單元負責(zé)控制臭氧發(fā)生器的運行功率，通常采用IGBT 模塊作為核心器件，通過正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的工作原理，使進行逆變輸出的方波，串聯(lián)臭氧電源的電抗器到達整流變壓器進行升壓，形成近似正弦波的高壓，同時，可以大大削除諧波，提高臭氧電源的工作效率。

（4）升壓單元負責(zé)為臭氧發(fā)生器提供高壓和功率。由于臭氧發(fā)生器為容性負載，所以需要采用串聯(lián)諧振升壓技術(shù)。此外，臭氧發(fā)生器的頻率需求較高，通常在3000Hz 以上，常規(guī)矽鋼片無法滿足需求，所以應(yīng)采用鐵氧體磁芯材料，為臭氧發(fā)生器提供可靠的高頻高壓電源。

（5）監(jiān)測儀表。此部分和臭氧發(fā)生器相連，負責(zé)監(jiān)測臭氧發(fā)生器的多種參數(shù)，比如，壓力、流量、濃度、泄漏情況等，并將參數(shù)傳輸至PLC，以此實現(xiàn)自動化運行。

3 臭氧電源在燒結(jié)機煙氣脫硝中的實證分析

為明確臭氧電源在燒結(jié)機煙氣脫硝中利用功率控制脫硝效率的具體情況和臭氧脫硝的效果，本文依托于某實際煙氣處理工程對臭氧電源的應(yīng)用進行分析。

3.1 工程概況及改造內(nèi)容

案例工程為福建某鋼鐵廠的燒結(jié)機煙氣脫硝項目，煙氣量每小時315m3。為完成臭氧脫硝系統(tǒng)的改造，具體改造內(nèi)容如下。

（1）電源部分。安裝逆變器柜以及電源柜，產(chǎn)生高壓投入至臭氧發(fā)生器后，額定臭氧產(chǎn)生量為30kg/h，并安裝遠程控制柜，其中包括PLC。

（2）本體部分。安裝臭氧發(fā)生器及配套元件，連接氣路管道、水路管道，采用氬弧焊技術(shù)。

（3）換熱系統(tǒng)。安裝水泵、儲水罐以及板式散熱器，水路管道為不銹鋼管道，現(xiàn)場管道長度在15m 左右。

（4）煙道投加系統(tǒng)。采用噴嘴管向煙道內(nèi)部進行噴灑，并安裝防腐材料，四周沿?zé)煔夥较虬惭b4m 不銹鋼材質(zhì)的擋板。

（5）安裝上位機后進行調(diào)試，利用電源功率調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量，控制脫硝效率。

3.2 臭氧電源投入效果

以安裝臭氧電源當(dāng)日常規(guī)工況下的運行數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，探究是否能夠通過電源功率控制臭氧產(chǎn)量，從而達到控制脫硝效率的目的，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1。從表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得知，通過對電源功率的調(diào)整，能夠有效控制臭氧發(fā)生器的流量，影響臭氧濃度，在煙氣流量變化較小的情況下（可視為控制變量）實現(xiàn)對脫硝效率的控制，即臭氧電源功率越大，脫硝效率越高，NOx 含量越少，證明臭氧電源可有效控制脫硝效率。

表1 臭氧電源功率和NOx 的排放量

3.3 臭氧系統(tǒng)投入效果對比

為驗證臭氧系統(tǒng)的使用是否能夠?qū)崿F(xiàn)脫硝，本文將臭氧系統(tǒng)投入前以及投入后的NOx 排放率進行對比分析（取值范圍為投入前3d 和投入后3d），具體如表2、表3。以表中第3d 的NOx 排放率為準(zhǔn)，可知投入前的NOx 排放率為70kg/h，投入后NOx 排放率為29kg/h，可計算脫硝效率為58.571%，脫硝效果較為顯著。

表2 投入前3d 的NOx 排放率

表3 投入后3d 的NOx 排放率（將臭氧產(chǎn)生量固定為30kg/h）

4 結(jié)語

綜上所述，在環(huán)保政策逐漸強硬的背景下，大氣污染治理極為重要，而燒結(jié)機煙氣處理是其中重點。臭氧氧化脫硝技術(shù)在實際應(yīng)用中具有較多優(yōu)勢，還能通過調(diào)整功率控制臭氧產(chǎn)量，實現(xiàn)自動化控制脫硝效率，具有較高的推廣價值，隨著科技的不斷發(fā)展，未來臭氧脫硝技術(shù)將會更節(jié)能，且脫硝效率將會進一步提升，發(fā)展前景十分廣闊。