低溫等離子體結(jié)合吸收脫除煙氣多種污染物的研究進(jìn)展*

李子芃，王美艷，張長(zhǎng)平，孫優(yōu)善

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

傳統(tǒng)的燃煤煙氣凈化對(duì)策是凈化設(shè)備(或凈化技術(shù))與污染物一一對(duì)應(yīng)，如石灰石/石灰石漿液脫硫，氨選擇性催化還原脫硝，活性炭吸附法除汞等。各污染物在不同的凈化設(shè)備中得到脫除，雖處理效率高，但整體處理流程長(zhǎng)，設(shè)備多，占地面積大，費(fèi)用也較高。低溫等離子體技術(shù)與吸收法相結(jié)合，在高效脫除SO2、NOx、HgO等污染物的同時(shí)，可資源化利用煙氣硫組分，不產(chǎn)生二次污染且能量消耗較低，在燃煤煙氣凈化中具有廣闊的前景。

1 低溫等離子體煙氣凈化技術(shù)概況

1.1 低溫等離子體的常見(jiàn)反應(yīng)器

低溫等離子體技術(shù)具有高效、廣譜、多種污染物同時(shí)脫除等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)煙氣凈化領(lǐng)域頗具前景和競(jìng)爭(zhēng)力。

通過(guò)外電場(chǎng)產(chǎn)生電子是氣體電離并傳導(dǎo)電流的現(xiàn)象稱(chēng)為氣體放電。氣體放電法的反應(yīng)裝置種類(lèi)較多，在燃煤煙氣凈化技術(shù)中較常用的有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電。

1) 電暈放電

電暈放電(Corona Discharge) 是在大氣壓或高于大氣壓條件下，在曲率半徑極小的細(xì)線(xiàn)、鋸齒或針狀電極上施加高壓，從而由靠近電極區(qū)域的極強(qiáng)電場(chǎng)的作用激發(fā)非均勻的局部穩(wěn)定放電[1]。根據(jù)施加電壓的波形，此技術(shù)包括脈沖、直流電暈和交直流疊加電暈放電等。

脈沖電暈放電(Pulse Corona Discharge,PCD)，利用納秒級(jí)快速上升的高壓窄脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生5-20eV 的高能電子，從而激發(fā)氣體電離。脈沖電暈法中大量關(guān)于電極特性、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面的研究表明：正脈沖效果優(yōu)于負(fù)脈沖，較陡的脈沖電壓前沿、適當(dāng)?shù)闹绷骰鶋阂约拜^高的單脈沖能量和脈沖頻率有利于提高脫除效率。

直流電暈放電(DC Corona Discharge)除電源采用高壓直流外，其反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式與脈沖電暈法基本相同，但其能耗高于脈沖電暈法。利用正直流電壓研究了NO 混合氣體的處理，得出電暈特性受氣相組分和流速的影響很大，通過(guò)調(diào)節(jié)氣相組分，能夠得到穩(wěn)定均勻的流光放電并得到較高脫硝效率。目前，在歐洲和日本也正進(jìn)行高壓直流電暈脫硫脫硝的進(jìn)一步工程示范。

2) 介質(zhì)阻擋放電介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge,DBD)又稱(chēng)無(wú)聲放電，將絕緣介質(zhì)覆蓋電極或懸掛于或以顆粒態(tài)填充于放電空間，利用足夠高的極間的交流或脈沖電壓使氣體擊穿。介質(zhì)阻擋放電可承受的工作氣壓高，為104-106 Pa，電源頻率范圍寬，從50-106Hz。此技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臭氧發(fā)生、紫外輻射、等離子顯示和材料改性等方面，而目前在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用也備受關(guān)注。

1.2 低溫等離子體去除燃煤煙氣污染物的機(jī)理

Mok 等[2]建立了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，低溫等離子體在煙氣凈化中反應(yīng)分為三個(gè)階段：(1)高能電子激發(fā)氣體電離生成活性自由基(N、OH、O(3P)和O(1D)等)；(2)激發(fā)態(tài)的O(1D)與氣體分子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)并進(jìn)一步生成O(3P)和OH；(3)N、OH 和O(3P)等活性粒子與氣體中的SO2、NOx和Hg 等反應(yīng)并使之脫除，另外初始自由基之間也可相互反應(yīng)能夠生成二次自由基，如HO2、O3等強(qiáng)氧化性自由基。

1.3 低溫等離子體凈化燃煤煙氣的研究進(jìn)展

1.3.1 放電等離子體脫硫脫硝技術(shù)

近年來(lái)，基于氣體放電產(chǎn)生非熱等離子體實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝的研究成為學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)，具體方法包括高壓脈沖電暈法、高壓直流電暈法、交直流疊加電暈法、電暈放電誘導(dǎo)自由基注入法等。

脈沖電暈放電法由相對(duì)于電子束法設(shè)備和操作簡(jiǎn)單、投資成本低，在干法煙氣凈化的研究中備受矚目，并取得了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而該法要進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段亟待解決的問(wèn)題包括：(1)高功率、長(zhǎng)效的ns 級(jí)高壓脈沖電源的開(kāi)發(fā)；(2)能量效率的提升；(3)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化；（4）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的研究。

介質(zhì)阻擋放電法近年來(lái)也用于煙氣治理。針-板式介質(zhì)阻擋放電的脫硝效果，針尖形狀對(duì)放電特性和脫硝效率影響顯著，放電間隙過(guò)大會(huì)限制電子能量和電荷密度，過(guò)窄則不利于NO 脫除，因此板-板電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電存在最佳放電間隙。由于放電間隙的限制，對(duì)于風(fēng)量大，氧氣濃度和污染物濃度低的實(shí)際煙氣來(lái)講，介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器在提高氧化效率和降低能耗仍然有很多工作要做。

直流電暈放電與脈沖電暈和介質(zhì)阻擋放電相比，具有電源簡(jiǎn)單，氣阻小且能同時(shí)去除顆粒污染物等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)氣中CO2 的含量顯著影響電暈放電的形式，流光放電的化學(xué)效應(yīng)明顯高于輝光放電。煙氣中的水分含量、載氣成分，放電區(qū)長(zhǎng)度和極間距都會(huì)改變反應(yīng)器的放電特性，從而影響脫除效率。由于直流電暈放電脫硫脫硝技術(shù)存在放電不穩(wěn)定等缺陷，目前還處研究階段。

自由基注入低溫等離子體技術(shù)以直流高壓作用于噴嘴電極上，利用噴嘴和極板之間極高的不均勻電場(chǎng)激發(fā)電暈放電，其可以改善煙氣直接電離過(guò)程中放電不穩(wěn)定，能耗高等問(wèn)題。自由基源物質(zhì)一般為氨氣、水蒸氣和氧氣等氣態(tài)物質(zhì)。高翔等[3]提出用濕氧氣作為電極氣，NOx脫除效果較好，但氧氣費(fèi)用高、安全性差，限制了此法的大規(guī)模應(yīng)用。

另外，也有將低溫等離子體與其他技術(shù)如催化（吸附）、吸收等相結(jié)合，可進(jìn)一步提高煙氣脫硫脫硝效率[4]。

1.3.2 放電等離子體脫汞技術(shù)

等離子體具有強(qiáng)氧化性，可以氧化氣態(tài)元素汞，氧化態(tài)汞可以被濕法脫除。早前研究表明，汞的去除率與脈沖電壓，脈沖頻率和汞濃度有關(guān)。目前，低溫等離子體脫汞的研究剛剛起步，主要集中在介質(zhì)阻擋和脈沖電暈放電反應(yīng)器的研究，而直流電暈放電反應(yīng)器中汞的氧化研究尚為鮮見(jiàn)。

2 低溫等離子體結(jié)合吸收煙氣凈化技術(shù)概況

NO 和HgO難溶于水，利用吸收法較難去除，而先利用等離子體將NO 和HgO氧化成更易吸收的NO2和Hg2+，再進(jìn)行吸收處理，可實(shí)現(xiàn)多污染物的同步脫除。

2.1 低溫等離子體結(jié)合吸收煙氣凈化技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

目前，針對(duì)放電等離子體聯(lián)合吸收的研究主要采用單級(jí)式水膜放電等離子體反應(yīng)器和組合式放電等離子體+吸收反應(yīng)器。

2.1.1 單級(jí)式水膜放電等離子體反應(yīng)器

利用線(xiàn)-筒式脈沖電暈反應(yīng)器去除SO2。筒式接地極內(nèi)部以多孔材料制成，吸收液由上而下滲入，通過(guò)調(diào)節(jié)吸收液pH 可以獲得良好的SO2去除效果，能量消耗可保證在2–4 Wh/m3 以?xún)?nèi)。

2.1.2 組合式放電等離子體+吸收反應(yīng)器

等離子體氧化結(jié)合化學(xué)吸收脫除NOx的核心處理單元由線(xiàn)-筒式電暈放電等離子體反應(yīng)器和鼓泡吸收塔組成。羅宏晶等[5]采用正直流電暈放電結(jié)合氨吸收，得出NO 對(duì)HgO氧化和脫除存在抑制作用，能量輸入為77J/L 時(shí)SO2、NO、HgO的脫除率達(dá)到92%、57%和31%。

2.2 低溫等離子體結(jié)合吸收煙氣凈化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用方面，基于交直流疊加電源放電等離子體氧化與氨吸收相結(jié)合脫硫脫硝[6]，在最大處理氣量為12000 m3/h 的試驗(yàn)平臺(tái)上，脫硫效率大于95%，脫硝效率大于40%，顯示出流光放電氨法脫硫脫硝工藝流程良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

可以看出，低溫等離子體結(jié)合吸收技術(shù)在聯(lián)合脫硫脫硝方面取得了許多突破。然而大部分研究采用的都是介質(zhì)阻擋放電、脈沖或交直流疊加電暈放電反應(yīng)器。直流電暈放電反應(yīng)器具有電源簡(jiǎn)單，氣阻小，能同時(shí)脫除顆粒污染物等優(yōu)點(diǎn)，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)可針對(duì)直流電暈等離子體聯(lián)合氨吸收同時(shí)脫除多種污染物方面還進(jìn)行更多更深入的研究。

3 結(jié)論與展望

燃煤煙氣中含有SO2、NOx、Hg、煙塵和VOCs 等多種污染物，對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境都造成了極大的威脅。傳統(tǒng)的處理方法針對(duì)每一種污染物設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的處理裝置，流程長(zhǎng)、設(shè)備復(fù)雜，由此導(dǎo)致處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大。放電等離子體與吸收相結(jié)合可在短流程、低成本、少占地的基礎(chǔ)上，高效脫除煙氣中多種污染物，已成為最具實(shí)際應(yīng)用前景的技術(shù)。

目前，針對(duì)放電等離子體聯(lián)合吸收的研究主要采用單級(jí)式水膜放電等離子體反應(yīng)器和組合式放電等離子體+吸收反應(yīng)器。等離子體過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧化粒子在氧化NO 和Hg 的同時(shí)，可以促進(jìn)吸收液亞硫酸鹽的氧化，從而降低了脫硫產(chǎn)物資源化的成本。