Badania nowego modelu reaktora DBD do oczyszczania gazów

  • 02.09.2015
  • 4060
  • Źródło: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Tlenki azotu (NOx) oraz dwutlenek siarki (SO2) są głównymi zanieczyszczeniami zawartymi w gazach emitowanych przez elektrownie, przemysł stalowy i papierniczy oraz silniki z wewnętrznym spalaniem. Wydział Elektryczny Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie wykonał badania prowadzące do znacznej redukcji zanieczyszczeń.

W wyniku prac nad nowym modelem reaktora DBD otrzymano rozwiązanie technologiczne umożliwiające m.in.:
-
redukcję NOx oraz SO2 w gazach kominowych silników okrętowych zasilanych "paliwem ciężkim" (w stopniu pozwalającym na spełnienie wymagań IMO w zakresie emisji siarki i związków azotu);
- oczyszczanie powstałych w trakcie spalania węgla kamiennego przez kotłownie o emisji spalin rzędu kilku tysięcy Nm3/h;
- oczyszczanie  powietrza z zanieczyszczeń powstałych przy nakładaniu powłok ochronnych i antykorozyjnych oraz emitowanych przez przemysł chemicznego.

Geneza projektu:


Od lat siedemdziesiątych wytworzenie zimnej lub niestabilnej plazmy postrzegane jest jako bardzo atrakcyjna technologia usuwania zanieczyszczeń. Z reguły do jej wytworzenia używane są elektrony, których energia zwykle jest większa niż jonów lub cząsteczek. Źródłem wysokotemperaturowych elektronów o dużej mocy mogą być akceleratory wiązki elektronowej o dużej energii lub też unipolarne reaktory wyładowań koronowych.

Przykładem przemysłowego zastosowania wiązki elektronów do redukcji SO2 i NOx jest instalacja zbudowana w Elektrowni „Pomorzany” w Szczecinie. Przy zastosowaniu czterech akceleratorów i przepływie spalin rzędu 200.000 Nm3/h, uzyskano stopień redukcji ok. 56% dla NOx i SO2. Połączone w system akceleratory pracują przy napięciu 700kV, prądzie 375mA i mocy 262,5 kW. W wyniku chemicznej reakcji elektronów z udziałem dodatkowo wstrzykiwanej wody i amoniaku (NH4) zachodzi redukcja SO2 i NOx, a produktem końcowym są nawozy sztuczne. Wielkość produkcji wynosi ok. 250 kg/h.

Innym przykładem jest przemysłowa instalacja, która do redukcji SO2 i NOx zawartych w spalinach kotłowni węglowej wykorzystuje wyładowanie koronowe. System zawiera reaktor zimnej plazmy, którego konstrukcja zbliżona jest do elektrofiltru mokrego (electrostatic percipitator) o konfiguracji przewód-płyta. Gaz o przepływie 1800 Nm3/h oczyszczany jest przez wyładowania koronowe o dodatniej biegunowości. Wytwarzane są one przez generator impulsowy o mocy wyjściowej 30 kW, impulsie napięciowym 130 kV, prądzie impulsowym 5 kA. Użyto impulsów napięciowych o szerokości 500 ns i częstotliwości 300pps.

Wyniki eksperymentalne otrzymane dla spalin o temperaturze 118OC wykazały, że efektywność usuwania SO2 zależy od dodatku NH3 który, zwiększa stopień redukcji z 8% nawet do 98%. Natomiast dodatek C2H2 znacznie przyspiesza usuwanie NOx. Stopień redukcji NOx powyżej 79% uzyskano przy zużyciu energii ok. 9,23 Wh/Nm3 gazu. Jednak skuteczność usuwania NOx rośnie nieliniowo i wyższa efektywność redukcji wymaga znacznie większego zużycia energii.

Zaletą omówionych wyżej systemów jest prosta konstrukcja reaktora oraz mały opór hydrauliczny przy przepływie gazu. Natomiast trudności eksploatacyjne wynikają głównie z zastosowania akceleratora elektronów o dużej energii i konieczności utrzymania próżni o odpowiedniej jakości oraz z generacji wysokonapięciowych impulsów o dużej mocy i częstotliwości. Ponadto, w reaktorze DBD efektywność działania zależy m.in. od elektrodynamicznego oddziaływania impulsów koronowych na polarne cząstki zanieczyszczeń oraz dodatkowej generacji ozonu. Czynniki te sprawiają, że przy laminarnym przepływie gazu oraz niewielkiej ilości ozonu wyraźnie spada kinetyka redukcji VOC. Z kolei najbardziej korzystne warunki dla wytwarzania ozonu stwarza ulot elektronów o niezbyt dużej energii ale o dużej gęstości objętościowej.

Na efektywność oczyszczania powietrza z zastosowaniem zimnej plazmy wpływ mają takie  parametry pracy reaktora jak: polaryzacja i częstotliwość napięcia elektrody koronującej, parametry geometryczne reaktora, prędkość przepływu i temperatura gazu, stężenie na wlocie reagentów i katalizatorów.

Budowa generatorów do oczyszczania powietrza z zastosowaniem wyładowań elektrycznych z reguły oparta jest na dwóch podstawowych typach wyładowań:
- reaktory z zastosowaniem wyładowań koronowych (Rys 1.a);
- reaktor z zastosowaniem wyładowania DBD (Rys. 1.b).

1
Rys.1. Schemat reaktora koronowego z elektrodą koronującą (a) oraz  z barierą dielektryczną (b)

Wyładowania DBD produkują nieustabilizowaną plazmę o temperaturze 50400 0C i gęstości naładowanych cząstek ok. 10111012 cm-3.Wyładowania te są niejednorodne, a koncentracja cząstek w gazie osiąga 10100 ppm. Głównym zadaniem wyładowań jest wytworzenie w gazie aktywnych chemicznie cząstek, które oddziaływają z elektronami o dużej temperaturze (energii) znacznie lepiej niż z gazem o niskiej temperaturze. Obecnie temperatura gazu może być kontrolowana (sterowana), w zależności od rodzaju rozwiązania technicznego, dwoma metodami:
- przez określenie czasu przejścia gazu przez strefę wyładowań (obecnie najczęściej stosowany),
- przez chłodzenie na drodze dyfuzji ciepła z użyciem turbulentnego przepływu gazu.

Mając na względzie wyżej wymienione uwarunkowania, w raporcie przedstawiono wstępne badania nad nowym modelem reaktora DBD, który w założeniu powinien posiadać następujące zalety:
- mały opór hydrauliczny przepływu;
- możliwość naturalnego powstawania przepływu turbulentnego gazu;
- duża gęstość objętościowa wyładowań koronowych i strimerów;
- stosunkowo niskie napięcie generacji wyładowań koronowych.

Model reaktora BDB i metodyka badań


Model reaktora BDB pokazano na rysunku 2a. Składał się on z szeregu równolegle ułożonych siatek koronujących wykonanych z drutu stalowego ocynkowanego o średnicy 1mm oraz prostopadle do nich ułożonych elektrod z ceramiczną barierą dielektryczną. Zastosowano dwa rodzaje siatek: kwadratowe o boku a = 13mm oraz sześciokątne o boku b = 11mm.  Model reaktora zasilano napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz. W celu sprawdzenia wpływu prędkości przepływu powietrza na generację wyładowań koronowych, układ został zamontowany w tunelu o wymiarach 50x50x100cm (Rys. 1b). Prędkość przepływu powietrza zmieniano w zakresie V= 0÷4 m/s. Napięcie elektrody koronującej oraz prąd wyładowczy mierzono za pomocą oscyloskopu cyfrowego firmy Tektronix TDS3032 300MHz.

2
Rys.2. Model reaktora wyładowań koronowych (a), tunel pomiarowy z reaktorem (b)

Na rys. 3 przestawiono przykładowe charakterystyki prądu oraz mocy chwilowej wyładowania koronowego dla napięcia na siatce 12 kVrms.

3
Rys.3. Charakterystyki wartości chwilowych napięcia i prądu (a) oraz mocy wyładowań koronowych (b)

Moc czynną wyładowania wyznaczono ze wzoru:
4

Na rysunku 4 podano zależności mocy wyładowań koronowych od napięcia i jego polaryzacji dla dwóch rodzajów siatek koronujących: kwadratowej i sześciokątnej. Zgodnie z oczekiwaniem stwierdzono, że dla ujemnej biegunowości napięcia moc wyładowań była większa w porównaniu do półfali dodatniej.  Stwierdzono, że dla wyższych napięć moc generowana w heksagonalnym układzie koronującym była większa, co należy przypisać większej efektywnej długości elektrody koronującej. Po uwzględnieniu geometrii reaktora oszacowano gęstość objętościową mocy wyładowań. Dla napięcia na elektrodzie koronującej 12 kVrms wynosiła ona odpowiednio około 41 kW/m3 dla heksagonalnego układu elektrod oraz około 37 kW/m3 dla układu kwadratowego.

5
Rys.4. Zależności mocy wyładowań koronowych od napięcia i jego polaryzacji.

Wpływ prędkości przepływu powietrza na moc wyładowania, na przykładzie heksagonalnej siatki koronującej, pokazano na rysunku 5. Dla prędkości przepływu V = 4 m/s oraz napięcia na elektrodach U = 12 kV moc reaktora zmniejszyła się o około 17÷20%, natomiast dla napięcia U = 13 kV utrata mocy wynosiła już około 25÷30%.  Należy podkreślić, że dla geometrii tunelu pomiarowego prędkość powietrza 4 m/s jest równoważna wydajności ok. 4000 Nm3/h  kanału spalin o przekroju S = 0,3 m2.

7
Rys.5. Wpływ prędkości przepływu powietrza na moc wyładowania

Wnioski:

1. Zbudowano model reaktora DBD, który charakteryzuje się prostą konstrukcją oraz umożliwia naturalny turbulentny przepływ gazu przy niewielkich oporach hydraulicznych.
2. Konstrukcja reaktora umożliwia uzyskanie dużych gęstości mocy wyładowań przy stosunkowo niskim napięciu na elektrodach koronujących. Otrzymana gęstość mocy rzędu 40 kW/m3 przy napięciu 12 kVrms stwarza realne perspektywy zastosowania reaktora na skalę przemysłową.
3. Stwierdzono, że przepływ powietrza obniża moc wyładowań koronowych. Wpływ ten zależny jest od prędkości powietrza, konstrukcji reaktora oraz jego punktu pracy. W badanym modelu dla napięcia 13 kV i przepływie powietrza z prędkością 4 m/s mocy wyładowań obniżyła się o około 25÷30%.
4. Otrzymane wyniki zachęcają do budowy reaktora o większej skali. Należy przy tym założyć, że zastosowanie napięcia o wysokiej częstotliwości sprzyjać będzie wzrostowi gęstości mocy, co pozwoli na dalsze uproszczenie konstrukcji reaktora i obniżenie hydraulicznych oporów przepływu gazu.

Korzyści z zastosowania rozwiązania dla rynku:
1. Wprowadzenie na rynek innowacyjnego rozwiązania technologicznego nie stosowanego dotąd w skali przemysłowej. Dotychczas stosowane metody oczyszczania gazów to głównie metody chemiczne skruberowe (suche lub mokre);
2. Wyeliminowanie wstępnego elementu skrubera oraz związków chemicznych, które są stosowane w tradycyjnych metodach powinno obniżyć koszty eksploatacyjne oraz uprościć obsługę instalacji, a także zdecydowanie obniżyć ilość odpadów chemicznych;
3. Stworzenie efektywnej technologii redukcji NOx i SOx;
4. Relatywnie niski koszt dostosowania się do wymagań dotyczących emisji spalin przez silniki  okrętowe, co umożliwi stosowanie paliw ciężkich;
5. Obniżenie kosztów ograniczenia emisji gazów szkodliwych przez kotłownie węglowe;
6. Zwiększenie konkurencyjności na rynku urządzeń do regeneracji oleju wyposażonych w instalację do redukcji spalin.

Szczegółowych informacji nt. technologii udziela:
Rafał Ślusarczyk: 91 449-43-58
rslusarczyk@zut.edu.pl
8

Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego "Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami", Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)