新型等离子体同时脱除多种烟气污染物净化系统

齐立强 ,史亚微

(华北电力大学环境科学与工程学院,河北保定 071003)

新型等离子体同时脱除多种烟气污染物净化系统

齐立强 ,史亚微

(华北电力大学环境科学与工程学院,河北保定 071003)

燃煤电厂烟气中各种污染物一般是混合在一起的,针对此实际情况将等离子体技术与传统静电除尘器相结合,改传统电除尘器电源为高压直流 +高频高压交流使之达到产生等离子体要求的电源,研制一种同时脱除烟气中 PM2.5～PM10和多种气体污染物的新型烟气净化系统。该系统不仅可以同时脱除多种污染物,且不产生二次废弃物,其改造和运行费用均在接受范围内,因此是一种具有应用潜力的系统。

非平衡等离子体;电除尘器;PM2.5/PM10;气体污染物;烟气净化

目前,我国大部分电厂仍然是燃煤电厂,其大气污染物主要有:颗粒污染物 PM2.5～PM10;酸性气体污染物如 SO2、NOx和 HCl;温室气体如 CO2, NxOy和 PFC等;有毒有害气体如汞等。一般情况下,这些污染物是混合在一起的。对于上述污染物的处理,采用将各种污染物分开单独脱除的方法不仅难于分开更浪费能源,故探索一种新方法,将等离子体技术与电除尘技术相结合同时脱除这些污染物。等离子体技术作为一种高效率、低能耗、使用范围广、处理量大、操作简单的环保处理新技术,已成为近年来研究的热点,应用范围不断拓宽。日本Masuda提出脉冲放电等离子体技术用于废气治理的脱硫、脱硝[1-2],至今已在 CO2治理、烟气中微量汞和其他重金属元素控制等众多领域展开研究和应用。本文改变静电除尘电源使之产生等离子体,开发具有除尘、脱硫脱硝以及汞降解等功能的系统作为下一代综合性气体清洁系统。

1 等离子体概况

等离子体是由带电的正粒子、负粒子组成的集合体,其中高能自由电子多数具有很高的活化能,使一些在极端条件下才能发生的化学反应在一般条件下发生。等离子体处理污染物的过程主要利用两种效应:一是粒子间碰撞及粒子与物相表面碰撞所产生的热使污染物分子的化学键断裂;二是离解过程中自由基与污染物分子碰撞使污染物分子的化学键断裂。其中对等离子体反应起主要作用的是非弹性碰撞,这是由于内能的变化可以引起粒子内部的许多种变化,产生如激发、电离、复合、电荷交换、电子附着等,从而引发各种化学反应。化学反应主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染气体分子浓度及共存的气体成分[3]。

产生等离子体的方法主要有:微波放电、辉光放电、高频放电、脉冲电晕放电、电子束等,上述方法产生的都是非平衡等离子体。非平衡等离子体电源的主要能量用于加速电子,分子量较大的离子基本不被加速,电子温度 (10000～250000 K)远远高于离子温度 (室温),能量利用效率较高,且较易获得。结合电除尘器已有电源的特点,我们利用电晕放电获得非平衡等离子体。电晕放电产生非平衡等离子体的必要条件是有窄脉冲电源,该电源要求在具有纳秒级的上升沿和脉冲宽度的同时,电压幅值能够在 100 kV以上,特别要求电源系统能长期 (3000～6000 h)地无故障连续工作[4]。目前电除尘器供电电源主要分为恒流源,可控硅电源,磁饱和放大器电源和脉冲电源。其中,脉冲电源是比较先进的新型电源,它不仅可在较高的脉冲电压下操作而不易过度到火花放电,而且电晕区较大,放电空间电子密度高。考虑到现有的电除尘器脉冲电源产生等离子的效率较低而大功率的纳秒级开关价格昂贵且寿命有限,我们对现有电除尘器脉冲电源进行改善,在高压直流的基础上叠加一个高频高压交流,它既具有传统直流法和窄脉冲电晕放电法产生等离子体的优点,且易于实现大功率化,成本相对低廉。

2 等离子体技术处理各种污染物的应用

2.1 脱硫脱硝的研究

等离子体脱硫脱硝技术作为一种新型、高效、低成本的技术备受关注。目前电子束法和脉冲电晕法已达到工业性试验阶段。电子束法去除 SO2总效率在95%以上,NOx去除率达 80%～85%,但由于能耗过大,设备昂贵且寿命短等原因限制了其进一步应用。之后由Masuda、Tokunaga先后提出的利用高压高频窄脉冲放电产生等离子体进行烟气脱硫脱硝,一经提出由于其能量效率至少比电子束法高两倍以上,被国内外广泛研究。

2.1.1 脉冲放电等离子体氧化加氨法

1987年 Tokunaga[5]在脉冲放电场中对 SO2和NOx同时脱除进行了试验研究。利用高压脉冲电晕,使电子产生“雪崩”效应,从而产生大量的电子(5～20 eV)。电子与周围气体分子碰撞而产生氧化性极强的·OH、O、HO2、O3等自由原子和自由基等活性物质,这些物质首先把气态的 SO2和NOx转化为高价氧化物,在有氨水注入的情况下与 SO2和NOx反应生成 (NH4)2SO4和 NH4NO3。这种方法是目前应用最多的。

脉冲电晕放电使O2、N2及 H2O等分子激活、裂解或电离,从而产生活性集团、离子和自由基等:

活性粒子与被激活的 SO2和 NOx分子发生氧化反应,当烟气中有水存在时,形成相应的酸:

在注入氨水的情况下,生成相应的铵盐,再由电除尘器收集作为肥料:

2.1.2 脉冲电晕等离子体催化协同氧化法

研究人员对低温等离子体脱硫脱硝进行了大量探索研究,发现在低电场中仅用等离子体并不能获得较理想的效果。催化剂在污染气体处理中起着举足轻重的作用,一般来说,催化剂可以起到气体分子吸附、提供活化中心、改变反应机理、静电增强等作用。燕山大学白明华[6]等人对 CuO/γ-Al2O3协同处理烟气中 SO2和 NOx的试验研究,脉冲电压为40 kV时,进口烟温为 80℃时,烟气流速为 1.3m/s时,SO2的初始浓度为 1400mg/m3,NO的初始浓度350mg/m3,SO2的去除率达到 85%以上,NOx的去除率为30%。

东南大学张欣[7]用 5A分子筛和丝光沸石强吸附剂,利用物理吸附脱除烟气中的 SO2和 NOx分子,在利用等离子体脱附,对吸附剂进行再生,同时氧化 SO2和NOx分子,取得了较好的效果。

等离子体光催化复合技术是一种新兴技术,由于活性离子和自由基气体放电时向下跃迁产生紫外光,当光子或电子的能量大于半导体禁带宽度时,会激发半导体催化剂内的电子形成电子空穴,诱导一系列的氧化反应。Katamoto等[8]利用 TiO2考查了NOx的去除效果,结果表明当反应器中引入催化剂时,NOx的去除率提高了10%～30%。

2.1.3 超高压窄脉冲电晕放电分解法

脉冲放电等离子体烟气脱硫脱硝技术要求能够提供上升前沿很陡 (<100 ns)峰值高 (>100 kV)的脉冲电源。因为上升前沿越陡,峰值越高,大部分能量用于加速电子而不加速离子,因此能量利用率越高,OH自由基产率越高,烟气脱硫脱硝效率越高。

大连海事大学沈欣军等[9]发现强电离放电过程中,每加入 100 eV能量时,它最终能发生 3个水合离子分解反应,产生 2.7个·OH,强电离放电产生OH数目高于弱电离放电 10余倍。利用强电离放电,获得满足烟气脱硫需要的高浓度·OH,实现了在120℃、不用添加催化剂、吸收剂的条件下,直接将SO2、NOx氧化成 H2SO4和 HNO3。

2.2 粉尘、飘尘的净化

一般情况下,电厂电除尘器或布袋除尘器的除尘效率高达 99.9%以上是针对总气量来说的,对于PM10～PM2.5亚微米或特细颗粒物,捕集效率还不及 50%。脉冲等离子体电除尘器对微细粉尘有较好的去除效果。其对微细粉尘的荷电作用要强于普通的电晕放电,且能量利用效率较高,粉尘荷电后就不易随气流从电除尘器中逃逸出去,即物理凝聚。等离子体可以有效地激活化学调节剂,此外等离子体氧化 SO2的产物 SO3本身也是一种调节剂,加氨产物 (NH4)2SO4不仅能提高粉尘的粘附性[10],且改善酸性灰的调质效果。SO3或硫酸借助于飞灰表面存在毛细孔的孔壁场力、静电力等作用力首先粘附于飞灰毛细孔内,继而扩展到整个飞灰表面,形成一层水膜,降低飞灰比电阻[11]。SO3电负性气体对维持负电晕持续稳定很重要,进而形成稳定的空间电荷,有利于粉尘荷电,这是粉尘捕集的必要条件。由于物理和化学吸附的作用,烟气中的飞灰或粉尘对SO2、NOx和汞的脱除有一定的促进作用,飞灰本身也脱除一部分,如果将等离子体电除尘器和湿式水膜相结合,不但可以提高亚微米粉尘的捕集效率,而且还提高 SO2、NOx和汞的脱除效率。据试验研究,其对于总颗粒物捕集效率达 99.999%。

2.3 CO2的脱除

大气中 CO2的影响占整个温室效应的 50%以上,CO2浓度每增加一倍,地球的地表温度将升高 5～6℃,而CO2又是重要的碳资源。燃煤电厂是CO2的排放大户,因此烟气中 CO2的排放控制和化学利用是科学家面临的难题。等离子体辅助 CO2的转化技术是非常有应用前景的,从 20世纪末国内外都开展了这方面的探索性研究工作,在低温等离子体辅助下,分别利用 CO2和 CH4气体,CO2和天然气等,成功实现了 CO2有价值的转化。

J.S.Chang[12]建立了利用电晕放电把 CO2转化为CO的理论模型,发现在生成 CO的同时产生 O (1D)和 O-,这些氧粒子在 CO2进一步合成更有价值的烷烃时有重要作用。

Czernichowski[13]通过试验研究发现,冷等离子体可以把 CO2和 CH4气体或 CO2和 H2S气体有效地转化成CO和H2(烷烃合成气体);且CO和H2产率在一定范围内随着电源输入功率和 CO2流量的增大而增大。

通过这种方式产生的汽油在燃烧过程中不会产生硫和其他微量元素的污染问题。Dai[14]等通过试验得知脉冲电压和放电重复频率越高,CO2和 CH4气体活化和转化能力越强,在脉冲电压为 38 kV、重复频率 88Hz、功率为 42W、CO2/CH4摩尔比为 0.5时,CO2转化率为58.8%,CH4转化率为61.1%,CO产率为 34.1%,C2烃产率为 90%。

2.4 汞脱除

汞是煤中潜在毒害微量元素中关注最多的元素之一,而燃煤是大气中汞的重要来源,汞排放的主要形式包括:气态汞元素单质汞 (Hg0),气态二价离子汞(Hg2+)和固态颗粒附着汞 Hg。Hg0由于不溶于水,且挥发性极强,是汞存在方式中相对难以脱除的部分。燃煤过程中,炉膛的温度一般在 1200～1500℃,而煤中大部分汞化合物在温度高于 800℃时都处于热不稳定状态,同时在高温下分解成较稳定的元素汞(Hg0)存在于炉内的烟气中。由于燃煤电厂的烟气量一般都较大,而其中汞蒸汽含量又相对较小,目前任何一种单独的脱汞的方法成本都较大。因此在脱除其他污染物时同时脱除汞成为研究热点,近年来非平衡等离子体用于脱除烟气中的汞也备受关注。

吴彦[15]等人对脉冲放电消除汞蒸汽进行了试验研究,发现在正常排烟温度下,汞蒸汽在窄脉冲放电场中可有效的被消除,且一定范围内气体的停留时间越长,消除量越大。目前普遍认为汞消除机理为,汞蒸汽在电晕电场中,与放电产生的氧原子和臭氧发生氧化反应,方程式如下:

唐萍[16]等人研究发现,SO2、H2O和 HCl的存在对汞蒸汽氧化具有促进作用,其反应如下:

3 新一代烟气净化系统模型

新一代等离子体—电除尘器净化系统是在原有电除尘器的基础上改造完成,节约成本。传统的烟气净化系统如图 1所示,一般依赖于煤的种类,颗粒物污染物由电除尘器或布袋除尘器去除,SO2湿法脱除,NOx选择性催化还原脱除。

图1 传统烟气净化系统

新一代烟气净化系统采用非平衡等离子体技术同时脱除 SO2和NOx等来简化此系统如图 2。考虑到燃煤电厂烟气中含尘量较高,影响后续污染物的脱除,因此我们首先设一个 1～2电场的预除尘器,然后经喷雾冷却使烟气降到等离子体适合的温度,同时喷入添加剂(NH3或碳氢化合物等)经等离子体反应后污染物被脱除,由尾电场除尘器收集反应生产的颗粒物,以进一步利用。

图2 新型烟气净化系统

4 结语

等离子体脱除多种烟气污染物是一种很有发展前途的方法,该系统具有可以同时脱硫、脱氮、脱CO2、脱汞等多种污染物;属于干法过程,不产生废渣、废液;副产品可以用作肥料;处理的烟气一般无需在加热,可直接经烟囱排入大气中等特点。由于能够同时处理多种污染物,且不需要做大的改造,它消耗的能量比单独处理任何一种污染气体所消耗的能量都要小,因此投资建设和维持运行费用会大大降低。但是目前的研究多数是对其中两种污染物的研究,同时脱除多种污染物时的最佳条件、相互作用机理及反应动力学需进一步的试验研究;长寿命、高效率、窄脉冲电源仍需进一步优化;反应器电极结构与电源匹配等仍需进一步研究。此外,多种污染物相互作用的最佳催化剂也需进一步的试验。

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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

齐立强 (1976-),男,博士,副教授,主要从事大气污染物控制技术研究工作。E-mail:qi-liqiang@163.com