Применение кабельного генератора в установках конверсии оксидов газов и выбор энергетических характеристик технологии очистки

УДК 66.074.6

ПРИМЕНЕНИЕ КАБЕЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА В УСТАНОВКАХ КОНВЕРСИИ ОКСИДОВ ГАЗОВ И ВЫБОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ

И.М. ВАЛЕЕВ, А.Н. ПОДРЕЗОВ

Казанский государственный энергетический университет

В данной работе рассмотрены перспективы развития источников питания для очистки газов от экологически вредных примесей. Представлена динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по Республике Татарстан. Предложена наиболее привлекательная по простоте технология очистки газов с невысокими затратами энергии и использованием импульсного генератора. В качестве источника импульсных напряжений предложен кабельный генератор с наносекундными импульсами.

Ключевые слова: динамика газовых выбросов по республике Татарстан, кабельный импульсный генератор, выбор энергетических характеристик конверсии оксидов газов.

Необходимость очистки газовых выбросов, возникающих при сжигании топлива на химических производствах и бытовых предприятиях (небольших котельных, химчистках и прачечных) и животноводческих комплексах, требует установки очистных сооружений. Известно применение для очистки воздуха установок, использующих газовый разряд [1,2].

Динамика выбросов (рис.1) загрязняющих веществ в атмосферу по республике Татарстан от стационарных источников, по данным территориального органа Федеральной службы государственной статистики по г. Казани, в 2011 году составляет около 265 тыс. тонн. Основными стационарными источниками загрязнения (по показателю суммарного массового выброса) являются тепловые электрические станции Татарстана, промышленные предприятия и котельные.

Тыс.. т/год 1

2006 2007 2003 2009 2010 2011 г.г.

Рис. 1. Динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферу: 1-оксид углерода; 2-оксиды азота; 3-диоксид серы © И.М. Валеев, А.Н. Подрезов Проблемы энергетики, 2012, № 9-10

В настоящее время накоплен обширный материал как по физическим процессам наносекундного стримерного разряда, так и по методам формирования импульсных напряжений наносекундной длительности, что открывает новые возможности для более строгих оценок эффективного использования разряда при очистке газов и энергетических показателей технологии очистки.

Опыт исследований ученых развитых зарубежных стран (Япония, США) по использованию импульсной стримерной короны для очистки газов от экологически вредных примесей показал эффективность и актуальность указанной электротехнологии очистки [4,5].

В последние годы создаются высоковольтные генераторы импульсных напряжений, применяемые для процессов очистки газа в реакционных камерах в поле коронного разряда, в частности в стримерной зоне импульсного наносекундного разряда.

Отсутствие нагрева газа, простота реакционной камеры, легкая масштабируемость установки делают эту технологию очень привлекательной по сравнению с другими методами очистки (каталитический, термический и др.).

Очистка газов от экологически вредных примесей основана на доокислении молекул примесей с последующим улавливанием твердых или жидких продуктов окисления. Так, конверсия оксида углерода СО в углекислый газ СО2 представляет собой завершенный процесс очистки. Доокисление Б02 в Б03 или К0х в К03 облегчает улавливание указанных экологически вредных оксидов путем связывания доокисленных продуктов с молекулами воды или аммиака с образованием кислот или солей с последующим их осаждением известными способами.

Предпосылкой очистки в зоне стримерного разряда является образование

химически активных частиц, таких как О, Оз, ОН , Н2О2 и т.д. Они образуются за счет взаимодействия молекул газа с электронами, обладающими сравнительно высокими энергиями. Так, вблизи головки стримера, где существуют напряженности поля порядка 105 В/см, энергия электронов достигает 9,5 эВ [1-3]. В других зонах стримерного разряда, в частности в его канале, напряженность электрического поля существенно ниже и, как следствие, энергия электронов также меньше. Следовательно зоной, где происходит генерирование электронов с высокой энергией, является пространство вблизи головки стримера. Таким образом, создание химически активных частиц происходит наиболее эффективно лишь вблизи головки стримера, то есть во время его прорастания от отрицательного электрода к положительному. Для повышения снижения затрат энергии необходимо обеспечить минимальную длительность импульса приложенного напряжения, при котором напряжение снимается сразу после пересечения промежутка стримерной зоной разряда. Кроме того, необходимо обеспечить отсутствие пробоя разрядного промежутка.

Авторы работы поставили перед собой цель добиться дополнительного снижения энергозатрат на примере очистки выбросов специфических загрязняющих атмосферу веществ 1 и 2 классов опасности, отходящих от стационарных источников, электрофизическими способами. Однако создание оптимальных источников высокого напряжения (ВН) на 100-300 кВ для очистки газов, необходимых для питания реакционных камер, остается актуальной задачей.

Целью работы является определение особенностей влияния импульсной стримерной короны на процесс очистки газов от вредных выбросов при использовании кабельного генератора с наносекундными импульсами и выбор энергетических характеристик конверсии оксидов газов в поле коронного разряда, с учетом снижения потребляемой энергии от генератора.

В процессе исследований применялся стримерный разряд при повышенных средних напряженностях электрического поля в реакционной камере (Лк), имеющей коаксиальную конструкцию (с электродной системой игла-плоскость, причем на игле отрицательный потенциал). Для получения импульсов требуемой длительности использовался кабельный генератор, выполненный по схеме Блюмляйна (рис.2), а для зарядки использовался регулируемый высоковольтный источник питания постоянного тока типа ВИП-04 (можно любой переносной источник ВН, собранный по схеме умножения), положительный выход которого заземляется, а отрицательный -подключается шаровому разряднику Р2.

В качестве коммутаторов Р1—Р2 могут быть использованы вентильные, трехэлектродные или многозазорные воздушные разрядники. На рис.3 показан экспериментальный генератор импульсных напряжений (ГИН) с шаровыми разрядниками. При расстоянии между электродами 2-3 мм разрядники работают устойчиво с частотой повторения импульсов до 103 Гц. Наличие емкостных связей между промежуточными электродами разрядников Р1 и Р2 обеспечивает синхронное срабатывание обоих разрядников. Для выполнения кабельного генератора по схеме рис.2 были использованы кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110кВ, имеющие волновое сопротивление около 35 Ом,

Согласно работам [4-5] в реакционную камеру возможно введение энергии за один импульс прямоугольной формы до 1 кДж/м3 при напряженности 12 кВ/см. Наши экспериментальные исследования показали, что слишком большая величина вводимой энергии в зону конверсии газов является неоправданной. Также появляются возможности уменьшения величины средней напряженности электрического поля и, соответственно, напряжения источника питания.

Анализ имеющихся литературных данных [5] свидетельствует, что при постоянных значениях напряжений на разрядной камере и и токе I может быть принята следующая экстраполяция:

I = р

где Ео - начальная напряженность стримерного разряда при условии пересечения стримерами промежутка; р - электрическая проводимость (1/Ом) камеры.

Рис.3. Экспериментальный ГИН с шаровыми разрядниками

Для дальнейших оценок примем: Ео = 5 кВ/см и р = 6-10-4 1/Ом. Отметим, что при Е < 5кВ/см, например при Е = 2-3 кВ/см и малом радиусе провода, наблюдается стримерный разряд, однако он существует лишь вблизи коронирующего провода, стримеры не пересекают промежуток между электродами камеры.

Так как энергия, потребляемая от ГИН за время ? равна Ж = [//?, можно ввести оптимальную величину энергии в реакционную камеру:

->2

Ж =

Ер(Е - Е0 ) Я

Согласно литературным данным [2,5] скорость развития стримеров V слабо зависит от времени и напряжения. Считая ее постоянной, можно получить энергию, внедренную в камеру радиусом Я и длиной I.

В наших исследованиях были изготовлены различные реакционные камеры диаметром от 3,5 до 7,5 см, длиной от 0,12 до 0,23 м, с электродной системой «игла-плоскость» при варьировании таких параметров импульсов, как амплитуда, частота и

2

длительность. Из выражения (2), после деления на объем камеры пЯ I, определится значение плотности внедренной удельной энергии Жуд :

=РЕ1Е-М.

Как видно, энергия, внедренная в единицу объема камеры до момента пересечения стримерами разрядного промежутка, не зависит от ее радиуса и длины. Из последней формулы следует, что для увеличения Жуд необходимо выбирать

предельно высокую напряженность Е. Результаты опытов, с использованием изготовленного ГИНа, показали возможность создания режимов пересечения стримерного разряда между электродами при низких напряженностях (Е = 25 ^ 30 кВ/см) без перехода в искровую стадию. Причем удельная энергия Жуд,

которую можно ввести за один короткий импульс в реакционную камеру установки при энергетических показателях Е = 10 кВ/см и V = 2 мм/нс, составит Жуд ~ 150 Дж/м3.

V

Реализация стримерного разряда с оптимальными параметрами и повышением частоты следования импульсов позволит, по крайней мере, на порядок повысить производительность установки при той же удельной введенной в газ энергии, что согласуется с данными, опубликованными в работе [4] .

Выводы

1. Применение кабельных генераторов импульсных напряжений повышает эффективность и производительность установок для очистки газов от оксидов азота, серы и других экологически вредных примесей в реакционных камерах. Процесс конверсии оксидов углерода, серы и азота в поле коронного разряда, в частности в стримерной зоне импульсного наносекундного разряда, представляет собой завершенный процесс очистки.

2. В качестве источника импульсных напряжений целесообразно использовать кабельный генератор с наносекундными импульсами (15-25-10 с). Длина реакционной камеры или суммарная длина параллельно включенных камер выбирается из условия обеспечения работы генератора на согласованную нагрузку камеры.

Summary

This paper discusses the prospects of development of power sources for purification of gases from environmental contaminants. The paper presents the dynamics of pollutant emissions into the atmosphere in the Republic of Tatarstan. The authors offer the simplest gas cleaning technology with low energy consumption, using a pulse generator.As a source of pulsed voltage generator proposed cable with nanosecond pulses.

Keywords: dynamics of gas emissions in the Republic of Tatarstan, cable pulse generator, choice of energy conversion characteristics of the oxide - gas.

Литература

1. Masuda S., NakaoH. Control of NOXby Positive and Negative Pulsed Corona Discharges // Rec. IEEE/IAS. 1986. Ann. Conf. P. 1173 - 1182.

2. Кужекин И.П., Мусагалиев С.Г., Подгорнов Д.Л.Характеристики импульсного коронного разряда, применяемого для очистки газов // Информационные материалы центра «Озон». 1994. Вып. 3. С. 4 - 12.

3. Characteristics of nanosecond corona discharge in air / I.P. Kuzhekin, S.G. Goncharov, ST. Musagaliev, D.L. Podgornov // 9th International Symposium on High Voltage Engineering. Graz. 1995. P. 2159, 1 -4.

4. Dinelly G., Civitano L., Rea M.Industrial Experiments on Pulse Corona Simultaneous Removal of NOX and SO2 from Flue Gas // IEEE Transactions on Industry Applications. 1990. Vol. 26. №3. P. 533 - 539.

5. Оптимизация параметров электрофизических установок для очистки воздуха от экологически вредных газообразных примесей / А.З. Понизовский, Л.З. Понизовский, А.А. Абрамов и др. // Электротехника. 1993. №3. С. 59 -67.

Поступила в редакцию 28 июня 2012 г.

Валеев Ильгиз Миргалимович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 2867215. E-mail: ilgizvaleev@yandex.ru.

Подрезов Александр Николаевич - аспирант кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 8548160. E-mail: Alex_in_USA@mail.ru.