利用非平衡态等离子体技术同时消除多种污染物的研究

1. 引言 由于真实烟气中含有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、颗粒物及痕量元素等污染物，为使等离子法能在实际工程中使用，从上世纪80年代起即开始了等离子体烟气脱硫、脱硝及除尘一体化技术的可行性研究。
  1985年，Ohtsuka 首先对SO2和NOX在脉冲放电场中同时脱除进行了专门的研究，结果表明反应器中的O、OH、HO2等自由基可同时将SO2和NOX氧化成SO3和NO2或（N2O5）， 当体系中有碱性物质存在时，发生异相反应生成液体或固体盐而被除去。而Musuda 等人发现脉冲电晕放电不仅可使飞灰粒子的荷质比提高2 ~ 3倍，同时又抑制反电晕的产生，因此，可达到较高的除尘效率。这就在理论上证明了开发等离子体烟气脱硫、脱硝、除尘一体化装置是可行的。
  2. 清除机理与工艺
  通过脉冲放电，产生了大量的高能电子（e）、活性离子O、OH等。该方法对污染物的处理过程分成3步：第一步是通过脉冲放电产生的活性离子对污染物进行进一步的氧化，形成更高价态的氧化物，即NO被氧化成NO2或HNO3； SO2被氧化成SO3，少量被氧化成H2SO4； Hg被氧化成HgO。为提高清除效率，第二步用氨（NH3）吸收没有氧化的SO2及NO。第三步经过一个静电湿法洗涤阶段，将上述产生的酸性气体、颗粒物及HgO洗涤干净。最后，将排出的洗涤液经回收处理后排放。
  2.1 多种污染物的氧化
  脉冲放电产生了大量的高能电子，这些电子和烟气中的O2、H2O等反应生成了活性离子O、OH等。
  O2 + e- → O + O + e-(1)
  H2O + e- → OH + H + e- (2)
  H2O + O → 2OH   (3)
  在烟气中这些自由离子氧化污染物NOX、SO2和Hg，使它们分别成为NO2、HNO3、H2SO4及HgO等形式，反应方程式为：
  SO2 + OH → HSO3  (4)
  HSO3 + O2 → HO2 + SO3  (5)
  SO3 + H2O → H2SO4(6)
  NO + HO2 → NO2 + OH  (7)
  O + NO → NO2 (8)
  OH + NO2 → HNO3 (9)
  O + Hg → HgO   (10)
  以上反应可在65-170℃范围内进行。
  2.2 氨吸收
  为进一步提高清除NOX、SO2效率，用氨吸收在上述反应器中没有氧化的NO、SO2。吸收后形成的硫酸铵及硝盐都是很好的化肥副产品。化学反应过程如下所示，即氨在水溶液中先形成氨离子，然后再和SO2反应形成HSO3、HSO3-、SO32-和H3O+离子。
  NH3 + H2O → NH4+ + OH-  (11)
  SO2 + H2O → H2SO3   (12)
  H2SO3 + H2O → HSO3- + H3O+   (13)
  HSO3- + H2O → SO32- + H3O(14)
  OH-离子和H3O+离子反应维持中性pH值：
  OH- + H3O+ → H2O(15)
  综合化学反应（11）-（14），总体SO2清除反应为：
  NH3 + H2O + SO2 → 2NH4+ + SO32-   (16)
  式（16）中产生的SO32-和NO2反应，还原NO2成N2，SO32-氧化成SO42-，如下式：
  2SO32- + NO2 → SO42- + 0.5N2   (17)
  为提高吸收效果，保证足够的SO32-浓度，通过添加适量氨来控制溶液的pH值。
  2.3 湿法洗涤
  湿法洗涤主要用于洗涤烟气中的HgO、细微颗粒物及氨吸收过程产生的副产品。
  细微颗粒物总是以气体或气溶胶的形式悬浮于废气中。颗粒大小一般有3个范围：一是直径大于10μm；二是直径大于2.5μm而小于或等于 10μm；三是超细颗粒，直径小于或等于2.5μm。其中，超细颗粒对人体危害最大。目前常用的除尘设备一般分成机械式除尘和静电除尘2类。机械式除尘一 般只适用于一级除尘，能沉降的除尘颗粒要求较大，一般要在10μm以上。传统的干式经典除尘器（ESP）的收尘效率有一个限度，特别是对于PM2.5级 的超细粉尘，传统干法ESP根本无法收集。而采用脉冲放电等离子体技术就可有效地脱除这些颗粒物。其处理机理是：通过非均匀放电，形成非平衡态等离子体， 产生的电子和离子在梯度场的作用下和烟气中的颗粒物相互碰撞并附着在这些粒子上，成为荷电粒子，经定向运动，进而被集尘板收集。处理过程表现为如下3个阶 段：
  第1阶段：   e + M → M-
  第2阶段：   M- + SP(固体颗粒)→ (SPM)-
  第3阶段：   (SPM)-- → SPM(沉积在集尘板上)
  2.4 副产品的回收
  在这种处理过程中产生的硫酸铵及硝盐可制成肥料商业出售。在废液回收过程中，灰和不溶性的金属化合物可通过过滤清除。废液通过泵输送到活性炭吸收床吸收汞，吸附剂吸附汞污染物达到饱和后，采用加热法，使温度升到300℃进行再生，纯汞加以回收。
  3. 讨论
  随着烟气净化技术的发展，世界各国都开展了同时脱除燃烧污染物技术的研究，目的是开发具有脱除效率高且费用低的新的联合脱除技术。目前大多数工艺处在开发阶段，尚未得到商业化应用。在同时脱硫脱硝方面，工业化的SO2/NOX联合脱除工艺是采用高性能石灰/石灰石烟气脱硫系统（FGD）来脱除SO2和用SCR工艺脱除NOX。该联合工艺可达到脱除90%以上的SO2和80%以上的NOX。石灰/石灰石烟气FGD属湿式工艺，SCR工艺属干式工艺。FGD和SCR采用不同技术各自独立工作，且已在日本、德国、瑞典、丹麦等国家被工业应用，但暴露出来的主要问题是SO2在SCR反应器中氧化，即在烟气中有0.02- 2% 的SO2氧化成SO3，而SO3与游离CaO和氨反应生成CaSO4和 铵盐引起催化剂表面结垢，降低了SCR脱硝率，同时会增加空气预热器和气/气换热器中的堵塞和腐蚀。因此，新的联合脱除工艺都是以寻求比FGD和SCR工 艺分开治理有更高的经济效益为目标。至今，还是很少有这样的装置在大规模应用。然而，联合脱除工艺仍在较快地发展。典型的工艺有干法和湿法：干法工艺有固 相吸收和再生法、气/固催化工艺、辐射法、碱性喷雾干燥法等；湿法工艺有氧化/吸收法、铁的螯合物吸收法等。近年来，具有处理彻底、无二次污染、费用低， 并能同时处理多种燃烧污染物的等离子体脱除技术得到了较快发展。同其它与之相竞争的方法相比，工业等离子体提供了更有利的处理方法，能在不需大量原料的情 况下达到高效清除污染物的目的。国电热工研究院张强领导的课题组，有效地将脉冲等离子体和催化转化技术有机结合起来，形成了独特的研究方法和技术路线，愿 与国内其它机构合作，联合开发，将这项技术尽快应用到实际工程中去。
  
  参考文献
  [1]  张 强．燃烧烟气中的氮氧化物（NOX）在非平衡态等离子体中分解与转化的试验研究[R]．博士后研究报告, 2001
  赵化侨．等离子体化学与工艺[M]．合肥，中国科技大学出版社，1993

不错啊! 一个字牛啊!