等離子體在NOx治理中的應用

陸良樑, 潘孝慶, 潘衍行

(1.上海電氣電站環(huán)保有限公司,上海 200040; 2.上海電力學院,上海 200090;3.上海發(fā)電環(huán)保工程技術研究中心,上海 200090)

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等離子體在NOx治理中的應用

陸良樑1,3, 潘孝慶2,3, 潘衍行2,3

(1.上海電氣電站環(huán)保有限公司,上海 200040; 2.上海電力學院,上海 200090;3.上海發(fā)電環(huán)保工程技術研究中心,上海 200090)

近年來低溫等離子技術因其工藝簡單、效果好且適用于多種污染物而成為廣大學者的研究熱點.概述了等離子體脫硝原理,以及脈沖電暈放電法、介質阻擋放電法和電子束法3種目前比較常用的等離子脫除NOx技術,分析了3種技術的原理和優(yōu)缺點,總結了3種技術近年來的國內外發(fā)展狀況以及在電廠中的實際應用情況,并提出了這3種技術未來的發(fā)展方向.

低溫等離子體; 電子束; 脈沖電暈放電; 介質阻擋放電

中國電力企業(yè)聯(lián)合會全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據表明,2015年全國總發(fā)電量達到5.618 4×1012kWh,其中火電發(fā)電量為4.210 2×1012kWh;截至2015年11月,火電發(fā)電量約占全國總發(fā)電量的74.94%,總發(fā)電煤粍約15.8×108t[1].煤炭資源的大量消耗,利用過程中產生的污染物直接排入大氣中,使得大氣污染日趨嚴重,2014年我國氮氧化物(NOx)的排放總量達到2.078×107t.大氣中的NOx不僅是光化學煙霧形成的主要來源,也是全國各地出現(xiàn)的酸雨問題的主要形成原因[2-3].近期全國多地出現(xiàn)了大面積“霧霾”等災害性天氣現(xiàn)象,NOx也是其成因之一.氮氧化物中的NO進入血液中會引起神經麻痹,而其中的NO2則對肺部等呼吸器官有極強的刺激作用[4-6],會對人體造成很大的危害.NOx的大量排放嚴重危害了環(huán)境和人類的生命安全,因此針對NOx的治理和控制已成為全世界需要共同解決的重點問題[7].

1 低溫等離子體

低溫等離子技術[8]是由高能電子引起的化學反應,依靠等離子體在瞬間產生的強大電場能量電離、裂解,使正負粒子無法集結在一起成為可以自由移動的離子,從而破壞污染物分子結構.等離子體被認為是除固、液、氣3種狀態(tài)之外的第4態(tài)[9].

氣體在高強度電場電離后會產生大量帶電粒子(離子、電子)和中性粒子(原子、分子),這些粒子的集合體被稱作等離子體[10].低溫等離子體根據其放電類型主要分為介質阻擋放電、電暈放電、滑動弧放電、射頻放電等[11].其中,介質阻擋放電和電暈放電是最常見的等離子體放電[12].

2 等離子體脫硝

等離子體直接脫除NOx主要有兩種途徑:一是分解途徑[13,14],即電子與N2撞擊產生N原子,然后N原子通過反應使NO轉化為N2;二是氧化途徑,即在等離子體作用下NO被氧化為酸根[15].其主要反應式如下:

NO+O→NO2

NO+OH→HNO2

NO+HO2→NO2+OH

NO+O3→NO2+O2

NO2+OH→HNO3

NH2+NO→N2+H2O

NH+NO→N2+OH

N+NO→N2+O

等離子體脫除煙氣NOx治理技術的核心是通過簡單經濟的方式產生等離子體,使NOx在等離子體區(qū)域被分解,濃度降至國家排放標準以下.目前使用較多的技術主要包括電子束法、脈沖電暈放電法、介質阻擋放電法3種.

2.1 電子束法

電子束(electron-beam,EB)法的原理是利用陰極和電子加速器產生的高能電子束,直接照射待處理的氣體,通過輻射發(fā)生化學反應產生大量活性粒子(如OH,O,HO2等)與SO2和NOx進行反應,生成硫酸和硝酸,使之氧化去除.根據電廠的實際應用表明,該技術在煙氣脫硝方面的有效性和經濟性優(yōu)于常規(guī)技術.但電子束法能量利用率較低,而且電子槍價格昂貴,壽命短且結構復雜,日常的維護也十分復雜.這些有待解決的問題限制了電子束法的繼續(xù)發(fā)展.

電子束法在1970年由日本荏原公司開發(fā)成功.1978年該公司建造了世界上第一個通過電子束法處理的小型中試場.實踐研究證明,電子束法可以通過加氨轉化為硝銨和硫銨[16].

KAMEOKA K等人[17]采用電子束照射20% O2的N2/NO混合氣體進行脫NOx實驗,結果發(fā)現(xiàn),NO∶NH=1∶1時NOx的脫除率高達95%.在電廠工業(yè)的實際應用中,波蘭Pomorzany 165 MW 的電站利用電子束法脫硫脫硝,實驗結果顯示,脫硫效率為95%,脫硝效率為70%[18].

近年來我國學者也對電子束法脫硝十分關注.楊力等人[19]采用電子束氨法在淮南市科學城熱電廠建造了一套脫硫脫硝設備.實驗結果表明,NO脫除率大于等于70%,SO2脫除率大于等于90%.范學友等人[20]經過實驗發(fā)現(xiàn),NOx的脫除率與NOx濃度成反比,NOx濃度越低,其脫除效率越高.電子束法脫硝工藝流程如圖1所示.

圖1 電子束法脫硝工藝流程

2.2 脈沖電暈放電法

脈沖電暈放電原理與電子束法相似,用脈沖高壓電源代替電子加速器,用脈沖電暈放電得到高能電子.在等離子體區(qū)域,煙氣與活性物質反應分解污染物.脈沖電暈放電法具有成本低、污染小等特點,但是SO2和NOx脫除的反應動力學研究并不充分,電源與反應器是否能夠匹配等問題限制了該項技術的發(fā)展.脈沖電暈放電法脫硝工藝流程如圖2所示.

圖2 脈沖電暈放電法脫硝工藝流程

電暈放電法是由日本學者MASUDA在1986年提出的,他進行了高壓脈沖電暈放電脫硝模擬實驗,結果表明,脫硝效率達到60%且NH3對NOx脫除起到了促進作用[21].德國Marghrea電廠采用脈沖電暈放電法脫硫脫硝,在1 000 Nm /h的脈沖電暈放電情況下,脫硫效率達到80%,脫硝效率達到50%～60%[22].文獻[23]對加熱電暈

處理NOx的脫除率進行了研究,結果發(fā)現(xiàn),加熱有助于降低起始放電電壓并提高電暈電流,NOx的脫除效率有明顯的提高.

李國峰等人[24]發(fā)現(xiàn)脈沖電暈放電與反應器直接相關,脈沖成行電容越小,脈沖寬度越窄且火花電壓越高.李謙等人[25]用脈沖電暈法進行脫硝實驗,發(fā)現(xiàn)只有當脈沖峰值到達一定值時,NO的氧化量才會隨溫度升高而增大,直至氧化率接近完全.

脈沖電暈放電法在電廠的實際應用結果表明,電暈放電時電極正脈沖效果優(yōu)于負脈沖;濕度越大,NOx的脫除效率越高;適當?shù)募訜犭姇灧烹妼Ox的去除率提高起到促進作用[26].另外,NH3的加入對NOx的脫除也有一定的促進作用[27].與電子束法相比,脈沖電暈放電法明顯降低了成本,但能耗仍然較高,在很大程度上限制了該技術的發(fā)展[28].

2.3 介質阻擋放電法

介質阻擋放電法是在放電空間中插入絕緣介質的一種氣體放電法,也是最早得到應用的放電方法之一.根據其介質數(shù)目可以分為單介質阻擋放電和雙介質阻擋放電,如圖3所示.

圖3 介質阻擋放電結構方式

圖3中,圖3a和圖3b屬于單介質阻擋放電,其特點是結構簡單,有利于散熱.圖3c是雙介質阻擋放電,介質擋板分別覆蓋了兩個電極,避免了等離子體與電極的直接接觸,增強了電荷的擴散,使放電更加均勻.

介質阻擋放電法運用于脫硝技術有以下特點:一是適用于化學反應,放電產生的高能電子與氣體分子發(fā)生碰撞,所產生的能量可以打開化學鍵,增強化學反應;二是反應易控制,介質阻擋放電法的主要實驗控制系統(tǒng)在于電極的控制,放電電壓、頻率以及溫度都對其產生影響;三是能量利用率高,電極兩端電壓越大,能量在等離子區(qū)域分布越廣泛,不會集中在一處.

SIEMENS Von在1857年制備臭氧的試驗中,在內外玻璃管上安裝了電極,并且在玻璃管之間留下了空隙,形成了最早的介質阻擋放電[29-30].CHANG M B等人[31-32]利用介質阻擋技術與紫外照射技術協(xié)同作用,實驗結果表明,脫除SO2和NOx的效率分別為29%和79%.

趙衛(wèi)東等人[33-34]的研究表明,在介質阻擋放電中,放電區(qū)域長度越大,NO的脫除效率越高,隨著放電間隙的增大,NO脫除率先增大后減小.復旦大學侯建等人[35]利用介質阻擋放電法脫硝,脫硝效率達到80%以上.何正浩等人[36]利用高頻DBD處理氮氧化物,由外加電源電壓、氮氧化物氣體質量濃度和體積流量3個因素構成正交試驗,脫硝效率達到85%.而這3種因素的影響程度分別為電壓參數(shù)最大,流量次之,濃度最小.

2.4 3種方法的對比

目前,上述3種較為常用的等離子體脫硝方法均深受廣大研究者的關注.其中,介質阻擋放電法發(fā)展較為成熟.3種方法的優(yōu)缺點對比如表1所示.

表1 3種等離子體技術的優(yōu)缺點

3 結 語

低溫等離子體脫硝技術是目前較為新穎的熱門技術.從3種方法的工作原理來看,電子束法和脈沖電暈放電法的能耗較高,耗費成本較大.介質阻擋放電法能耗較低,結構簡單,也是近幾年國內外學者的研究重點,但該技術還沒有完全成熟.因此,在煙氣治理方面研發(fā)新型煙氣凈化技術,并不斷完善這3種技術,使其更經濟、更高效變得十分重要.

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(編輯 胡小萍)

Application of Non-Thermal Plasma Technologies in NOx

LU Liangliang1,3, PAN Xiaoqing2,3, PAN Yanxing2,3

(1.ShanghaiElectricPowerStationEnvironmentalProtectionCo.Ltd.,Shanghai200040,China; 2.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 3.ShanghaiEnvironmentalProtectionEngineeringTechnologyResearchCenter,Shanghai200090,China)

Because of its simple process,good effect and applicability to a variety of pollutants,in recent years,low temperature plasma technology has become the majority of scholars of research.The principle of plasma denitration,pulsed corona discharge,dielectric barrier discharge and electron beam method are introduced,and the principle and advantages and disadvantages of the three types of technology are analyzed.The three kinds of technology in recent years and domestic and international development and application in the actual situation of power plants are summarized.The direction of the future development of these three technologies is put forward.

non-thermal plasma; electron beam; corona discharge; dielectric barrier discharg

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.017

2017-04-17

潘孝慶(1991-),男,在讀碩士,安徽安慶人.主要研究方向為電廠污染物處理.E-mail:413601760@qq.com.

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0203704);國家自然科學基金(21546014);上海市科學技術委員會指南項目(15DZ1200703);燃煤電廠低濃度污染物監(jiān)測技術方法研究(滬環(huán)科2016第13號).

O539;X51

A

1006-4729(2017)03-0299-05