CN1562445A - 流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法。该方法利用正极性高压电源产生流光放电等离子体，与传统的除尘法、湿式石灰石—石膏法、旋转喷雾干燥法、氨法烟气脱硫等配合，收集烟气中的烟尘，氧化烟气中的NOX、SO2、H2S、HCl、二噁英、重金属等污染物，在有中和剂、吸收剂的情况下被吸收或吸附，在使用氨中和剂时，NOX、SO2氧化吸收后，形成副产物硝酸铵、硫酸铵复合化肥。本方法可应用于电力、建材、冶金、化工、轻工、电子、医疗、固体废弃物处理等行业锅炉或焚烧炉烟气污染物的综合治理。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气净化方法，属于环境保护领域，更具体地说，涉及一种将烟气中的多种污染物(烟尘、SO2、NOX、H2S、HCl、二噁英、Hg等)同时净化的方法。
技术背景
传统的烟气净化采用多种方法串联组合，在各串联单元中分别对不同污染物进行净化处理，最后达到净化烟气中多种污染物的目的。迄今为止，尚未见利用单一方法对烟气污染物进行综合治理的报道。在传统的烟气净化过程中，烟尘去除主要采用旋风除尘器、电除尘器和布袋除尘器等除尘设备，SO2净化主要采用湿式石灰—石膏、碱吸收、炉内喷钙净化设备，而NOX净化则主要采用氨选择性催化还原设备。由于各设备相互独立，因而整套烟气净化系统庞大，设备投资及运行费用高、关键技术及材料需要进口。而对烟气中的其它污染物，如二噁英、Hg等，则还没有合适的方法对其进行净化处理。
流光放电等离子体在过去15年中进行了大量的研究，被许多人认为是下一代的烟气净化技术，流光放电等离子体的最大特点是可对多种污染物进行同步净化处理。广东杰特科技发展有限公司所公开的专利及目前正在审查的专利，包括ZL01275466.8、ZL02208830.X、ZL0208828.8、ZL02208831.8、ZL02208829.6、ZL02233527.7、ZL02116300.6、02153179.X、PCT/CN03/00189、200410039564.2等，为实现流光放电等离子体烟气污染物同步净化提供了基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种流光放电等离子体烟气净化方法。更具体地说，是在分析现有烟气除尘、脱硫、脱硝和其它有害气体脱除技术的基础上，提出一种与烟气中存在的多种污染物(烟尘、SO2、NOX、H2S、HCl、二噁英、Hg等)相适宜的，能实现多种污染物同步净化的技术和方法，以便在投资和运行费用相对较低的前提下，实现烟气的全面净化。
本发明提供的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法是通过以下方案实现的：一种流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，该方法利用正极性高压电源产生流光放电等离子体制成等离子体反应器，其特征在于：该等离子体反应器与常用的除尘法、湿式石灰石—石膏法、旋转喷雾干燥法、氨法烟气脱硫等配合，收集烟气中的粉尘；氧化烟气中的NOx、SO2、H2S、HCl、二噁英、重金属等污染物，在有中和剂、吸收剂的情况下被吸收或吸附；在使用氨中和剂时，NOx、SO2氧化吸收后，形成副产物硝酸铵、硫酸铵复合化肥。
所述正极性高压电源的供电方式包括直流叠加单极性脉冲、直流叠加高频交流、直流叠加混频或直流叠加交流，上述供电方式可为连续、也可为间歇的。
对高比电阻烟尘，在常规电除尘器前段或中段加设流光放电等离子体反应器，使烟气中的NOx、SO2氧化成N2O5、HNO3、SO3和H2SO4，调节烟尘比电阻达到108-1010Ω.cm范围，还可增设加湿手段。
在湿式石灰石—石膏法、旋转喷雾干燥法、氨法烟气脱硫的基础上，设置流光放电等离子体反应器作为前或后处理措施，也可同时使用，能同步实现脱硫、脱硝及去除重金属，等离子体反应器可为湿式，也可为干式。
所述流光放电等离子体氨法烟气净化过程包括除尘器除尘、等离子体氧化、循环吸收液或副产物回收；待处理烟气首先进入除尘器除尘，然后进入等离子体反应器进行氧化处理，再由循环液吸收氧化为副产物，采用氨作吸收剂时，氨可在烟道、反应器内部、各串联反应器之间位置加入，也可直接加到循环液中。
所述高压电源采用正极性直流叠加脉冲供电时，直流基压为20-150kV，一般选40-50kV，脉冲电压为1-100kV，一般选12-50kV，脉冲频率为10Hz-50kHz，一般选3kHz-6kHz；所述高压电源采用正极性直流叠加低频交流及高频单极性脉冲即混频供电时，直流及低频交流电压的峰值在20kV-150kV范围，一般选40kV-50kV，脉冲电压为1kV-100kV，一般选2kV-50kV，低频的交流电压频率为100HZ-120Hz，高频单极性脉冲的频率为10Hz-50kHz一般选3kHz-6kHz；所述高压电源采用正极性直流叠加高频交流供电时，直流基压为20kV-100kV，常采用的频率为10kHz-20kHz，电压峰值小于200kV，交流峰-峰电压为1kV-100kV。
本发明提供的流光放电等离子体烟气污染同步净化方法，与传统方法相比，有如下的有益效果：
1.可实现烟气多种污染物的同步净化
与传统电除尘器相比，主要区别在于传统电除尘器采用负极性的辉光放电，本技术采用正极性的流光放电使烟尘荷正电除去。将传统电除尘器的负极性供电电源改为正极性供电电源，则传统电除尘器便近似成为流光放电等离子体净化器。由于流光放电比负极性的辉光放电有更高的放电功率密度和离子密度，因而流光放电等离子体除尘比传统的电除尘有更高的除尘效率。另外，流光放电等离子体的氧化性是负电晕放电的几千倍，NOX、SO2被氧化，并与烟气中所含水分结合形成硝酸、硫酸气溶胶，使得流光放电等离子体可同时除去灰尘、NOX、SO2等。
与电除尘相比，电除尘—袋式除尘组合具有更高的除尘效率。与袋式除尘相比，电除尘—袋式除尘组合的成本更低，因而工业应用前景更佳。但目前的电除尘—袋式除尘组合只起除尘作用，未能对有害气体进行有效控制。本发明所公开的流光放电等离子体式电除尘—袋式除尘方法中，在流光放电等离子体反应器内，烟气中的NOX和SO2被氧化，继而转化成酸雾或盐，达到即可除尘又可除去有害气体的目的。
迄今为止，工业应用最广的烟气脱硫方法是湿式石灰石——石膏法。系统主要由石灰石浆液制备，SO2吸收，石膏回收等系统组成。由于烟气中的NOX主要以NO形式存在，湿式石灰石—石膏法对NOx几乎没有净化作用。该法虽然对氧化态汞有一定的净化效果，但对元素汞的净化效率几乎为零，对HCl的吸收也很有限。
本发明提供的流光放电等离子体强化湿式石灰石—石膏法净化烟气是使烟气首先经电除尘器除尘，然后进入流光放电等离子体反应器，NO氧化为NO2，而NO2与水作用形成HNO3，由于NO2的吸收系数远大于NO，而HNO3几乎100％溶于水。于是，在流光放电等离子体作用下，NOX氧化且在吸收塔中吸收。另外，部分SO2氧化成易被水吸收的SO3。液相中的亚硫酸根与吸收的NO2产生的酸反应，生成正硫酸根离子，实现副产物的氧化。与此同时，Hg及其它重金属在等离子体的作用下得到氧化，氧化物在吸收塔中吸收。采用二段等离子体反应器处理，目的是提高吸收剂的利用效果，部分未能反应的吸收剂在第二段等离子体反应器中作为中和剂，同时脱硫脱硝。
2.节省占地、投资和运行费用
在传统的烟气净化系统中，烟尘去除主要采用旋风除尘器、电除尘器和布袋除尘器等除尘设备，SO2净化主要采用湿式石灰石—石膏、碱吸收、炉内喷钙净化设备，而NOX净化则主要采用氨选择性催化还原设备。由于各设备相互独立，因而整套净化系统庞大、占地面积大、设备投资及运行费用高、关键技术及材料需要整套进口。
本发明只需要在传统的方法前面或后面增设流光放电等离子体预处理及后处理，便可达到对烟气进行综合治理目的。这种方法所需设备不仅占地面积小，而且在投资和运行费用相对较低的情况下，能实现烟气的综合净化。
附图说明
图1直流叠加单(正)极性脉冲连续式供电电压波形；
图2直流叠加单(正)极性脉冲间歇式供电电压波形；
图3直流叠加混频连续式供电电压波形；
图4直流叠加混频间歇式供电电压波形；
图5交直流叠加连续式供电电压波形；
图6交直流叠加间歇式供电电压波形；
图7交直流叠加混频连续式供电电压波形；
图8交直流叠加混频间歇式供电电压波形；
图9流光放电等离子体反应器除尘净化示意图；
图10流光放电等离子体反应器调质，电除尘器一体化示意图；
图11流光放电等离子体反应器、电除尘器及袋式除尘器一体化示意图；
图12流光放电等离子体反应器预处理型石灰石—石膏法烟气净化示意图；
图13流光放电等离子体反应器预处理及后处理型石灰石—石膏法烟气净化示意图；
图14流光放电等离子体反应器预处理及后处理型旋转喷雾干燥法烟气净化示意图；
图15改进型流光放电等离子体反应器联合旋转喷雾干燥法烟气净化示意图；
图16一体式除尘、流光放电等离子体半湿法烟气净化示意图；
图17流光放电等离子体半湿法联合氨法烟气净化示意图；
图18流光放电等离子体半湿法联合氨法烟气净化强化吸收示意图。
具体实施方式
实施例1：流光放电等离子体烟尘净化
高频脉冲电源通过交-直-交的变换方式，将输入的380V交流信号变换为10kHz-15kHz的高频脉冲，利用可控硅整流器实现DC/AC的变换，场效应半导体功率模块组成的逆变器实现DC/AC的逆变过程，并通过脉冲变压器为反应器供电，如采用图1直流叠加正极性脉冲连续式供电，直流基压为50kV；脉冲电压为50kV，脉冲频率为6kHz。与以往的窄脉冲供电相比，最大区别在于直流基压高于直流起晕电压，对脉冲的输出要求不再有上升时间、脉宽的限制。脉冲电压的变化率大于200V/μs，可产生较好的流光放电等离子体。此供电方式也可采用如图2所示的直流叠加正极性脉冲间歇式供电，供电方式与图1相似，将连续式改为间歇式供电。两种供电方式相比，后者的最大优点是在同等电压条件下，可任意调功，便于实现大功率等离子体的发生，工业应用更灵活。
图9是利用流光放电等离子体去除烟尘的示意图。由燃烧锅炉5排出待处理烟气进入流光放电等离子体反应器8中，正极性流光放电高压电源1产生的正极性直流叠加单极性脉冲电流通过高压电源的输出端子2和反应器高压输入端子7进入正极性高压电极3，产生流光放电等离子体，对进入反应器8内的烟尘进行净化，由于正极性流光放电比负极性的辉光放电有更高的放电功率密度和离子密度，因而流光放电除尘比传统的电除尘有更高的除尘效率，另外，流光放电等离子体的氧化性是负电晕放电的几千倍，NOX、SO2被氧化，并与烟气中所含水分结合形成硝酸、硫酸气溶胶，使得流光放电等离子体可同时除去灰尘、NOx和SO2等，净化后的烟气通过烟囱6排入大气，除去的灰尘进入灰斗9。
实施例2：流光放电等离子体烟气调质
燃烧低硫煤时，烟尘的比电阻较高(＞1010Ω.cm)，使传统的电除尘器经常发生反电晕，除尘效率低下。目前，解决高比电阻烟尘排放的技术有袋式除尘器，脉冲或间歇式供电电除尘器及烟气调质，常用的调质剂有SO3和NH3。
事实上，工业电除尘器通常采用多电场(3-5)，利用本专利所公开的流光放电等离子体发生技术可把传统的电除尘器改为等离子体反应器或复合式电除尘器，如图10所示，将传统电除尘器第一电场的供电电源改为正极性流光放电电源，该电源的供电方式如图3所示，图3是一种直流叠加低频交流及高频单极性脉冲即直流叠加混频连续式供电方式，与图4所示的供电方式相似，直流及低频交流电压的峰值选40kV；脉冲电压为12kV，低频交流的峰值电压、频率可任意设定，高压单极性脉冲电压的特性参数也可任意设定，二电压可设计为相关性或随机性，低频交流频率为100Hz，高频单极性脉冲的频率为6kHz，也可采用如图4所示的直流叠加混频间歇式供电方式。
燃烧锅炉5排出待处理烟气进入等离子体反应器8中，对其烟尘净化过程如实施例1所述。随后，初步净化后的烟气进入负极性电除尘器14中，负高压电除尘器电源10产生负极性高压电流通过电源输出端子11和电除尘器高压输入端子12进入阴极高压电极13，使烟尘荷负电，由于存在双极性的荷电方式，加速了烟尘的凝集，增大了烟尘的平均粒径。与此同时，烟气中NOX和SO2在流光放电等离子体作用下氧化，并与烟气中所含水分结合形成硝酸、硫酸气溶胶，吸附在灰尘表面，达到与加入NH3或SO3一样的调质效果，提高除尘效率，除去的灰尘分别由流光放电等离子体反应器的出灰口9和电除尘器出灰口15排出。除第一电场外，流光放电等离子体反应器也可设在第三或第四电场，根据实际需要进行组合。
实施例3：流光放电等离子体式电除尘-袋式除尘烟气净化
与电除尘相比，电除尘—袋式除尘组合具有更高的除尘效率，与袋式除尘相比，电除尘—袋式除尘组合的成本更低，因而工业应用前景更佳，但目前的电除尘—袋式除尘组合只起除尘作用，未能对有害气体进行有效控制。图11公开了一种流光放电等离子体式电除尘—袋式除尘方法。烟气首先进入传统电除尘器14，去除较大的烟尘颗粒，从电除尘器14排出的烟气进入第二段流光放电等离子体反应器8，在电除尘器14及流光放电等离子体反应器8之间可设置加湿设施，降低烟温，也可添加NH3。在流光放电等离子体反应器8内，烟气中的NOX和SO2被氧化，继而转化成酸雾或盐。第三段为袋式除尘器16，用于收集较细的烟尘和在流光放电等离子体反应器8内形成的副产物。以上除尘过程所除去的灰尘，分别由电除尘器出灰口15、流光放电反应器出灰口9和布袋除尘器出灰口17排出。
对风量较小的烟气净化，系统可设计为立式，对大风量的烟气净化可采用卧式结构。
上述流光放电等离子体反应器8所采用的供电方式如图5所示，图5是一种已公开的直流叠加高频交流的供电方式(参见ZL01275466.8和ZL02208830.X)，采用的频率为10kHz、电压峰值小于200kV，基压20kV，交流峰一峰电压为1kV。也可采用如图6所示的供电方式，该供电方式与图5的区别是前者为连续式的，后者为间歇式的。
实施例4：流光放电等离子体强化湿式石灰石—石膏法烟气净化
图12和图13为流光放电等离子体强化湿式石灰石—石膏法烟气净化示意图，烟气首先经电除尘器14除尘，然后进入流光放电等离子体反应器8，NO氧化为NO2，而NO2与水作用形成HNO3，由于NO2的吸收系数远大于NO，而HNO3几乎100％溶于水。于是，在流光放电等离子体作用下，NOX氧化且在吸收塔18中被吸收，其吸收过程是：位于烟气吸收塔18底部的循环液22经过循环液驱动泵21进入循环液喷头20，喷出的液体与从吸收塔18下部进入的烟气发生反应，生成副产物并由副产物出口24排出，净化后的烟气通过位于吸收塔18上部的除雾器19除雾后，由烟囱6排出，当循环液不足时，由补充循环液入口23补充。另外，部分SO2氧化为易被水吸收的SO3，液相中的亚硫酸根与吸收的NO2产生的酸反应，生成硫酸根离子，实现副产物的氧化。与此同时，Hg及其它重金属在等离子体的作用下得到氧化，氧化物在吸收塔18中吸收。与图12相比，图13采用二段等离子体反应器8处理，目的是提高吸收剂的利用效果，部分未能反应的吸收剂在第二段等离子体反应器8中作为中和剂，同时脱硫脱硝。
事实上，上述流光放电等离子体强化方法不仅适用于石灰石—石膏法，也适用于其它湿式烟气净化方法，如双碱法、氨法、氧化镁法等。在传统的方法前面或后面增设流光放电等离子体预处理及后处理，便可达到对烟气进行综合治理的目的。
上述流光放电等离子体反应器8所采用的供电方式如图7所示，它是一种直流叠加低频及高频交流即直流叠加混频连续式的供电方式，直流基压50kV，低频交流电压频率为120Hz，高频交流电压频率为20kHz。也可采用如图8所示的供电方式，它与图7的供电方式除了将连续式改为间歇式以外，其余相同。
实施例5：流光放电等离子体强化喷雾干燥法烟气净化
与湿式石灰石—石膏法相比，喷雾干燥法烟气脱硫具有更好的经济性，而且操作简便。喷雾干燥法是将吸收剂高速旋转喷入高温烟气，在雾滴水分蒸发、吸收液干燥的同时，达到对SO2的吸收，常用的吸收液是含Ca2+、或NH4 +的化合物。图14为在传统的喷雾干燥烟气净化系统的前面和后面各加一段流光放电等离子体反应器8，与前述湿式石灰石—石膏法一样，所采用的流光放电等离子体反应器8不仅可起到同时净化NOX、SO2、Hg等作用，而且可提高吸收剂的利用率。该装置的工作过程是：锅炉5排出的烟气首先经过电除尘器14除尘后，烟尘落入电除尘器出灰口15，净化后的烟气进入流光放电等离子体反应器8，进一步除尘，烟尘落入流光放电反应器出灰口9，同时烟气中NOX、SO2、Hg等得到净化，净化后的烟气由喷雾干燥烟气净化器32的下部进入，净化器32的上方设置有吸收剂贮罐26和吸收剂雾化系统25，使吸收剂自上而下喷入，并且与自下而上的烟气进行反应，生成的副产物进入设置在净化器32底部的副产物贮罐27内，净化后的烟气由净化器32上侧排出，并进入另一个流光放电等离子体反应器8内，经过再净化的烟气由烟囱6排入大气。
图15为一改进型流光放电等离子体反应器联合旋转喷雾干燥法烟气净化系统，与图14所示系统主要不同点是，做为预处理的流光放电等离子体反应器8设置在喷雾干燥烟气净化器32之中和循环液为含亚硫酸铵及亚硫酸氢铵的混合液。放电等离子体不仅氧化SO2和NOX，而且将液体中的亚盐氧化为正盐。(参见ZL02116300.6、02153179.x、PCT/CN03/00189和200410039564.2)。位于喷雾干燥烟气净化器32后面的流光放电等离子体反应器8的上方设置氨贮罐29，在等离子体反应器8的上、下方设置有循环液贮罐，循环液22为含有亚硫酸铵及亚硫酸氢铵的混合液，循环液22通过驱动泵21和循环液流量控制器28经雾化系统25和循环液喷头20分可分别输送到喷雾干燥烟气净化器32中及其后置的流光放电等离子体反应器8中。流光放电等离子体反应器8不仅氧化SO2和NOX，而且将液体中的亚盐氧化为正盐。
实施例6：一体式除尘、流光放电等离子体半湿法烟气净化
流光放电等离子体反应器的电极结构同传统的电除尘结构相似，等离子体反应器同电除尘器容易集合为一体，因此开发一体式流光放电等离子体半湿法烟气净化系统可大幅度降低成本。图16公开了一种一体式除尘、流光放电等离子体半湿法烟气净化系统，烟气首先经电除尘器14除尘，然后依次通过前置流光放电等离子体反应段8、热化学反应段及后置流光放电等离子体反应段8，进入烟囱6排入大气。含(NH4)2SO3和NH4NO2的循环液分别由三台套循环泵21、流量控制器28和喷头20送入各反应段中，并继而氧化为副产物(NH4)2SO4和NH4NO3混合肥干粉，进入前置反应段8底部的副产物贮罐27内。
实施例7：流光放电等离子体半湿法联合氨法烟气净化
氨法脱硫的副产物硫酸铵有较好的市场价值，对于传统的氨法脱硫系统，也可用此公开的技术改造。图17为在传统氨法脱硫系统前、后各设置一流光放电等离子体反应器，不仅可解决传统氨法存在的氨泄漏，亚盐氧化不充分等问题，而且可同时除尘、脱硝，实现烟气综合净化。当同时采用氨循环液及氨气强化吸收过程时，如图18所示，氨气可从吸收塔18前的氨喷头30喷入烟道，也可从其它位置喷入。反应器中的喷雾可采用顶喷、侧喷等。在烟气净化吸收塔18上方循环液贮罐的一侧安装有循环水罐31，经补充循环液入口23用以补充循环液22。
图17、18所示的烟气净化系统中，烟气吸收塔18的前置流光放电等离子体反应器8除担负脱除SO2、NOX、氧化亚盐外还承担着除尘；常规的烟气吸收塔18中的除尘器19在本系统中可不设置吸收塔18的后置流光放电等离子体反应器8，除担负脱除SO2、NOX、氧化亚盐外还承担着除雾、防止氨泄露，使经烟囱6排入大气的烟气中含氨低于国家标准5PPm的限制。
本净化系统适用于净化燃油烟气系统，如用于净化燃煤烟气系统时，可在前置反应器8中加设除尘段，或对反应器出口9的副产物或烟尘进行分选。
Claims (6)
1.一种流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，该方法利用正极性高压电源产生流光放电等离子体制成等离子体反应器，其特征在于：该等离子体反应器与常用的除尘法、湿式石灰石-石膏法、旋转喷雾干燥法、氨法烟气脱硫等配合，收集烟气中的粉尘；氧化烟气中的NOx、SO2、H2S、HCl、二噁英、重金属等污染物，在有中和剂、吸收剂的情况下被吸收或吸附；在使用氨中和剂时，NOx、SO2氧化吸收后，形成副产物硝酸铵、硫酸铵复合化肥。
2.根据权利要求1所述的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，其特征在于：所述正极性高压电源的供电方式包括直流叠加单极性脉冲、直流叠加高频交流、直流叠加混频或直流叠加交流，上述供电方式可为连续、也可为间歇的。
3.根据权利要求1所述的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，其特征在于：对高比电阻烟尘，在常规电除尘器前段或中段加设流光放电等离子体反应器，使烟气中的NOx、SO2氧化成N2O5、HNO3、SO3和H2SO4，调节烟尘比电阻达到108-1010Ω·cm范围，还可增设加湿手段。
4.根据权利要求1所述的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，其特征在于：在湿式石灰石-石膏法、旋转喷雾干燥法、氨法烟气脱硫的基础上，设置流光放电等离子体反应器作为前或后处理措施，也可同时使用，能同步实现脱硫、脱硝及去除重金属，等离子体反应器可为湿式，也可为干式。
5.根据权利要求1所述的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，其特征在于：所述流光放电等离子体氨法烟气净化过程包括除尘器除尘、等离子体氧化、循环吸收液或副产物回收；待处理烟气首先进入除尘器除尘，然后进入等离子体反应器进行氧化处理，再由循环液吸收氧化为副产物，采用氨作吸收剂时，氨可在烟道、反应器内部、各串联反应器之间位置加入，也可直接加到循环液中。
6.根据权利要求1或2所述的流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法，其特征在于：所述高压电源采用正极性直流叠加脉冲供电时，直流基压为20-150kV，一般选40-50kV，脉冲电压为1-100kV，一般选12-50kV，脉冲频率为10Hz-50kHz，一般选3kHz-6kHz；所述高压电源采用正极性直流叠加低频交流及高频单极性脉冲即混频供电时，直流及低频交流电压的峰值在20kV-150kV范围，一般选40kV-50kV，脉冲电压为1kV-100kV，一般选2kV-50kV低频的交流电压频率为100Hz-120Hz，高频单极性脉冲的频率为10Hz-50kHz，一般选3kHz-6kHz；所述高压电源采用正极性直流叠加高频交流供电时，直流基压为20kV-100kV，常采用的频率为10kHz-20kHz，电压峰值小于200kV，交流峰-峰电压为1kV-100kV。
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