新型等離子體同時(shí)脫除多種煙氣污染物凈化系統(tǒng)

齊立強(qiáng) ,史亞微

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北保定 071003)

新型等離子體同時(shí)脫除多種煙氣污染物凈化系統(tǒng)

齊立強(qiáng) ,史亞微

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北保定 071003)

燃煤電廠(chǎng)煙氣中各種污染物一般是混合在一起的,針對(duì)此實(shí)際情況將等離子體技術(shù)與傳統(tǒng)靜電除塵器相結(jié)合,改傳統(tǒng)電除塵器電源為高壓直流 +高頻高壓交流使之達(dá)到產(chǎn)生等離子體要求的電源,研制一種同時(shí)脫除煙氣中 PM2.5～PM10和多種氣體污染物的新型煙氣凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以同時(shí)脫除多種污染物,且不產(chǎn)生二次廢棄物,其改造和運(yùn)行費(fèi)用均在接受范圍內(nèi),因此是一種具有應(yīng)用潛力的系統(tǒng)。

非平衡等離子體;電除塵器;PM2.5/PM10;氣體污染物;煙氣凈化

目前,我國(guó)大部分電廠(chǎng)仍然是燃煤電廠(chǎng),其大氣污染物主要有:顆粒污染物 PM2.5～PM10;酸性氣體污染物如 SO2、NOx和 HCl;溫室氣體如 CO2, NxOy和 PFC等;有毒有害氣體如汞等。一般情況下,這些污染物是混合在一起的。對(duì)于上述污染物的處理,采用將各種污染物分開(kāi)單獨(dú)脫除的方法不僅難于分開(kāi)更浪費(fèi)能源,故探索一種新方法,將等離子體技術(shù)與電除塵技術(shù)相結(jié)合同時(shí)脫除這些污染物。等離子體技術(shù)作為一種高效率、低能耗、使用范圍廣、處理量大、操作簡(jiǎn)單的環(huán)保處理新技術(shù),已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn),應(yīng)用范圍不斷拓寬。日本Masuda提出脈沖放電等離子體技術(shù)用于廢氣治理的脫硫、脫硝[1-2],至今已在 CO2治理、煙氣中微量汞和其他重金屬元素控制等眾多領(lǐng)域展開(kāi)研究和應(yīng)用。本文改變靜電除塵電源使之產(chǎn)生等離子體,開(kāi)發(fā)具有除塵、脫硫脫硝以及汞降解等功能的系統(tǒng)作為下一代綜合性氣體清潔系統(tǒng)。

1 等離子體概況

等離子體是由帶電的正粒子、負(fù)粒子組成的集合體,其中高能自由電子多數(shù)具有很高的活化能,使一些在極端條件下才能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)在一般條件下發(fā)生。等離子體處理污染物的過(guò)程主要利用兩種效應(yīng):一是粒子間碰撞及粒子與物相表面碰撞所產(chǎn)生的熱使污染物分子的化學(xué)鍵斷裂;二是離解過(guò)程中自由基與污染物分子碰撞使污染物分子的化學(xué)鍵斷裂。其中對(duì)等離子體反應(yīng)起主要作用的是非彈性碰撞,這是由于內(nèi)能的變化可以引起粒子內(nèi)部的許多種變化,產(chǎn)生如激發(fā)、電離、復(fù)合、電荷交換、電子附著等,從而引發(fā)各種化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)主要取決于電子的平均能量、電子密度、氣體溫度、污染氣體分子濃度及共存的氣體成分[3]。

產(chǎn)生等離子體的方法主要有:微波放電、輝光放電、高頻放電、脈沖電暈放電、電子束等,上述方法產(chǎn)生的都是非平衡等離子體。非平衡等離子體電源的主要能量用于加速電子,分子量較大的離子基本不被加速,電子溫度 (10000～250000 K)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子溫度 (室溫),能量利用效率較高,且較易獲得。結(jié)合電除塵器已有電源的特點(diǎn),我們利用電暈放電獲得非平衡等離子體。電暈放電產(chǎn)生非平衡等離子體的必要條件是有窄脈沖電源,該電源要求在具有納秒級(jí)的上升沿和脈沖寬度的同時(shí),電壓幅值能夠在 100 kV以上,特別要求電源系統(tǒng)能長(zhǎng)期 (3000～6000 h)地?zé)o故障連續(xù)工作[4]。目前電除塵器供電電源主要分為恒流源,可控硅電源,磁飽和放大器電源和脈沖電源。其中,脈沖電源是比較先進(jìn)的新型電源,它不僅可在較高的脈沖電壓下操作而不易過(guò)度到火花放電,而且電暈區(qū)較大,放電空間電子密度高。考慮到現(xiàn)有的電除塵器脈沖電源產(chǎn)生等離子的效率較低而大功率的納秒級(jí)開(kāi)關(guān)價(jià)格昂貴且壽命有限,我們對(duì)現(xiàn)有電除塵器脈沖電源進(jìn)行改善,在高壓直流的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)高頻高壓交流,它既具有傳統(tǒng)直流法和窄脈沖電暈放電法產(chǎn)生等離子體的優(yōu)點(diǎn),且易于實(shí)現(xiàn)大功率化,成本相對(duì)低廉。

2 等離子體技術(shù)處理各種污染物的應(yīng)用

2.1 脫硫脫硝的研究

等離子體脫硫脫硝技術(shù)作為一種新型、高效、低成本的技術(shù)備受關(guān)注。目前電子束法和脈沖電暈法已達(dá)到工業(yè)性試驗(yàn)階段。電子束法去除 SO2總效率在95%以上,NOx去除率達(dá) 80%～85%,但由于能耗過(guò)大,設(shè)備昂貴且壽命短等原因限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。之后由Masuda、Tokunaga先后提出的利用高壓高頻窄脈沖放電產(chǎn)生等離子體進(jìn)行煙氣脫硫脫硝,一經(jīng)提出由于其能量效率至少比電子束法高兩倍以上,被國(guó)內(nèi)外廣泛研究。

2.1.1 脈沖放電等離子體氧化加氨法

1987年 Tokunaga[5]在脈沖放電場(chǎng)中對(duì) SO2和NOx同時(shí)脫除進(jìn)行了試驗(yàn)研究。利用高壓脈沖電暈,使電子產(chǎn)生“雪崩”效應(yīng),從而產(chǎn)生大量的電子(5～20 eV)。電子與周?chē)鷼怏w分子碰撞而產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的·OH、O、HO2、O3等自由原子和自由基等活性物質(zhì),這些物質(zhì)首先把氣態(tài)的 SO2和NOx轉(zhuǎn)化為高價(jià)氧化物,在有氨水注入的情況下與 SO2和NOx反應(yīng)生成 (NH4)2SO4和 NH4NO3。這種方法是目前應(yīng)用最多的。

脈沖電暈放電使O2、N2及 H2O等分子激活、裂解或電離,從而產(chǎn)生活性集團(tuán)、離子和自由基等:

活性粒子與被激活的 SO2和 NOx分子發(fā)生氧化反應(yīng),當(dāng)煙氣中有水存在時(shí),形成相應(yīng)的酸:

在注入氨水的情況下,生成相應(yīng)的銨鹽,再由電除塵器收集作為肥料:

2.1.2 脈沖電暈等離子體催化協(xié)同氧化法

研究人員對(duì)低溫等離子體脫硫脫硝進(jìn)行了大量探索研究,發(fā)現(xiàn)在低電場(chǎng)中僅用等離子體并不能獲得較理想的效果。催化劑在污染氣體處理中起著舉足輕重的作用,一般來(lái)說(shuō),催化劑可以起到氣體分子吸附、提供活化中心、改變反應(yīng)機(jī)理、靜電增強(qiáng)等作用。燕山大學(xué)白明華[6]等人對(duì) CuO/γ-Al2O3協(xié)同處理煙氣中 SO2和 NOx的試驗(yàn)研究,脈沖電壓為40 kV時(shí),進(jìn)口煙溫為 80℃時(shí),煙氣流速為 1.3m/s時(shí),SO2的初始濃度為 1400mg/m3,NO的初始濃度350mg/m3,SO2的去除率達(dá)到 85%以上,NOx的去除率為30%。

東南大學(xué)張欣[7]用 5A分子篩和絲光沸石強(qiáng)吸附劑,利用物理吸附脫除煙氣中的 SO2和 NOx分子,在利用等離子體脫附,對(duì)吸附劑進(jìn)行再生,同時(shí)氧化 SO2和NOx分子,取得了較好的效果。

等離子體光催化復(fù)合技術(shù)是一種新興技術(shù),由于活性離子和自由基氣體放電時(shí)向下躍遷產(chǎn)生紫外光,當(dāng)光子或電子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí),會(huì)激發(fā)半導(dǎo)體催化劑內(nèi)的電子形成電子空穴,誘導(dǎo)一系列的氧化反應(yīng)。Katamoto等[8]利用 TiO2考查了NOx的去除效果,結(jié)果表明當(dāng)反應(yīng)器中引入催化劑時(shí),NOx的去除率提高了10%～30%。

2.1.3 超高壓窄脈沖電暈放電分解法

脈沖放電等離子體煙氣脫硫脫硝技術(shù)要求能夠提供上升前沿很陡 (<100 ns)峰值高 (>100 kV)的脈沖電源。因?yàn)樯仙把卦蕉?峰值越高,大部分能量用于加速電子而不加速離子,因此能量利用率越高,OH自由基產(chǎn)率越高,煙氣脫硫脫硝效率越高。

大連海事大學(xué)沈欣軍等[9]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)電離放電過(guò)程中,每加入 100 eV能量時(shí),它最終能發(fā)生 3個(gè)水合離子分解反應(yīng),產(chǎn)生 2.7個(gè)·OH,強(qiáng)電離放電產(chǎn)生OH數(shù)目高于弱電離放電 10余倍。利用強(qiáng)電離放電,獲得滿(mǎn)足煙氣脫硫需要的高濃度·OH,實(shí)現(xiàn)了在120℃、不用添加催化劑、吸收劑的條件下,直接將SO2、NOx氧化成 H2SO4和 HNO3。

2.2 粉塵、飄塵的凈化

一般情況下,電廠(chǎng)電除塵器或布袋除塵器的除塵效率高達(dá) 99.9%以上是針對(duì)總氣量來(lái)說(shuō)的,對(duì)于PM10～PM2.5亞微米或特細(xì)顆粒物,捕集效率還不及 50%。脈沖等離子體電除塵器對(duì)微細(xì)粉塵有較好的去除效果。其對(duì)微細(xì)粉塵的荷電作用要強(qiáng)于普通的電暈放電,且能量利用效率較高,粉塵荷電后就不易隨氣流從電除塵器中逃逸出去,即物理凝聚。等離子體可以有效地激活化學(xué)調(diào)節(jié)劑,此外等離子體氧化 SO2的產(chǎn)物 SO3本身也是一種調(diào)節(jié)劑,加氨產(chǎn)物 (NH4)2SO4不僅能提高粉塵的粘附性[10],且改善酸性灰的調(diào)質(zhì)效果。SO3或硫酸借助于飛灰表面存在毛細(xì)孔的孔壁場(chǎng)力、靜電力等作用力首先粘附于飛灰毛細(xì)孔內(nèi),繼而擴(kuò)展到整個(gè)飛灰表面,形成一層水膜,降低飛灰比電阻[11]。SO3電負(fù)性氣體對(duì)維持負(fù)電暈持續(xù)穩(wěn)定很重要,進(jìn)而形成穩(wěn)定的空間電荷,有利于粉塵荷電,這是粉塵捕集的必要條件。由于物理和化學(xué)吸附的作用,煙氣中的飛灰或粉塵對(duì)SO2、NOx和汞的脫除有一定的促進(jìn)作用,飛灰本身也脫除一部分,如果將等離子體電除塵器和濕式水膜相結(jié)合,不但可以提高亞微米粉塵的捕集效率,而且還提高 SO2、NOx和汞的脫除效率。據(jù)試驗(yàn)研究,其對(duì)于總顆粒物捕集效率達(dá) 99.999%。

2.3 CO2的脫除

大氣中 CO2的影響占整個(gè)溫室效應(yīng)的 50%以上,CO2濃度每增加一倍,地球的地表溫度將升高 5～6℃,而CO2又是重要的碳資源。燃煤電廠(chǎng)是CO2的排放大戶(hù),因此煙氣中 CO2的排放控制和化學(xué)利用是科學(xué)家面臨的難題。等離子體輔助 CO2的轉(zhuǎn)化技術(shù)是非常有應(yīng)用前景的,從 20世紀(jì)末國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了這方面的探索性研究工作,在低溫等離子體輔助下,分別利用 CO2和 CH4氣體,CO2和天然氣等,成功實(shí)現(xiàn)了 CO2有價(jià)值的轉(zhuǎn)化。

J.S.Chang[12]建立了利用電暈放電把 CO2轉(zhuǎn)化為CO的理論模型,發(fā)現(xiàn)在生成 CO的同時(shí)產(chǎn)生 O (1D)和 O-,這些氧粒子在 CO2進(jìn)一步合成更有價(jià)值的烷烴時(shí)有重要作用。

Czernichowski[13]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),冷等離子體可以把 CO2和 CH4氣體或 CO2和 H2S氣體有效地轉(zhuǎn)化成CO和H2(烷烴合成氣體);且CO和H2產(chǎn)率在一定范圍內(nèi)隨著電源輸入功率和 CO2流量的增大而增大。

通過(guò)這種方式產(chǎn)生的汽油在燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生硫和其他微量元素的污染問(wèn)題。Dai[14]等通過(guò)試驗(yàn)得知脈沖電壓和放電重復(fù)頻率越高,CO2和 CH4氣體活化和轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng),在脈沖電壓為 38 kV、重復(fù)頻率 88Hz、功率為 42W、CO2/CH4摩爾比為 0.5時(shí),CO2轉(zhuǎn)化率為58.8%,CH4轉(zhuǎn)化率為61.1%,CO產(chǎn)率為 34.1%,C2烴產(chǎn)率為 90%。

2.4 汞脫除

汞是煤中潛在毒害微量元素中關(guān)注最多的元素之一,而燃煤是大氣中汞的重要來(lái)源,汞排放的主要形式包括:氣態(tài)汞元素單質(zhì)汞 (Hg0),氣態(tài)二價(jià)離子汞(Hg2+)和固態(tài)顆粒附著汞 Hg。Hg0由于不溶于水,且揮發(fā)性極強(qiáng),是汞存在方式中相對(duì)難以脫除的部分。燃煤過(guò)程中,爐膛的溫度一般在 1200～1500℃,而煤中大部分汞化合物在溫度高于 800℃時(shí)都處于熱不穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)在高溫下分解成較穩(wěn)定的元素汞(Hg0)存在于爐內(nèi)的煙氣中。由于燃煤電廠(chǎng)的煙氣量一般都較大,而其中汞蒸汽含量又相對(duì)較小,目前任何一種單獨(dú)的脫汞的方法成本都較大。因此在脫除其他污染物時(shí)同時(shí)脫除汞成為研究熱點(diǎn),近年來(lái)非平衡等離子體用于脫除煙氣中的汞也備受關(guān)注。

吳彥[15]等人對(duì)脈沖放電消除汞蒸汽進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在正常排煙溫度下,汞蒸汽在窄脈沖放電場(chǎng)中可有效的被消除,且一定范圍內(nèi)氣體的停留時(shí)間越長(zhǎng),消除量越大。目前普遍認(rèn)為汞消除機(jī)理為,汞蒸汽在電暈電場(chǎng)中,與放電產(chǎn)生的氧原子和臭氧發(fā)生氧化反應(yīng),方程式如下:

唐萍[16]等人研究發(fā)現(xiàn),SO2、H2O和 HCl的存在對(duì)汞蒸汽氧化具有促進(jìn)作用,其反應(yīng)如下:

3 新一代煙氣凈化系統(tǒng)模型

新一代等離子體—電除塵器凈化系統(tǒng)是在原有電除塵器的基礎(chǔ)上改造完成,節(jié)約成本。傳統(tǒng)的煙氣凈化系統(tǒng)如圖 1所示,一般依賴(lài)于煤的種類(lèi),顆粒物污染物由電除塵器或布袋除塵器去除,SO2濕法脫除,NOx選擇性催化還原脫除。

圖1 傳統(tǒng)煙氣凈化系統(tǒng)

新一代煙氣凈化系統(tǒng)采用非平衡等離子體技術(shù)同時(shí)脫除 SO2和NOx等來(lái)簡(jiǎn)化此系統(tǒng)如圖 2?？紤]到燃煤電廠(chǎng)煙氣中含塵量較高,影響后續(xù)污染物的脫除,因此我們首先設(shè)一個(gè) 1～2電場(chǎng)的預(yù)除塵器,然后經(jīng)噴霧冷卻使煙氣降到等離子體適合的溫度,同時(shí)噴入添加劑(NH3或碳?xì)浠衔锏?經(jīng)等離子體反應(yīng)后污染物被脫除,由尾電場(chǎng)除塵器收集反應(yīng)生產(chǎn)的顆粒物,以進(jìn)一步利用。

圖2 新型煙氣凈化系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

等離子體脫除多種煙氣污染物是一種很有發(fā)展前途的方法,該系統(tǒng)具有可以同時(shí)脫硫、脫氮、脫CO2、脫汞等多種污染物;屬于干法過(guò)程,不產(chǎn)生廢渣、廢液;副產(chǎn)品可以用作肥料;處理的煙氣一般無(wú)需在加熱,可直接經(jīng)煙囪排入大氣中等特點(diǎn)。由于能夠同時(shí)處理多種污染物,且不需要做大的改造,它消耗的能量比單獨(dú)處理任何一種污染氣體所消耗的能量都要小,因此投資建設(shè)和維持運(yùn)行費(fèi)用會(huì)大大降低。但是目前的研究多數(shù)是對(duì)其中兩種污染物的研究,同時(shí)脫除多種污染物時(shí)的最佳條件、相互作用機(jī)理及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究;長(zhǎng)壽命、高效率、窄脈沖電源仍需進(jìn)一步優(yōu)化;反應(yīng)器電極結(jié)構(gòu)與電源匹配等仍需進(jìn)一步研究。此外,多種污染物相互作用的最佳催化劑也需進(jìn)一步的試驗(yàn)。

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Next generation integrated plasma and electrostatic precipitator for flue gas cleaning systems

Generally,various pollutants in coal-fired power p lant flue gas are m ixed together.Based on the actual situation,plasm a technology w ill be com bined w ith tradit ional electrostatic precipitator,which change the traditional electro static precipitator power supply for high-vo ltage DC +high-frequency high-voltage AC so that the power requirements for producing plasm a,to develop a s imultaneous removal from flue gas PM2.5～PM10 and a variety of gaseous pollutants of new flue gas cleaning system.The system is notonly at the same t ime removing multiple pollutants,but also does not produce secondary waste.Its transform ing and operating costs are w ithin the framework of accep ted,so is a kind of potential applications system.

non-ther m alplasm a;electro static precipitat ion;PM2.5/PM10;gaseous pollutants;gas cleaning

X701

B

1674-8069(2011)03-019-04

2010-10-09;

2011-05-02

齊立強(qiáng) (1976-),男,博士,副教授,主要從事大氣污染物控制技術(shù)研究工作。E-mail:qi-liqiang@163.com