高电压环境工程应用研究关键技术问题分析及展望
发布时间：2020-11-20 06:06
高压(HV)放电技术通过施加高压电场来产生大量自由电子和活性物质,使之能控制和去除环境污染物。为此,介绍了高压放电在脱硫、脱硝、除尘、挥发性有机气体(VOCs)去除、臭氧发生、水处理和灭菌等方面的应用。高压放电脱硫脱硝采用流光电晕形式在气相或异相中氧化气态污染物,后者效率高于前者。随其处理风量的不断增加,应研发脉冲电源和交直流叠加(AC/DC)电源以提高反应器能量密度和脱除能力。静电除尘技术发展历史长,其除尘能力进一步的提高受到本体设计不合理、电源技术落后和2次扬尘等问题的限制。以电除尘指数取代传统Deutsch公式,并指导本体设计选型和电源优化,能有效提高除尘效率。高压放电还可用于臭氧发生,短脉冲电源研发、气源组分添加和装置冷却是其研发重点。高压放电能处理VOCs和污染废水,前者以放电结合催化为主,后者则兼有液下和沿面放电,目前仍需提高能量利用效率。放电除了能杀灭微生物外,还能在保持活性的前提下收集微生物。高压放电技术仍需向工业示范和联用发展。
【部分图文】：
够引发复杂的化学反应，包括自由基反应、离子分子反应、受激粒子反应和自发化学反应等。借助上述反应过程，高压放电能够改变二氧化硫和氮氧化物的价态，进而实现脱硫脱硝。VeldhuizenEV等详细描述了气相中脱硫脱硝的反应机制[2]。二氧化硫的脱除途径有4种，每分子气相氧化能耗较高，约为40eV。氮氧化物的脱除则主要依靠自由基和热化学反应，众多逆向反应都会降低转化效率，增加能耗[3]。等离子体氧化多采用电晕放电，它包括流光电晕放电(以下简称流光电晕)和辉光电晕放电(以下简称辉光电晕)这2种形态，如图1所示[4]。流光电晕的氧化性高于辉光电晕。辉光电晕以离子电流为主，放电区域局限在高压电极附近，自由基产量低，且容易随极距变化而转变为其他放电形态，不利于气态污染物的氧化。在能量密度为1.35Wh/m3的条件下，辉光电晕几乎不能将NO氧化为NO2；而在同样能量密度的条件下，1次流光(onsetstreamer)电晕的转化效率可达60%[5]。在工业应用中，只有产生稳定大面积的流光电晕，才能有效处理和氧化硫、氮氧化物。直流高压系统中电压变化速率低，峰值电场强度也不足以维持流光电晕通道。因此正极性直流电源仅能作为离子源而非自由基发生源，难以控制其放电规模并产生大面积流光电晕。但当电压扰动速率>0.2kV/μs时，辉光电晕开始向流光电晕转变[6]。脉冲电源和AC/DC电源都能产生足够的电压扰动，从而保持电晕放电。脉冲电源多用于气相放电氧化过程，而AC/DC电源则多用于液相氧化。AC/DC电源在直流基压上叠加交流电压(频率为10~100Hz)，此时流光电晕能够持续发生，维持电压范围扩大，受间距的影响也不明显。20世纪80年代初，意大利国家电力公司(EnteNazionaleperl'EnergiaeLettrica,ENEL)?
2532高电压技术2015,41(8)图24种低温等离子体脱硫脱硝的工艺流程示意图Fig.2Diagramofdifferentnon-thermaldesulfurizationanddenitrationprocessesS(Ⅳ)和N(Ⅱ)的价态，使之转化为易于被捕集吸收的形态。在气相中，流光电晕放电和介质阻挡放电均可高效氧化N(Ⅱ)，2者氧化S(Ⅳ)时则效率低、能耗高。因此，放电氧化S(Ⅳ)的主要途径是异相氧化，通过放电引发液相链反应[24]或NO2与SO32–的反应将S(Ⅳ)转化为S(Ⅵ)。基于气相氧化N(Ⅱ)和异相氧化S(Ⅳ)的原理，高压放电脱硫脱硝的工艺流程应为气相放电结合吸收剂添加和异相氧化，吸收剂可在放电装置上游或下游投加，如常见的脉冲放电上游投加NH3吸收剂以及湿式高压放电反应器中循环亚硫酸盐溶液等形式。除选择正确的工艺外，高压放电脱硫脱硝应提高能量效率和降低能耗。短脉冲电源、交直流叠加电源以及电源与负载的匹配，是高效产生流光电晕或臭氧的主要途径。2电除尘雾霾主要成分有SO2、NOx和可吸入颗粒物(PM10)。雾霾颗粒物分布均匀、粒径较孝以细颗粒物(PM2.5)为主。PM2.5主要来自人为源，如发电、冶金、石油、化工等工业过程的烟尘排放和交通工具的尾气排放。电除尘器利用电晕放电产生的大量离子对粒子荷电，并使带电粒子在电场力的驱动下移向集尘板，从而将微粒从气流中分离出来。电除尘器由于具有除尘效率高、阻力孝能耗低、能处理高温和大烟气量的气体、无2次污染等优点，所以一直是烟气除尘的主流设备[25]。2.1电除尘的应用欧、美、日等发达国家和地区的燃煤电厂主要采用电除尘器，出口排放质量浓度一般为20～30mg/m3。如欧盟燃煤电厂采用电除尘器除尘的约占85%，目前西欧采用电除尘器后平均排放质量浓度<10mg/m3；美国采?
缌餍⒍悦褐直?化敏感等问题。（2）高压电源技术落后。目前普遍采用的单相高压电源与电除尘器本体不匹配，运行电压低、纹波系数大。当第1电场中粉尘负荷过大时，电晕放电会受到抑制，除尘效率降低，后续电场的除尘负荷也被提高。此外，单相高压电源峰值电流较大，不利于快速关断火花放电以恢复电压。（3）细颗粒物收尘机理缺乏研究。电除尘器前端电场主要捕集大颗粒物，其效率由静电力和Stocks阻力决定；大多发生在末端电场中主要发生细颗粒物捕集，其效率不仅受荷电量影响，而且与气流分布和离子风有关[31]。图3为利用2D–PIV可视化流场分析技术测得的线板式电除尘器中的流场分布。离子风引起了流场中的涡旋，严重降低了细颗粒物的捕集[32]。在电除尘器中，合理的气流分布应使颗粒物在远离收尘极区域的速度较高，以使颗粒物能够快速地到达收尘极；而在收尘极附近区域时，气流速度趋近于0，以使颗粒物沉积到极板上，避免2次扬尘。图3线–板式电除尘器内流场的分布Fig.3Flowfieldwithinwire-plateESP（4）燃煤的种类复杂、变化快，因此电除尘器内的电晕放电很难控制，特别是高比电阻粉尘造成的反电晕现象。此外，很难合理地控制各电场的振打强度和时序，容易造成2次扬尘。2.3电除尘的新理论传统电除尘器的设计选型也是根据Deutsch公式来完成，如式(1)所示1exp()VAqη=ω(1)式中：η为总除尘效率；A为收尘极板面积；qV为烟气体积流量；ω为颗粒物的驱进速度。Deutsch公式基于2点假设：①在电除尘器内的任意断面上，所有颗粒物均充分荷电并均匀分布；②所有颗粒物均具有相同的驱进速度。实际上，各级粒径的颗粒物驱进速度各不相同，因此Deutsch公式不适于分级除尘效率的计算。在电除尘中试实验
本文编号：2891062
【部分图文】：
够引发复杂的化学反应，包括自由基反应、离子分子反应、受激粒子反应和自发化学反应等。借助上述反应过程，高压放电能够改变二氧化硫和氮氧化物的价态，进而实现脱硫脱硝。VeldhuizenEV等详细描述了气相中脱硫脱硝的反应机制[2]。二氧化硫的脱除途径有4种，每分子气相氧化能耗较高，约为40eV。氮氧化物的脱除则主要依靠自由基和热化学反应，众多逆向反应都会降低转化效率，增加能耗[3]。等离子体氧化多采用电晕放电，它包括流光电晕放电(以下简称流光电晕)和辉光电晕放电(以下简称辉光电晕)这2种形态，如图1所示[4]。流光电晕的氧化性高于辉光电晕。辉光电晕以离子电流为主，放电区域局限在高压电极附近，自由基产量低，且容易随极距变化而转变为其他放电形态，不利于气态污染物的氧化。在能量密度为1.35Wh/m3的条件下，辉光电晕几乎不能将NO氧化为NO2；而在同样能量密度的条件下，1次流光(onsetstreamer)电晕的转化效率可达60%[5]。在工业应用中，只有产生稳定大面积的流光电晕，才能有效处理和氧化硫、氮氧化物。直流高压系统中电压变化速率低，峰值电场强度也不足以维持流光电晕通道。因此正极性直流电源仅能作为离子源而非自由基发生源，难以控制其放电规模并产生大面积流光电晕。但当电压扰动速率>0.2kV/μs时，辉光电晕开始向流光电晕转变[6]。脉冲电源和AC/DC电源都能产生足够的电压扰动，从而保持电晕放电。脉冲电源多用于气相放电氧化过程，而AC/DC电源则多用于液相氧化。AC/DC电源在直流基压上叠加交流电压(频率为10~100Hz)，此时流光电晕能够持续发生，维持电压范围扩大，受间距的影响也不明显。20世纪80年代初，意大利国家电力公司(EnteNazionaleperl'EnergiaeLettrica,ENEL)?
2532高电压技术2015,41(8)图24种低温等离子体脱硫脱硝的工艺流程示意图Fig.2Diagramofdifferentnon-thermaldesulfurizationanddenitrationprocessesS(Ⅳ)和N(Ⅱ)的价态，使之转化为易于被捕集吸收的形态。在气相中，流光电晕放电和介质阻挡放电均可高效氧化N(Ⅱ)，2者氧化S(Ⅳ)时则效率低、能耗高。因此，放电氧化S(Ⅳ)的主要途径是异相氧化，通过放电引发液相链反应[24]或NO2与SO32–的反应将S(Ⅳ)转化为S(Ⅵ)。基于气相氧化N(Ⅱ)和异相氧化S(Ⅳ)的原理，高压放电脱硫脱硝的工艺流程应为气相放电结合吸收剂添加和异相氧化，吸收剂可在放电装置上游或下游投加，如常见的脉冲放电上游投加NH3吸收剂以及湿式高压放电反应器中循环亚硫酸盐溶液等形式。除选择正确的工艺外，高压放电脱硫脱硝应提高能量效率和降低能耗。短脉冲电源、交直流叠加电源以及电源与负载的匹配，是高效产生流光电晕或臭氧的主要途径。2电除尘雾霾主要成分有SO2、NOx和可吸入颗粒物(PM10)。雾霾颗粒物分布均匀、粒径较孝以细颗粒物(PM2.5)为主。PM2.5主要来自人为源，如发电、冶金、石油、化工等工业过程的烟尘排放和交通工具的尾气排放。电除尘器利用电晕放电产生的大量离子对粒子荷电，并使带电粒子在电场力的驱动下移向集尘板，从而将微粒从气流中分离出来。电除尘器由于具有除尘效率高、阻力孝能耗低、能处理高温和大烟气量的气体、无2次污染等优点，所以一直是烟气除尘的主流设备[25]。2.1电除尘的应用欧、美、日等发达国家和地区的燃煤电厂主要采用电除尘器，出口排放质量浓度一般为20～30mg/m3。如欧盟燃煤电厂采用电除尘器除尘的约占85%，目前西欧采用电除尘器后平均排放质量浓度<10mg/m3；美国采?
缌餍⒍悦褐直?化敏感等问题。（2）高压电源技术落后。目前普遍采用的单相高压电源与电除尘器本体不匹配，运行电压低、纹波系数大。当第1电场中粉尘负荷过大时，电晕放电会受到抑制，除尘效率降低，后续电场的除尘负荷也被提高。此外，单相高压电源峰值电流较大，不利于快速关断火花放电以恢复电压。（3）细颗粒物收尘机理缺乏研究。电除尘器前端电场主要捕集大颗粒物，其效率由静电力和Stocks阻力决定；大多发生在末端电场中主要发生细颗粒物捕集，其效率不仅受荷电量影响，而且与气流分布和离子风有关[31]。图3为利用2D–PIV可视化流场分析技术测得的线板式电除尘器中的流场分布。离子风引起了流场中的涡旋，严重降低了细颗粒物的捕集[32]。在电除尘器中，合理的气流分布应使颗粒物在远离收尘极区域的速度较高，以使颗粒物能够快速地到达收尘极；而在收尘极附近区域时，气流速度趋近于0，以使颗粒物沉积到极板上，避免2次扬尘。图3线–板式电除尘器内流场的分布Fig.3Flowfieldwithinwire-plateESP（4）燃煤的种类复杂、变化快，因此电除尘器内的电晕放电很难控制，特别是高比电阻粉尘造成的反电晕现象。此外，很难合理地控制各电场的振打强度和时序，容易造成2次扬尘。2.3电除尘的新理论传统电除尘器的设计选型也是根据Deutsch公式来完成，如式(1)所示1exp()VAqη=ω(1)式中：η为总除尘效率；A为收尘极板面积；qV为烟气体积流量；ω为颗粒物的驱进速度。Deutsch公式基于2点假设：①在电除尘器内的任意断面上，所有颗粒物均充分荷电并均匀分布；②所有颗粒物均具有相同的驱进速度。实际上，各级粒径的颗粒物驱进速度各不相同，因此Deutsch公式不适于分级除尘效率的计算。在电除尘中试实验
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