沿面放電等離子體氧化單質汞的影響因素

王豆豆，婁 靜，張 碩，安久濤，李 杰，張 華

(1．山東理工大學 資源與環境工程學院，山東 淄博 255049； 2.大連理工大學 靜電與特種電源研究所，遼寧 大連 116024； 3.青州市方元環境影響評價服務有限公司，山東 青州 262500)

燃煤電廠向大氣中排放的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物(NOx)和重金屬汞等大氣污染物[1- 2]對生態環境和人類健康造成嚴重危害[3]。汞由于其易生物累積、難以捕捉且持久性強等特點備受社會關注。

燃煤電廠汞排放形式主要有3種：單質汞(Hg0)，二價汞化合物(Hg2+)和顆粒汞(Hgp)[4]，其中 Hg0占總汞的比例較大，約為66%～94%[5]。汞的形態決定了它們具有不同的理化性質。Hg2+和Hgp可被下游的除塵設備、濕法脫硫裝置等系統脫除；而Hg0由于具有難溶于水且易揮發的特點，很難被除塵設備和脫硫裝置捕捉，幾乎全部被外排。因此，單質汞脫除成為煙氣中汞處理技術的研究重點。

目前，汞排放控制技術主要包括吸附劑(活性炭粉末、飛灰、鈣基吸附劑等)脫汞[6]、催化氧化脫汞[7]以及放電等離子體脫汞等。由于能夠產生物化效應[8]及活性物質，放電等離子體在污染物控制[9-10]和氧化汞[11-13]方面受到學者的極大關注。Wang等[14]比較了正直流電暈放電和負直流電暈放電對單質汞氧化的影響，發現在相同能量密度情況下，正直流放電氧化單質汞的效率達到98%，而負直流放電大約40 %。 Ko等[15]利用介質阻擋放電研究HCl的存在對氧化單質汞的影響，發現：HCl的存在極其有利于單質汞的氧化。以上文獻[14- 15]屬于直接氧化即煙氣直接經過等離子體區域，沿面放電等離子活性物質噴射技術作為間接氧化技術的一種，氧化單質汞能夠實現大流量含汞煙氣凈化和降低處理成本[16]。在沿面放電活性物質噴射技術氧化單質汞過程中，反應器結構參數和載氣參數的變化作為基本的影響因素均能影響反應器能量和活性物質的變化。基于此，本文考察了反應器結構參數和載氣參數對反應器能量密度和單質汞氧化特性的影響。此外，本文研究了活性物質噴射聯合濕法脫硫系統脫汞的效率。

1 實驗裝置和方法

本文實驗系統主要由配氣系統、沿面放電反應器和測汞儀3部分組成，實驗裝置示意圖如1所示。

在活性物質噴射體系中，模擬煙氣總流量為27 L/min，噴射氣體的流量為1.2 L/min或1.6 L/min。汞發生裝置是由U型玻璃管、汞滲透管(VICI Metronics, Inc. USA)和恒溫水浴鍋3部分組成。等離子體反應器由高壓電極、介質和接地電極組成。高壓電極是不銹鋼絲纏繞成的彈簧，高壓電極的直徑為12 mm，高壓電極線徑大約為0.3～1.5 mm，螺距大約為3～6 mm，石英玻璃作為介質材料，外徑15 mm，壁厚1.5 mm，鋁箔緊密纏繞在石英玻璃外表面作為低壓電極，放電長度大約為50～200 mm。模擬煙道由普通玻璃加工而成，外徑45 mm，壁厚1.5 mm，長度1 000 mm，沿面放電反應器末端插入模擬煙道中大約20 mm。

圖1 實驗系統流程圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實驗所用的電源為高壓工頻電源(0～30 kV)。采用電壓-電荷李薩如(V-Q Lissajous)圖形法計算輸入到反應器的功率。利用RA915+汞測試儀測定汞濃度，模擬煙氣進入測試儀前先經過一個裝有10%KCl溶液的撞擊瓶，用于吸附煙氣中的氧化態汞。煙氣中臭氧濃度采用碘量法測定。為了模擬煙氣脫硫系統脫汞性能，實驗考察活性物質噴射體系與鈣基濕法脫硫技術相結合脫除煙氣中的汞，將1 L過飽和硫酸鈣溶液加入到2.5 L吸收瓶中吸收汞。

定義單質汞氧化率(η) 、能量密度(specific energy density，SED)和能量利用率(energy yield，EY)的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

2 實驗結果與討論

2.1 反應器結構參數的影響

2.1.1 放電長度的影響

本實驗考察了放電長度對能量密度、單質汞氧化率和臭氧濃度的影響，實驗結果如圖2和3所示。實驗條件：高壓電極線徑為1 mm，彈簧螺距為6 mm，單質汞濃度為100 μg/m3，噴射氣體流量為1.2 L/min，放電電壓為20 kV，煙氣溫度為110 ℃。

圖 2 放電長度對能量密度的影響Fig.2 Effect of the discharge length on SED

圖3 放電長度對單質汞氧化率和臭氧濃度的影響Fig.3 Effect of the discharge length on Hg0oxidation efficiency and O3 concentration

由圖2和圖3可知，當放電長度為50 mm時，能量密度為0.9 J/L，臭氧濃度為1.92 μg/ L，單質汞的氧化率僅為31.5%；而加長放電長度至200 mm時，能量密度大幅增至3.9 J/L，臭氧濃度也顯著增至8.68 μg/L，單質汞的氧化率迅速提高到81.3%。隨著放電長度的加長，注入反應器內的能量增大，反應區域內產生的活性物質大幅增多，進而有利于單質汞的氧化。因此，后續實驗選用200 mm的放電長度。

2.1.2 彈簧螺距的影響

彈簧螺距對能量密度、單質汞氧化率和臭氧濃度的影響如圖4和5所示。實驗條件：放電電壓為20 kV，單質汞濃度為100 μg/m3，高壓電極線徑為1 mm，噴射氣體流量為1.2 L/min，煙氣溫度為110 ℃。

圖 4 彈簧螺距對能量密度的影響Fig.4 Effect of screw pitch on SED

圖 5 彈簧螺距對單質汞氧化率和臭氧濃度的影響Fig.5 Effect of screw pitch on Hg0oxidation efficiency and O3 concentration

由圖4和圖5知，增大彈簧螺距，能量密度、單質汞氧化效率和臭氧濃度隨之呈現先增大后減少的趨勢。當彈簧螺距從3 mm調整到6 mm時，能量密度、單質汞氧化效率、臭氧濃度皆有所提升，分別由3.2 J/L到3.9 J/L，72.2%到81.3%，7.28 μg/L至8.68 μg/L；然而，繼續增大彈簧螺距卻不利于單質汞的氧化。其原因是較小的彈簧螺距，電極之間存在放電干擾現象，不利于活性物質的產生，致使單質汞氧化率較低；隨著彈簧螺距增大，干擾現象逐漸消失，存在最佳的放電狀態，活性物質和單質汞氧化率達到最大；繼續增大彈簧螺距，高壓電極之間存在無放電區域，導致活性物質和汞氧化率降低。綜合考慮，后續實驗選用6 mm的彈簧螺距。

2.1.3 高壓電極線徑的影響

高壓電極線徑粗細對能量密度、單質汞氧化和臭氧濃度的影響見圖6和7。實驗條件：單質汞濃度為100 μg/m3，噴射氣體流量為1.2 L/min，煙氣溫度為110 ℃，放電電壓為20 kV。

由圖6和圖7可以看出，隨著電極線徑的增粗提高了能量密度、臭氧濃度和單質汞氧化率，但是增幅趨勢越來越緩。隨著高壓電極線徑由0.3 mm增加至1.0 mm，能量密度、臭氧濃度和單質汞氧化率分別提高至3.9 J/L、8.68 μg/L和81.32%。而繼續增加至1.5 mm，能量密度、臭氧濃度和單質汞氧化率分別提高了0.3 J/L、0.3 μg/L和0.9%。隨著高壓電極線徑越粗，放電產生的場強增加，放電愈劇烈，反應器產生的活性物質增多，進而提高了單質汞的氧化。然而，繼續加粗電極線徑會造成電極之間產生一定程度地屏蔽效應，影響單質汞氧化。因此，后續實驗選用1.0 mm的高壓電極線徑。

圖 6 高壓電極線徑對能量密度的影響Fig.6 Effect of the spring wire diameter on SED

圖 7 高壓電極線徑對單質汞氧化率和臭氧濃度的影響Fig.7 Effect of spring wire diameter on Hg0 oxidation efficiency and O3 concentration

2.2 氣體參數的影響

2.2.1 單質汞初始濃度的影響

本實驗中選定的單質汞初始濃度分別為50 μg/m3，100 μg/m3和160 μg/m3，煙氣溫度為110 ℃，噴射氣體流量為1.2 L/min1，實驗結果如圖8所示。

由圖8可見，單質汞初始濃度增加導致其氧化率降低。保持能量密度不變，初始濃度為50 μg/m3時，單質汞氧化率為88.7%，而100 μg/m3和160 μg/m3時氧化率分別降少7.4%和15.6%。這是由于在注入放電反應器的能量不變(活性物質不變)的情況下，汞濃度數量的增加致使待處理的物質增多，導致汞的氧化率降低。

此外，單質汞初始濃度增加提高了反應裝置的能量利用率，單質汞初始濃度由50 μg/m3增加到160 μg/m3，能量利用率從12.3 μg/kJ增加到31.1 μg/kJ。因此，高濃度單質汞的氧化可以提高能量利用效率，但是不利于氧化率的提高。

圖8 單質汞初始濃度對單質汞氧化率的影響Fig.8 Effect of the Hg0 initial concentration on Hg0 oxidation efficiency

2.2.2 煙氣溫度的影響

本實驗考察了煙氣溫度對單質汞氧化率和臭氧濃度的影響，實驗結果見表1和圖9。實驗條件：噴射氣體流量為1.2 L/min，煙氣溫度分別為50 ℃、110 ℃和200 ℃，單質汞初始濃度為100 μg/m3。

表1 煙氣溫度對臭氧濃度的影響
Tab.1 O3concentrations under different SED and flue gas temperature

能量密度/J·L-1O3濃度/ μg·L-150 ℃110 ℃200℃2.05.825.124.423.07.447.045.643.99.168.687.22

由圖9可知，升高煙氣溫度不利于單質汞的氧化。在3.9 J/L和50 ℃情況下，單質汞的氧化率為84.3%；而升高煙氣溫度到110 ℃和200 ℃時，單質汞的氧化率分別降低了3.0%和10%。這主要是因為煙氣處于高溫環境下，加快了反應區域內臭氧的分解。

由表1看出，能量密度為3.9 J/L，煙氣溫度提高至110 ℃時，臭氧濃度從9.16 μg/L降至8.68 μg/L，而煙氣溫度升高至200 ℃時，臭氧濃度下降了1.46 μg/L。

圖 9 煙氣溫度對單質汞氧化率的影響Fig.9 Effect of flue gas temperature on Hg0 oxidation efficiency

2.3 噴射體系與濕法脫硫聯合脫除汞

本實驗初步探討了噴射體系和濕法脫硫體系聯合脫汞效果。實驗條件為：噴射氣體流量為1.6 L/min，煙氣溫度為110 ℃，單質汞初始濃度為100 μg/m3，過飽和硫酸鈣溶液，實驗結果如圖10所示。由圖可以看出，隨著能量密度的增加，Hg2+的濃度基本未變化，為0 μg/m3。因此，兩體系聯合可以實現煙氣中單質汞的去除。

圖10 噴射體系與濕法煙氣脫硫聯合脫除汞Fig.10 Hg0 removal using active species injection and wet FGD

3 結論

1)能量密度為3.9 J/L，放電長度為200 mm，彈簧螺距為6 mm，高壓電極線徑為1 mm，單質汞初始濃度為100 μg/m3，煙氣溫度為110 ℃時，單質汞氧化率高達91.3%。

2)增加放電長度和高壓電極線徑，反應器內的注入能量增大，高能電子和活性物質生成量增多，單質汞的氧化效果越好。

3)隨著初始濃度的增加，單質汞的氧化率降低，能量利用率呈相反趨勢。煙氣溫度的升高致使單質汞的氧化率和臭氧濃度降低。鈣基濕法脫硫系統能夠較好的吸附脫除噴射體系氧化的汞。