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流光放電等離子體在環(huán)保方面的應(yīng)用

2009/3/18

    水處理新技術(shù):流光放電等離子體在環(huán)保方面的應(yīng)用
    摘要: 本文介紹近期在流光放電低溫等離子體產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的二個(gè)核心問(wèn)題, 大容量
    的等離子體系統(tǒng)和等離子體處理工藝的優(yōu)化。
    1. 引言
    就煙氣凈化而言,傳統(tǒng)方法是采用多種技術(shù)的串聯(lián)組合,分別對(duì)不同的污染物進(jìn)行治理,至
    今為止, 還未能采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的單一技術(shù)對(duì)煙氣中的多種污染物同時(shí)處理。由于流光放電低溫等
    離子體可有效地產(chǎn)生高能電子、離子、自由基 (如O、OH、H) 等多種分子激發(fā)態(tài), 放電等離子體
    在近二十年來(lái)一直被認(rèn)為是下一代技術(shù),同時(shí)除去煙氣中的多種污染物 [1]?;覊m在放電等離子
    體中荷電、收集。有害氣體如NOx、SO2、H2S、HCI、二惡英、重金屬(Hg)等在等離子體中氧化,在
    有中和劑或吸收劑的情況下被吸收,達(dá)到凈化的目的。若使用氨中和劑,副產(chǎn)物可為復(fù)合肥使
    用。然而要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化, 需要解決的二個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題是大容量的等離子體系統(tǒng)和優(yōu)化
    的等離子體處理工藝 [2,3]。相信在今后的10-30 年中,等離子體煙氣或廢氣凈化會(huì)同電除塵器
    一樣普及。不僅能除塵脫硫脫硝,而且能治理有機(jī)氣體 VOCs,除去HCI、HF、H2S、二惡英、重金
    屬 (如Hg) 等,同傳統(tǒng)技術(shù)相比,成本也許能減少幾倍。對(duì)電力、建材、冶金、化工、輕工、電
    子等行業(yè)的鍋爐、焚燒爐都有極好的應(yīng)用前景。本文主要介紹對(duì)上述兩個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題的近期研
    究。
    2. 流光放電等離子體的特性及其供電電源
    我們可以把正極性流光放電等離子體的發(fā)生分為兩大類: 同步式和隨機(jī)式, 它們的基本特性列
    于表1。目前在荷蘭、日本、韓國(guó)和中國(guó)都進(jìn)行著10-100 kW 工業(yè)性示范研究 [4]。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, 主要的開關(guān)器件為火花式和磁壓縮。隨機(jī)式流光
    放電等離子體系統(tǒng)是基于高頻交直流疊加電源 (AC/DC), 電源全部采用半導(dǎo)體開關(guān)器件。供電方式
    可采用耦合式,也可采用直接式。圖1 和圖2 分別顯示兩套工業(yè)性等離子體系統(tǒng), 不同的等離子體
    發(fā)生方法對(duì)應(yīng)著不同的電源及反應(yīng)器設(shè)計(jì), 大功率的等離子體電源都是采用在直流基壓上疊加短脈
    沖或疊加高頻交流 [5]。
    3. 流光放電等離子體的工業(yè)應(yīng)用
    3.1 下一代煙氣凈化系統(tǒng)
    將來(lái)的煙氣或廢氣凈化系統(tǒng)需要能控制多種污染物PM2.5、SOx、NOx、Hg、PCDDs、PCDFs、
    VOCs 等。事實(shí)上幾乎所有的燃燒器都產(chǎn)生這些污染物, 圖3 示意顯示目前我們正在研究開發(fā)的下
    一代流光放電等離子體煙氣凈化系統(tǒng), 它包括兩套等離子體, 一套靜電除塵器(ESP)或布袋除塵器
    (BF),或電袋組合除塵器。第一套干式等離子體反應(yīng)器對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)處理氧化及煙塵調(diào)質(zhì),提高電
    除塵器效率。利用第二套半濕式等離子體反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)從SOx、NOx 到(NH4)2SO4、NH4NO3 的轉(zhuǎn)換。等
    離子體產(chǎn)生的初始自由基主要是O、OH 和 H, H 很快通過(guò)反應(yīng)H+O2+M->HO2+M 生成HO2, OH(或H)
    與O 的比例大約是 20% 比80%。能耗大約為50 eV/[O][6]。煙氣中的等離子體化學(xué)反應(yīng)主要是與
    氣相中NOx 的氧化及液相中S(IV)與S(VI)之間轉(zhuǎn)換有關(guān),圖4 及圖5 分別說(shuō)明所關(guān)聯(lián)的主要過(guò)
    程[6,7]。12,000Nm3/h 工業(yè)性研究表明等離子體的能耗可以從以前意大利ENEL 公司所報(bào)到的10-
    15 Wh/Nm3 降到2-4 Wh/Nm3 左右, 產(chǎn)物的98%為正鹽, 等離子體的能耗在很大程度上依賴于NOx
    的除去, 能耗一般在20-200 eV/[NO] 之間, 更詳細(xì)的工業(yè)研究還在實(shí)施中。
    圖3, 下一代煙氣凈化系統(tǒng)
    ESP
    BF
    NH3, H2O
    等離子體 - 1
    灰及重金屬化肥
    等離子體 - 2
    圖1, 12,000 Nm3/h 高頻交直流
    疊加電源及等離子體反應(yīng)器
    圖2, 30 kW 短脈沖電源
    及等離子體反應(yīng)器
    國(guó)家863 計(jì)劃項(xiàng)目(杰特科技)
    表1. 同步式和隨機(jī)式流光放電等離子體的特性比較
    特性 同步式 隨機(jī)式
    電源 短脈沖 交直流疊加
    流光放電頻率 50 – 1500 Hz 1 – 130 kHz
    電子能量 10 eV 10 eV
    峰值電流 ≤ 600 A/m 10 - 200 mA/streamer
    峰值功率 ≤ 600 MW/m 3 kW/streamer
    流光速度 5.0 x 105-3.5x106 m/s 2.0 x 105 m/s
    流光直徑 100 - 200 μm 20 – 50 μm
    離子電流與總電流之比 ? ~ 20 %
    一次流光放電能量 ( 3 J/m/pulse or 3mJ/streamer 0.3 mJ/streamer
    流光放電時(shí)差 同步
    2 - 5 ns/100mm
    隨機(jī)
    20 ns -1 ms/100mm
    優(yōu)點(diǎn) 等離子體的功率密度
    可調(diào)范圍大
    電源相對(duì)簡(jiǎn)單技術(shù)成熟
    缺點(diǎn) 電源復(fù)雜有待開發(fā) 等離子體的功率密度
    可調(diào)范圍小
    電源的估價(jià)及現(xiàn)狀
    (100 kW)
    60 萬(wàn)(人民幣)
    試生產(chǎn)(中荷環(huán)保)
    相對(duì)便宜
    生產(chǎn)(杰特科技)
    應(yīng)用領(lǐng)域 高低溫除塵及多種污染物的同時(shí)處理, 除臭, 滅菌, VOCs 處理, 水
    凈化等
    圖4, NOx 的等離子體氧化過(guò)程
    HNO2 + H2O2 ⇒ HNO3 + H2O, HNO3 ⇔ NO3
    - + H+
    2NO2 + S(IV) => N2 + S(VI)
    NO NO2 NO3 N2O5
    HNO2 HNO2 HNO3 HNO2 HNO3 HNO3
    HNO3
    N2O3 N2O4
    HNO2
    O, O3 O, O3, HO2 NO2
    NO2 NO
    OH
    OH
    O
    氣相
    液相
    3.2 空氣中有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs 及臭氣的凈化處理
    濃度低、風(fēng)量大是治理有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs 及臭氣的最大難處。傳統(tǒng)的污染控制技術(shù)有各
    種洗刷過(guò)濾、稀釋及燃燒、活性碳吸附、催化、靜電除霧等, 一般來(lái)講這些傳統(tǒng)技術(shù)效果不佳經(jīng)
    濟(jì)性差, 濃度越低則成本越高。最近幾年的研究表明采用等離子體同這些傳統(tǒng)技術(shù)的組合不僅可以
    減少等離子體電耗, 而且能控制有害副產(chǎn)物的形成, 提高性能價(jià)格比 [1,3,8]。圖6 顯示一5000m3/h
    移動(dòng)式等離子體與金屬網(wǎng)過(guò)濾器組合為一體的凈化器。對(duì)空氣中低濃度有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs 的
    治理, 能耗一般為10-50 eV/分子, 大部份副產(chǎn)物為氣溶膠。對(duì)食品工業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、煙草業(yè)、工業(yè)車
    間等的除臭, 等離子體能耗一般在0.1-0.5 Wh/m3 左右, 處理時(shí)間在 10 ms-1.0 s 之間。這樣低的能耗
    及如此短的處理時(shí)間使得等離子體有著很強(qiáng)的市場(chǎng)竟?fàn)幜?。圖1 及圖2 顯示的等離子體系統(tǒng)可應(yīng)
    用于風(fēng)量為20,000-50,000 m3/h 的工業(yè)除臭。
    3.3 生物質(zhì)燃?xì)獾牡膬艋幚?BR>隨著全球?qū)O2 排放的限制及能源的緊缺, 可再生的生物質(zhì)清潔能源越來(lái)越受到重視, 生物質(zhì)
    氣化技術(shù)是高效利用生物質(zhì)的重要途徑[9]。從生物質(zhì)氣化爐生成的粗燃?xì)夂廴疚颪H3、HCN、
    HCl、H2S、顆粒及各種芳香烴焦油, 焦油的成份十分復(fù)雜, 有酚、萘、苯、苯乙烯等。隨燃?xì)鉁?BR>度的下降, 重?zé)N及輕烴相繼從燃?xì)庵心Y(jié)出來(lái), 同固體雜質(zhì)混合形成結(jié)實(shí)的灰垢, 堵塞管道, 很
    難清除, 是燃?xì)鈨艋铑^痛的問(wèn)題。目前采用的凈化技術(shù)主要有水洗、過(guò)濾、熱分解及催化分
    解。水洗除焦既浪費(fèi)能量又造成二次水污染, 過(guò)濾效率低, 熱分解需1100 度以上的高溫, 如果催化
    劑的壽命能得到改善, 高溫催化分解會(huì)有較好的發(fā)展前景, 目前仍處于研究階段。
    在過(guò)去的五年中, 流光電暈放電等離子體同時(shí)除塵除焦的研究取得了可喜的進(jìn)展, 圖7 顯示
    一高溫生物質(zhì)燃?xì)怆姇灧烹姷入x子體凈化器[10]。電暈放電可同時(shí)除塵分解氧化焦油, 同催化劑
    并用不僅可減少電耗, 改善催化劑的效果, 而且可降低催化劑的使用溫度實(shí)現(xiàn)催化劑的再生。在燃
    氣溫度為200-500℃時(shí), 等離子體的能耗在100J/L 左右, 同催化劑并用可進(jìn)一步減少能耗,目前正
    圖5, SOx 的等離子體氧化過(guò)程
    O2 SO2 OH
    HSO3
    - + H+
    SO3
    -
    H2O•O2
    K
    HSO3
    -
    氣相
    液相中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
    液相 H2O•SO2
    SO5
    -
    HSO4
    -
    SO4
    -
    進(jìn)行著更詳細(xì)的研究。結(jié)合高低溫流光放電等離子體有望實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獾母叨葍艋?。除生物質(zhì)
    燃?xì)鈨艋? 這一技術(shù)也可用于煤氣的凈化, 在今后的三五年中, 這項(xiàng)技術(shù)可望得到應(yīng)用。
    3.4 水的凈化
    圖6, 5000 m3/h 移動(dòng)式等
    離子體凈化器
    圖7, 高溫生物質(zhì)燃?xì)獾入x
    子體凈化器
    圖8, 10-20 kJ/pulse & 20-45 kA
    全固體開關(guān)電源
    目前有關(guān)水的等離子體凈化研究主要集
    中在以下內(nèi)容: 脈沖流光放電處理低濃度有機(jī)
    污染物及滅菌 [11,12], 脈沖火花式放電等離子
    體處理高濃度有機(jī)污染物及滅菌 [13,14]。反
    應(yīng)器為單相也可為復(fù)相,液相中的脈沖流光放
    電利用低能量高頻率的短脈沖電源, 脈沖火花
    式放電等離子體則利用高能量低頻率的長(zhǎng)脈
    沖電源。圖8 可能是目前最大的全固體開關(guān)
    中低頻脈沖電源 [2], 單次放電能量為10-20
    kJ/pulse, 峰值電流為20-45 kA。從2002 年引
    進(jìn)市場(chǎng)至今, 應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。
    脈沖流光放電水處理同O3+H2O2 +UV 高
    級(jí)氧化技術(shù)很類似, 主要靠自由基及UV 輻射,
    由于脈沖流光放電等離子體能直接在液相或
    氣液界面產(chǎn)生自由基及UV 輻射, 系統(tǒng)變得簡(jiǎn)
    單方便。高能量的脈沖火花式放電等離子體
    不僅可產(chǎn)生很強(qiáng)的UV 輻射而且可產(chǎn)生很強(qiáng)的
    壓力波無(wú)二次污染是理想的滅菌技術(shù)。
    4. 結(jié)論
    經(jīng)過(guò)近二十年的研究開發(fā), 流光放電低溫等離子體產(chǎn)業(yè)化的主要核心技術(shù)問(wèn)題已基本解決, 關(guān)
    鍵設(shè)備已開始生產(chǎn), 小型號(hào)產(chǎn)品已開始應(yīng)用。目前的工作重心是如何實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化及開拓市
    場(chǎng)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),等離子體在環(huán)保方面的應(yīng)用會(huì)得到普及。
    致謝: 作者感謝廣東杰特科技發(fā)展有限公司, 金華中荷環(huán)??萍加邢薰? Eindhoven University of Technology,
    Geo-Resource, Envitech, Korea Cottrell 等同事們的合作及支持, 本文的部分研究得到國(guó)家863 計(jì)劃的資助。
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