流光電暈放電凈化粗燃?xì)饨褂图胺蹓m研究進(jìn)展*

謝建軍，徐 彬，4，陰秀麗?，吳創(chuàng)之，閆克平

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，杭州 310028）

流光電暈放電凈化粗燃?xì)饨褂图胺蹓m研究進(jìn)展*

謝建軍1，2，3，徐 彬1，2，3，4，陰秀麗1，2，3?，吳創(chuàng)之1，2，3，閆克平5

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，杭州 310028）

研究焦油及粉塵的高效凈化方法對推動生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。流光電暈放電過程產(chǎn)生的O、H、OH等活性自由基可有效裂解燃?xì)庵械慕褂皖愑袡C(jī)物分子，在直流基壓上疊加窄脈沖電壓則可實現(xiàn)粉塵的荷電及高效氣-固分離，是一種較有應(yīng)用前景的粗燃?xì)鈨艋椒?。筆者對流光電暈放電凈化粗燃?xì)饨褂图胺蹓m的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了該過程的裂解焦油/除塵機(jī)理、研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵科學(xué)問題，并提出了一種基于電旋風(fēng)等離子體反應(yīng)器的焦油及粉塵同時凈化方法。最后針對生物質(zhì)氣化粗燃?xì)鈨艋^程中的瓶頸問題，簡要?dú)w納了其研究重點(diǎn)。

生物質(zhì)氣化；流光電暈放電；粗燃?xì)鈨艋唤褂?；粉塵

0　 引 言

生物質(zhì)氣化是得到生物質(zhì)基粗燃?xì)廨^有效的轉(zhuǎn)化手段之一，可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位的氣體燃料。粗燃?xì)饧瓤捎糜诠I(yè)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供氣、工業(yè)采暖供熱，又可為合成液體燃料、燃料電池等過程提供氣源。該技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、污染物排放低、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，已引起了國內(nèi)外的廣泛重視，是可再生能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-4］。

基于不同反應(yīng)器型式及操作參數(shù)變化，生物質(zhì)氣化得到的粗燃?xì)夂袛?shù)量不等的焦油和粉塵，典型常壓氣化得到的粗燃?xì)饨M成及含量如表1所示［5］。焦油被定義為分子量大于苯的有機(jī)污染物［6-8］；粉塵包含飛灰、床料及未燃盡殘?zhí)浚?］。兩者的危害可概括為［6］：①增加氣體凈化處理難度與復(fù)雜程度；②輕質(zhì)焦油溶于洗滌水可致水體污染（如酚），可形成結(jié)晶堵塞閥門及發(fā)電設(shè)備（如萘），其它重質(zhì)焦油在 350℃以下發(fā)生冷凝可堵塞內(nèi)燃機(jī)中間冷卻器；③焦油酸性組分可腐蝕內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)氣缸；④應(yīng)用于F-T合成或燃料電池等場合，可導(dǎo)致催化劑表面積碳、失活，需要頻繁再生并增加更換成本；⑤降低系統(tǒng)氣化效率和能源利用效率。

不同合成氣用戶對氣源的質(zhì)量要求如表 2所示。對比表1可見，生物質(zhì)氣化得到的粗產(chǎn)品氣必須經(jīng)過深度凈化后才能加以利用。因此，研究新型的焦油及粉塵脫除技術(shù)無論對推動生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展還是促進(jìn)生物質(zhì)基粗燃?xì)獾挠行Ю枚季哂兄匾饬x，目前國內(nèi)外研究人員都在積極探索經(jīng)濟(jì)、有效的焦油及粉塵脫除技術(shù)。

表1　典型常壓氣化爐生物質(zhì)基粗燃?xì)饨M成及含量［5］Table 1 Components and contents of biomass derived syngas from typical atmospheric gasifier［5］

表2　不同用戶對合成氣的質(zhì)量要求［5，9-10］Table 2 Overall cleanliness requirements for syngas with different customers［5，9-10］

1　 焦油凈化

1.1常用焦油凈化方法

焦油凈化技術(shù)主要有以下幾種［11-16］：①物理去除。物理去除包括干式和濕式凈化兩種方式，常用設(shè)備有旋風(fēng)分離器、布袋除塵器、文丘里洗滌器、靜電除塵器、噴淋塔等，實驗表明物理去除方式在凈化粉塵的同時，對焦油也有一定的脫除作用。但通常而言這些設(shè)備對焦油的脫除都不徹底，需要與其他焦油裂解設(shè)備聯(lián)用才能達(dá)到較好的效果。②熱裂解。熱裂解是指反應(yīng)溫度為900℃以上的焦油高溫分解，在裂解焦油的同時可產(chǎn)生熱穩(wěn)定性更高的大分子物質(zhì)，并生成少量的煙炱。由于該過程需要升溫粗產(chǎn)品氣，因而存在能耗較高的缺點(diǎn)，并且熱裂解過程中會燃燒掉一部分可燃?xì)?，從而犧牲了粗燃?xì)獾臒嶂?。③催化裂解。爐內(nèi)或爐外催化裂解使焦油低溫裂解成為可能，并且焦油成分被選擇性地裂解為輕質(zhì)氣體，因而可增加粗燃?xì)獾臒嶂?；但存在催化劑表面結(jié)焦、壽命短、機(jī)械強(qiáng)度低易碎等不足。

1.2流光電暈凈化焦油

非熱平衡等離子體技術(shù)是近年來氣體凈化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［7，12，17-23］，廣泛用于煙氣脫硫與脫硝、脫除 VOC、脫除二噁英及凈化室內(nèi)空氣等。該技術(shù)對污染物的降解遵循下述機(jī)理：①高能電子與背景氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞，產(chǎn)生O、OH、H等活性自由基；②前述自由基與氣態(tài)污染物分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

正極性流光放電技術(shù)［24］屬于非熱平衡等離子體技術(shù)的一種，放電過程中以正離子團(tuán)為電子崩頭的流光頭向負(fù)極發(fā)展，它們的軌跡形成一個正負(fù)離子混合的流光通道。在流光發(fā)展過程中，流光頭表面的強(qiáng)電場引發(fā)電子雪崩，激發(fā)的高能電子能量可達(dá)10 ～ 12 eV，這些高能電子是氣體電暈放電化學(xué)效應(yīng)的根源，足以激發(fā)氣體中H2O和O2等發(fā)生電離產(chǎn)生O、OH、H等自由基。目前廣泛使用的同步式流光放電等離子體系統(tǒng)是基于50 ～ 500 ns的短脈沖電源開發(fā)的，主要的開關(guān)器件為火花式和磁壓縮式。2003年NAIR等［25］和PEMEN等［26］將流光電暈等離子體應(yīng)用于生物質(zhì)基燃?xì)饨褂蛢艋?，他們采?0 kV脈沖電壓，100 ns的脈沖寬度，50 Pulses/s的脈沖頻率，氣體流量為240 Nm3/h，反應(yīng)溫度不超過250℃，在直徑25 cm、長3 m的電暈反應(yīng)器內(nèi)，實驗研究萘、甲苯、苯酚的降解能耗情況，并提出等離子體脫除焦油的基元化學(xué)反應(yīng)機(jī)理［26-28］：

這里M指背景氣體，R代表自由基，X是焦油分子，A、B、C則代表中間物種，k1～ k4是反應(yīng)速率常數(shù)，作者根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)出反應(yīng)速率方程式。實驗結(jié)果表明，以 N2為背景氣，焦油裂解所需能量密度為200 ～ 400 J/L，以粗燃?xì)猓ńM成：20%CO，12%CO2，17%H2，1%CH4，其余為 N2）為背景氣的能量密度為400 ～ 600 J/L［25］，而后者的能量密度經(jīng)換算相當(dāng)于生物質(zhì)氣化發(fā)電總輸出電能的20%［28］，這說明等離子體氣體凈化技術(shù)能耗較大，且背景氣體組成對焦油脫除能耗影響很大。研究還發(fā)現(xiàn)，粗燃?xì)夂兴謺r，在相同的能量密度下焦油脫除率比不含水分時更高［25］，這意味著等離子體輔助水蒸氣重整可更有效地脫除焦油。而同樣條件下當(dāng)背景氣體含有CO2和H2時將不利于焦油裂解，作者把這些由于粗燃?xì)饨M成帶來的不利影響歸結(jié)于自由基湮滅反應(yīng)；反之，水蒸氣的存在有利于產(chǎn)生OH自由基，而后者正是引發(fā)焦油裂解反應(yīng)的活性物種之一［29］。在上述實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，NAIR等［28］提出“旋風(fēng)除塵+流光電暈除焦油+布袋過濾器除塵+纖維過濾器除塵”多級串聯(lián)的粗燃?xì)鈨艋夹g(shù)方案。

相比傳統(tǒng)污染物脫除技術(shù)，低溫運(yùn)行是非熱平衡等離子體技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)反應(yīng)都可在常溫或略高于常溫條件下進(jìn)行，這歸因于自由基活性物種良好的化學(xué)反應(yīng)活性，但是取決于應(yīng)用場合，為使某一過程達(dá)到最佳的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)和最優(yōu)的轉(zhuǎn)化率，有必要對反應(yīng)器進(jìn)行加熱。比如脈沖電暈同時脫硫脫硝，反應(yīng)在60℃時更有利；用于VOC脫除則在300℃以上溫度條件下進(jìn)行；進(jìn)行CH4部分氧化重整反應(yīng)時，取決于所使用催化劑的性能，反應(yīng)溫度甚至可高達(dá)600 ～ 900℃。因此，為了提高等離子體凈化焦油的能量效率及脫除率，將能耗降低到生物質(zhì)氣化發(fā)電輸出電能的5%以內(nèi)（對應(yīng)能量密度約為 100 J/L），借以提高等離子體裂解焦油的經(jīng)濟(jì)性顯得很有必要。于是NAIR等［30］對流光電暈等離子體反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn)，使反應(yīng)器最高操作溫度可達(dá)800℃，作者采用線-筒式不銹鋼等離子體反應(yīng)器，內(nèi)置3 mm高壓電極，接地電極直徑為160 mm，在6 ～ 12 m/s操作氣速下，當(dāng)能量密度為100 J/L時，發(fā)現(xiàn)將反應(yīng)溫度從200℃升高至400℃，以N2為背景氣體的萘脫除率從50%上升到95%。由此推斷高溫流光電暈等離子體系統(tǒng)不但可以提高電能轉(zhuǎn)化效率，還能增加反應(yīng)器內(nèi)O自由基產(chǎn)率。

通過比較不同溫度條件下的萘脫除率，NAIR等［31］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn) 200℃、400℃、500℃時萘脫除率隨能量密度的增加分別呈現(xiàn)指數(shù)、雙指數(shù)、直線函數(shù)形式上升的規(guī)律。因此他們認(rèn)為焦油凈化反應(yīng)隨溫度變化遵從不同的裂解機(jī)理：200℃時僅流光電暈裂解比較顯著；大于 200℃時流光電暈裂解和熱裂解起共同作用，并且高溫下會產(chǎn)生更多的O自由基，有利于發(fā)生自由基裂解焦油反應(yīng)。但同時，他們發(fā)現(xiàn)溫度高于600℃時反應(yīng)器內(nèi)可生成大量的H自由基，后者反而導(dǎo)致部分被裂解的萘分子與H重新化合生成萘，因此造成萘脫除率降低和能量消耗增加。所以，從能耗及脫除率的角度考慮，反應(yīng)溫度并非越高越好。優(yōu)化的實驗結(jié)果表明：以粗燃?xì)鉃楸尘皻怏w，400℃下萘脫除率達(dá)90% ～ 95%時所需能量密度為200 ～ 250 J/L，即300 ～ 500℃是較優(yōu)的萘脫除溫度區(qū)間，巧合的是氣化爐出口氣體溫度正好位于這個溫度窗口。

上述同步式流光電暈等離子體雖然在煙氣脫硫、粗燃?xì)鈨艋阮I(lǐng)域被廣泛研究［32］，但迄今很少見有工業(yè)應(yīng)用的案例［17，33］，主要原因是缺乏可工業(yè)應(yīng)用的大功率脈沖高壓電源、耗能較高、存在ns級窄脈沖電源開關(guān)價格昂貴且壽命短的缺點(diǎn)。為進(jìn)一步降低設(shè)備制造成本，YAN等［17］和NAIR等［34］通過改進(jìn)等離子電源裝置并采用適當(dāng)?shù)碾姌O結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種基于高頻交直流疊加電源的隨機(jī)式等離子體系統(tǒng)，即在一定的直流基壓上疊加一定頻率和峰值的交流電壓（AC/DC），以此產(chǎn)生穩(wěn)定的流光電暈。由于電源全部采用半導(dǎo)體開關(guān)器件，所以價格僅為窄脈沖電源開關(guān)的10% ～ 20%。AC/DC電源參數(shù)如表3所示。

表3　AC/DC電源參數(shù)［17］Table 3 Parameters of AC/DC power［17］

NAIR等［34］在90%N2+10%CO2氣氛里比較了同步式脈沖電暈和隨機(jī)式AC/DC流光電暈的萘脫除率，結(jié)果表明：為了達(dá)到90% ～ 95%的萘分解率，200℃時隨機(jī)式等離子體所耗能量要顯著低于同步式；但當(dāng)溫度升高至300℃時兩者的能耗幾乎相同（125 ～ 175 J/L）；并且如果要求萘分解率超過95%，AC/DC流光電暈等離子體反而需要更大的能量密度（＞200 J/L）。由于作者只進(jìn)行了有限的4組實驗，因此沒有針對上述現(xiàn)象給出明確的合理解釋；但基于高溫下線性自由基湮滅反應(yīng)占主導(dǎo)地位的事實，他們推測反應(yīng)溫度高于300℃時兩者的能耗將大致相等。NAIR等的研究表明：AC/DC隨機(jī)式流光電暈具有與同步式流光電暈大致相同的能量轉(zhuǎn)換效率，但他并沒有進(jìn)行真實粗燃?xì)鈿夥障碌腁C/DC流光電暈萘脫除實驗，并且受限于高溫下電場擊穿的潛在風(fēng)險，作者也未進(jìn)行300℃以上的萘脫除實驗。

ZHANG等［35］采用AC/DC流光電暈等離子體裝置考察了入口濃度、相對濕度對空氣中苯乙烯脫除率的影響。實驗發(fā)現(xiàn)脫除苯乙烯的能耗隨入口濃度上升而增加，為了達(dá)到90%的苯乙烯脫除率，當(dāng)相對濕度為32%，苯乙烯入口濃度90 ～ 100 ppm、942 ～ 1 000 ppm時所需能量密度分別為42 J/L和215 J/L。等離子體輔助水蒸氣重整可更有效地凈化焦油［25，29］，ZHANG等［35］的實驗進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)增加體系相對濕度可導(dǎo)致苯乙烯脫除率下降，作者通過宏觀反應(yīng)動力學(xué)分析后指出系統(tǒng)濕度較高時自由基的湮滅效應(yīng)傾向更加顯著，這也意味著所需能量密度會更高。

2　 粉塵凈化

2.1常用除塵方法

旋風(fēng)分離器是常見的粉塵去除裝置，其對粒徑20 μm以上大顆粒的去除率大于95%，但隨粉塵粒徑變小，去除率急劇下降［5，12］。有研究表明，以木頭為原料采用固定床氣化工藝，粗燃?xì)庵辛? μm以下的顆粒可占到總顆粒質(zhì)量分率的 75%左右［5］。因此為提高除塵效率，實際應(yīng)用中往往采用多級旋風(fēng)串聯(lián)的方式。為了強(qiáng)化對5μm以下粉塵的捕捉效果，通常會在下游安裝濕式洗滌器、布袋、電除塵器等設(shè)備。濕式洗滌器一般采用水為介質(zhì)，因而操作溫度低于 100℃，這對于下游的內(nèi)燃機(jī)或重整反應(yīng)器來講必然會損失氣體顯熱。布袋除塵器操作溫度略高且能過濾粒徑0.5 ～ 100 μm的顆粒，但受限于過濾布料材質(zhì)，操作溫度一般在 250℃以下，這顯然不利于處理同時含有焦油、粉塵的生物質(zhì)基粗燃?xì)?，因為重質(zhì)焦油凝結(jié)在布袋表面后極難通過振打、反吹的方式清除［9］。陶瓷過濾器可在600 ～ 800℃高溫下操作并取得較好的生物質(zhì)基粗燃?xì)膺^濾效果［36-37］，然而存在造價昂貴且易破損的缺點(diǎn)。靜電除塵器的工作原理是利用高壓電場使煙氣發(fā)生電離并使粉塵荷電，在電場力的作用下實現(xiàn)粉塵與煙氣分離，對20 μm以下尤其是小于5 μm的顆粒具有高達(dá)95% ～ 99%的去除率。但用于生物質(zhì)基粗燃?xì)夥蹓m凈化，焦油粉塵容易附著在集塵電極上，隨著粉塵層增厚造成電荷累積，形成局部電場排斥后續(xù)粉塵沉積，產(chǎn)生反電暈和二次揚(yáng)塵，因而使除塵效率嚴(yán)重下降［5，12］。

2.2流光電暈除塵

由于靜電除塵存在耗能高且易發(fā)生反電暈現(xiàn)象，因此研究者們提出了脈沖-直流電暈除塵的構(gòu)思［9，17，21，32，38-43］，其原理是在直流基壓上疊加窄脈沖電壓。寧成等［38］通過分析粉塵在高壓脈沖-直流電場內(nèi)的荷電機(jī)理，認(rèn)為該過程可分兩個階段：①在加脈沖電壓階段，高壓脈沖產(chǎn)生的流注貫穿極間延伸到覆蓋高電阻率粉塵層的收集電極，在流注尖端和粉層絕緣層之間形成一個局部高電場，可觸發(fā)高電阻率粉塵層的擊穿，釋放掉層上積聚的電荷以保持粉塵層表面的電中性。②在脈沖消失階段，反應(yīng)器內(nèi)只存在直流基壓形成的直流電場，原流注留下的正電荷由此直流電場驅(qū)使移向收集電極，形成離子電流并給氣流中的粉塵荷電。

姜雨澤等［43］通過計算脈沖-直流電暈除塵的荷電過程表明：在脈沖放電期內(nèi)，電子運(yùn)動速度快，具有的能量遠(yuǎn)大于離子，所以荷電為電子俘獲荷電，而離子基本不動，仍保持熱平衡狀態(tài)，離子荷電可以不考慮；脈沖期過后，數(shù)量上正離子多于負(fù)離子，負(fù)離子被迅速復(fù)合，這時候正離子荷電成為主導(dǎo)。因此與靜電除塵器所采用的直流電暈比較，脈沖流光電暈可明顯提高粉塵荷電量，尤其粒徑為2.5 μm以下小顆粒的荷電量增加明顯。

駱仲泱等［21］采用脈沖-直流電暈技術(shù)在小試平臺上考察了脈沖電壓、脈沖頻率、粉塵初始濃度對粒徑為0.01 ～ 1 μm粉塵脫除率的影響，試驗表明在25 ～ 53 kV脈沖峰值電壓下，粉塵脫除效率隨脈沖電壓上升而增加，脫除率約為80% ～ 98%，但0.2 μm顆粒的除塵效率最低，原因是此粒徑的顆粒電子荷電和正離子荷電處于同等重要的位置，因此凈荷電量最低。在僅有直流收塵時，1 μm顆粒的脫除率僅為50%；當(dāng)加上脈沖電壓，亞微米粉塵的脫除效率上升到90%左右，作者推測是被正離子荷電的亞微米顆粒與被電子荷電的大顆粒在庫侖力的作用下發(fā)生碰撞凝并，使顆粒粒徑變大，從而很容易被收集。實驗還發(fā)現(xiàn)由于可能出現(xiàn)的電暈閉塞，粉塵濃度增加可導(dǎo)致除塵效率逐漸減少。

這些研究表明脈沖-直流電暈的除塵機(jī)理是基于：①高壓脈沖階段利用局部畸變電場觸發(fā)粉塵層擊穿而抑制反電暈；②脈沖消失階段利用正離子給粉塵荷電并經(jīng)直流基壓形成的電場驅(qū)動粉塵向收塵極運(yùn)動。

3　 焦油與粉塵同時凈化思路

3.1關(guān)鍵科學(xué)問題分析

生物質(zhì)基粗燃?xì)鈨艋奶厥庑耘c復(fù)雜性在于：①有別于廢氣凈化，背景氣體即粗燃?xì)獗仨毣厥?，即凈化過程不能降低粗燃?xì)鈫挝惑w積熱值或 H2/CO摩爾比；②焦油、粉塵等污染物同時存在于粗燃?xì)庵校瑢⑺鼈兎珠_進(jìn)行處理必然掣肘于另一種污染物凈化過程：比如先除塵后凈化焦油方案，只能采用可保持焦油存在形式為氣態(tài)的高溫除塵，并且除塵過程中的反吹氣體流量不宜過大，否則會降低粗燃?xì)鉄嶂担挥直热绮捎孟却呋呀饨褂驮俪龎m方案，則面臨粉塵在催化劑表面不斷沉積的問題。

前人研究表明［25，28，30］，在生物質(zhì)氣化發(fā)電總輸出電能5% ～ 10%的能耗條件下，流光電暈等離子體可實現(xiàn)焦油模型化合物有效裂解；但為了脫除生物質(zhì)氣化粗燃?xì)庵蟹蹓m，研究者不得不采用多個反應(yīng)器串聯(lián)的形式，將焦油凈化和粉塵脫除分開在不同的反應(yīng)器里實現(xiàn)。這種技術(shù)方案雖然可實現(xiàn)較高的焦油、粉塵凈化水平，但設(shè)備投資偏大。中國科學(xué)院廣州能源研究所在生物質(zhì)氣化方面的研究開展較早，圍繞發(fā)電、合成二甲醚、制備低碳醇、替代燃油、燃?xì)飧G爐等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了諸多嘗試，粗燃?xì)鈨艋恢笔窃擁椉夹g(shù)應(yīng)用的瓶頸問題之一?，F(xiàn)階段依托“十二五”國家科技支撐項目，在粗燃?xì)忪o電除塵、高溫陶瓷過濾除塵、焦油溶劑溶解、焦油高溫催化裂解、粗燃?xì)馑催^濾等方面有一定的研究積累。從國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀來看，上述將焦油、粉塵分而治之的工藝方案均難以維持長時間運(yùn)行，其根本原因在于焦油-粉塵形成的混合物在凈化裝置的高溫區(qū)易碳化結(jié)焦、而在凈化裝置的低溫區(qū)容易凝結(jié)成團(tuán)，從而不利于設(shè)備長期運(yùn)行，因此務(wù)必解決焦油-粉塵在燃?xì)鈨艋b置內(nèi)相互掣肘的不利影響。

3.2解決方案

將焦油裂解-粉塵凈化過程組合，在單一反應(yīng)器內(nèi)同時實現(xiàn)除塵除焦油可望較好的解決此問題。前已述及，靜電除塵器用于粗燃?xì)獬龎m容易發(fā)生局部電場擊穿和反電暈現(xiàn)象，如果采用AC/DC流光電暈電場除塵，基于高能電子引發(fā)的自由基裂解焦油原理，則可抑制焦油在集電極粉塵層上的沉積，保持粉塵層表面的電中性，從而避免局部擊穿和反電暈現(xiàn)象。

AC/DC流光電暈不僅能產(chǎn)生高密度正離子而且產(chǎn)生活性電子，由于后者具有很高的動能，因此等離子體反應(yīng)器內(nèi)的靜電荷數(shù)通常為正，據(jù)估計流光通道內(nèi)的活性電子和正離子濃度高達(dá) 1014～1015個/cm3［24］。這些電場物理特征與高壓脈沖-直流電場的脈沖消失階段很相似，盡管AC/DC流光電暈放電用于粉塵脫除過程還未見文獻(xiàn)報道，但不難預(yù)見流光通道內(nèi)數(shù)量眾多的正離子可對電場內(nèi)的粉塵有效荷電。YAN等［24］和NAIR等［28］曾提出AC/DC流光電暈除塵構(gòu)思，但這個想法并未進(jìn)行實驗驗證，尤其是用于生物質(zhì)基粗燃?xì)鈨艋瘯r焦油-粉塵相互作用機(jī)理、焦油-粉塵同時脫除規(guī)律更加不得而知。

基于以上分析，本文作者提出電旋風(fēng)流光電暈誘導(dǎo)生物質(zhì)基粗燃?xì)馔瑫r凈化焦油和粉塵構(gòu)思，將流光電暈反應(yīng)器耦合于旋風(fēng)分離器，采用流光電暈裂解焦油、借助電場力-離心力實現(xiàn)粗燃?xì)馀c粉塵分離。其先進(jìn)性體現(xiàn)在：利用正極性流光產(chǎn)生活性自由基以及流光電暈條件下自由基裂解焦油的性能，使焦油分子在流光發(fā)展過程中迅速裂解；利用AC/DC電暈產(chǎn)生正離子對粉塵荷電，并結(jié)合電場-離心力場對粉塵的耦合作用力實現(xiàn)氣-固分離，有效避免粉塵與焦油在集塵極聚合凝結(jié)，在單一反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)基粗燃?xì)馔瑫r脫除焦油和粉塵。

4　 結(jié)論與建議

目前，國內(nèi)外在生物質(zhì)氣化粗燃?xì)鈨艋I(lǐng)域已有一定的研究，但還沒有真正商業(yè)化的焦油粉塵凈化技術(shù)，流光電暈放電過程可有效裂解燃?xì)庵械慕褂皖愑袡C(jī)物分子，并可實現(xiàn)粉塵的荷電及高效氣-固分離，是一種較有應(yīng)用前景的粗燃?xì)鈨艋椒ā橥苿由镔|(zhì)氣化粗燃?xì)鈨艋夹g(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，早日實現(xiàn)焦油-粉塵脫除技術(shù)的工業(yè)化，筆者認(rèn)為有必要在下述領(lǐng)域展開研究：

（1）開發(fā)低焦油、低粉塵排放的新型生物質(zhì)潔凈高效氣化技術(shù)；

（2）研究粗燃?xì)鈨艋^程中焦油-粉塵的相互作用機(jī)理，尋找過程強(qiáng)化、反應(yīng)強(qiáng)化等其他輔助手段促進(jìn)焦油與粉塵的脫除過程；

（3）探索其他粗燃?xì)鈨艋に?，如高溫臨氧除塵除焦油、除塵耦合焦油催化裂解、反式化學(xué)鏈焦油裂解等。

［1］ DAHMEN N， DINJUS E， KOLB T， et al. State of the art of the bioliq? process for synthetic biofuels production［J］. Environmental progress & sustainable energy， 2012，31（2）: 176-181. DOI: 10.1002/ep.10624.

［2］ PEREIRA E G， DA SILVA J N， DE OLIVEIRA J L， et al. Sustainable energy: a review of gasification technologies［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2012， 16（7）: 4753-4762. DOI: 10.1016/j.rser. 2012.04.023.

［3］ BALIBAN R C， ELIA J A， FLOUDAS C A. Biomass to liquid transportation fuels （BTL） systems: process synthesis and global optimization framework［J］. Energy & environmental science， 2013， 6（1）: 267-287. DOI: 10.1039/C2EE23369J.

［4］ ASADULLAH M. Barriers of commercial power generation using biomass gasification gas: a review［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2014， 29: 201-215. DOI: 10.1016/j.rser.2013.08.074.

［5］ HASLER P， NUSSBAUMER T. Gas cleaning for IC engine applications from fixed bed biomass gasification［J］. Biomass and bioenergy， 1999， 16（6）: 385-395. DOI: doi:10.1016/S0961-9534（99）00018-5.

［6］ NEEFT J P A， KNOEF H A M， ONAJI P， et al. Behaviour of tar in biomass gasification systems: tar related problems and their solutions［R］. Novem Report No. 9919. The Netherlands: Energy from Waste and Biomass （EWAB）， 1999.

［7］ RABOU L P L M， ZWART R W R， VREUGDENHIL B J， et al. Tar in biomass producer gas， the energy research centre of the netherlands （ECN） experience: an enduring challenge［J］. Energy & fuels， 2009， 23（12）: 6189-6198. DOI: 10.1021/ef9007032.

［8］ SONG K L， ZHANG H， WU Q L， et al. Structure and thermal properties of tar from gasification of agricultural crop residue［J］. Journal of thermal analysis and calorimetry， 2015， 119（1）: 27-35. DOI: 10.1007/s10973-014-4081-z.

［9］ STEVENS D J. Hot gas conditioning: recent progress with larger-scale biomass gasification systems［R］. NREL/SR-510-29952. Golden， CO， USA: National Renewable Energy Laboratory， 2001.

［10］ TIJMENSEN M J A， FAAIJ A P C， HAMELINCK C N，et al. Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification［J］. Biomass and bioenergy， 2002， 23（2）: 129-152. DOI: 10.1016/S0961-9534（02）00037-5.

［11］ HAN J， KIM H. The reduction and control technology of tar during biomass gasification/pyrolysis: an overview［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2008， 12（2）: 397-416. DOI: 10.1016/j.rser.2006.07.015.

［12］ ANIS S， ZAINAL Z A. Tar reduction in biomass producer gas via mechanical， catalytic and thermal methods: a review［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2011， 15（5）: 2355-2377. DOI: 10.1016/j.rser. 2011.02.018.

［13］ RICHARDSON Y， BLIN J， JULBE A. A short overview on purification and conditioning of syngas produced by biomass gasification: catalytic strategies， process intensification and new concepts［J］. Progress in energy and combustion science， 2012， 38（6）: 765-781. DOI: 10.1016/j.pecs.2011.12.001.

［14］ ASADULLAH M. Biomass gasification gas cleaning for downstream applications: a comparative critical review［J］. Renewable and sustainable energy reviews，2014， 40: 118-132. DOI: 10.1016/j.rser.2014.07.132.

［15］ TUOMI S， KURKELA E， SIMELL P， et al. Behaviour of tars on the filter in high temperature filtration of biomass-based gasification gas［J］. Fuel， 2015， 139: 220-231. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.08.051.

［16］ KASTNER J R， MANI S， JUNEJA A. Catalytic decomposition of tar using iron supported biochar［J］. Fuel processing technology， 2015， 130: 31-37. DOI: 10.1016/j.fuproc.2014.09.038.

［17］ YAN K P， LI R N， ZHU T L， et al. A semi-wet technological process for flue gas desulfurization by corona discharges at an industrial scale［J］. Chemical engineering journal， 2006， 116（2）: 139-147. DOI: 10.1016/j.cej.2005.09.030.

［18］ 吳祖良， 高翔， 李濟(jì)吾， 等. 非熱平衡等離子體過程苯的降解［J］. 化工學(xué)報， 2007， 58（8）: 2075-2010. DOI: 10.3321/j.issn:0438-1157.2007.08.032.

［19］ 嚴(yán)建華， 戴尚莉， 李曉東， 等. 氣液兩相滑動弧放電中自由基的光譜研究［J］. 光譜學(xué)與光譜分析， 2008， 28（8）: 1851-1855. DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593.2008.08.037.

［20］ 杜長明， 喬良， 王靜， 等. 新型滑動弧放電等離子體的特性［J］. 高電壓技術(shù)， 2010， 36（4）: 1016-1020.

［21］ 駱仲泱， 王沈兵， 趙磊， 等. 脈沖電暈放電多種污染物協(xié)同脫除的研究［J］. 太原理工大學(xué)學(xué)報， 2010， 41（5）: 627-632.

［22］ TAO K， OHTA N， LIU G Q， et al. Plasma enhanced catalytic reforming of biomass tar model compound to syngas［J］. Fuel， 2013， 104: 53-57. DOI: 10.1016/j.fuel. 2010.05.044.

［23］ CHUN Y N， KIM S C， YOSHIKAWA K. Decomposition of benzene as a surrogate tar in a gliding Arc plasma［J］. Environmental progress & sustainable energy， 2013，32（3）: 837-845. DOI: 10.1002/ep.11663.

［24］ YAN K K. Corona plasma generation［D］. Eindhoven，The Netherlands: Eindhoven University of Technology，2001: 1-15.

［25］ NAIR S A， PEMEN A J M， YAN K， et al. Chemical processes in tar removal from biomass derived fuel gas by pulsed corona discharges［J］. Plasma chemistry and plasma processing， 2003， 23（4）: 665-680. DOI: 10.1023/A:1025510402107.

［26］ PEMEN A J M， NAIR S A， YAN K， et al. Pulsed corona discharges for tar removal from biomass derived fuel gas［J］. Plasmas and polymers， 2003， 8（3）: 209-224. DOI: 10.1023/A:1024813306111.

［27］ YAN K， VAN HEESCH E J M， PEMEN A J M， et al. From chemical kinetics to streamer corona reactor and voltage pulse generator［J］. Plasma chemistry and plasma processing， 2001， 21（1）: 107-137. DOI: 10.1023/A: 1007045529652.

［28］ NAIR S A， PEMEN A J M， YAN K， et al. Tar removal from biomass-derived fuel gas by pulsed corona discharges［J］. Fuel processing technology， 2003， 84（1/3）: 161-173. DOI: 10.1016/S0378-3820（03）00053-5.

［29］ NAIR S A， YAN K， PEMEN A J M， et al. Tar removal from biomass-derived fuel gas by pulsed corona discharges. A chemical kinetic study［J］. Industrial & engineering chemistry research， 2004， 43（7）: 1649-1658. DOI: 10.1021/ie034066p.

［30］ NAIR S A， YAN K， PEMEN A J M， et al. A high-temperature pulsed corona plasma system for fuel gas cleaning［J］. Journal of electrostatics， 2004， 61（2）: 117-127. DOI: 10.1016/j.elstat.2004.02.002.

［31］ NAIR S A， YAN K， PEMEN A J M， et al. Tar removal from biomass derived fuel gas by pulsed corona discharges: chemical kinetic study II［J］. Industrial & engineering chemistry research， 2005， 44（6）: 1734-1741. DOI: 10.1021/ie049292t.

［32］ CHANG J S. Next generation integrated electrostatic gas cleaning systems［J］. Journal of electrostatics， 2003，57（3/4）: 273-291. DOI: 10.1016/S0304-3886（02）00167-5.

［33］ WINANDS G J J， YAN K， PEMEN A J M， et al. An industrial streamer corona plasma system for gas cleaning［J］. IEEE transactions on plasma science， 2006，34（5）: 2426-2433. DOI: 10.1109/TPS.2006.881278.

［34］ NAIR S A， YAN K， SAFITRI A， et al. Streamer corona plasma for fuel gas cleaning: comparison of energization techniques［J］. Journal of electrostatics， 2005， 63（12）: 1105-1114. DOI: 10.1016/j.elstat.2005.02.004.

［35］ ZHANG X M， ZHU J B， LI X Y， et al. Characteristics of styrene removal with an AC/DC streamer corona plasma system［J］. IEEE transactions on plasma science， 2011，39（6）: 1482-1488. DOI: 10.1109/TPS.2011.2128351.

［36］ SIMEONE E， NACKEN M， HAAG W， et al. Filtration performance at high temperatures and analysis of ceramic filter elements during biomass gasification［J］. Biomass and bioenergy， 2011， 35（S1）: S87-S104. DOI: 10.1016/j.biombioe.2011.04.036.

［37］ HEIDENREICH S. Hot gas filtration-a review［J］. Fuel，2013， 104: 83-94. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.07.059.

［38］ 寧成， 李勁， 周文俊， 等. 高壓正脈沖電暈脫硫脫硝和除塵相互影響的研究［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 1994， 14（2）: 123-127.

［39］ 吳彥， 王榮毅， 王寧會. 脈沖電壓下粒子荷電的實驗研究［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報， 1995， 35（3）: 309-311.

［40］ 胡小吐， 姜學(xué)東， 朱天樂， 等. 流光放電等離子體氨法煙氣脫硫工藝［J］. 化工學(xué)報， 2007， 58（4）: 1001-1006. DOI: 10.3321/j.issn:0438-1157.2007.04.034.

［41］ TAMUS A， IVANCSY T， KISS I， et al. Improved modelling of impulse mode ESP energization［J］. Journal of physics: conference series， 2008， 142（1）: 012034. DOI: 10.1088/1742-6596/142/1/012034.

［42］ XU F， LUO Z Y， BO W， et al. Experimental investigationon charging characteristics and penetration efficiency of PM2.5 emitted from coal combustion enhanced by positive corona pulsed ESP［J］. Journal of electrostatics， 2009，67（5）: 799-806. DOI: 10.1016/j.elstat.2009.06.002

［43］ 姜雨澤， 吳彥. 脈沖放電煙氣脫硫脫硝與除塵相結(jié)合工藝研究［J］. 華東電力， 2005， 33（8）: 51-53. DOI: 10.3969/j.issn.1001-9529.2005.08.013.

An Overview of Tar and Dust Removal from Biomass-Derived Syngas by Streamer Corona Discharges

XIE Jian-jun1，2，3， XU Bin1，2，3，4， YIN Xiu-li1，2，3， WU Chuang-zhi1，2，3， YAN Ke-ping5
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2. Key Laboratory of Renewable Energy， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China；4. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；5. College of Chemical and Biological Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310028， China）

A high-efficiency method of tar and dust removal from fuel gas is of great significance to the development of biomass gasification. Streamer corona discharges， which can not only effectively crack the heavy organics to light molecules in raw syngas in reaction with O， H， OH radicals but also charge and separate the dust from the raw syngas with pulsed coronas， is a promising method for raw syngas cleaning. In this paper the status of tar and dust removal by streamer corona discharges were reviewed； issues on mechanism of tar cracking and dust abatement，current situation， key scientific and technical problems of the tar and dust removal from the biomass-derived syngas were analyzed. A conceptual design of an electrocyclone plasma reactor for simultaneous tar and dust removal was proposed. Finally， for the purpose of solving the problems of raw syngas cleaning during biomass gasification， several key research areas were briefly addressed.

biomass gasification； streamer corona discharges； raw syngas cleaning； tar； dust

閆克平（1962-），男，博士，教授，主要從事等離子體技術(shù)及應(yīng)用研究。

TK227.2；TK284.5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.03.011

2095-560X（2016）03-0232-08

2016-05-30

2016-06-27

國家自然科學(xué)基金（51576200）；廣東省科技計劃項目（2014A010106017，2016A040403097）

謝建軍（1976-），男，博士，副研究員，主要從事固體燃料潔凈利用研究。

徐 彬（1991-），男，碩士研究生，主要從事等離子體粗燃?xì)饨褂图胺蹓m凈化研究。

陰秀麗（1968-），女，博士，研究員，主要從事生物質(zhì)能基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

吳創(chuàng)之（1965-），男，碩士，研究員，主要從事生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換過程研究和應(yīng)用技術(shù)研究。