（环境工程专业论文）介质阻挡强电离放电资源化脱硫技术研究.pdf

l 。r 一_j 罩 - 一 卜 独创性声明 剩 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：佬姒翱 日期： 1 , , 1 0 6 年易月旺日 一 ， 0 一 ， 守 飞介质阻挡强电离放电资源化脱硫技术研究 s t u d yo nt h ed e s u l f u r i z i n gt e c h n o l o g y v i a s t r o n gi o n i z a t i o nd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g ea n di t sr e s o u r c e u t i l i z a t i o n 2 0 0 6 年6 月 一 ， 、 卜 江苏大学硕士学位论文 摘要 我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭的大量直接燃烧可产生s 0 2 等气体污 染物。随着国民经济的快速发展，s 0 2 污染和酸雨问题日益严重，已经成为我国 经济发展的桎梏，迫切要求我国根据本国的国情研发新的脱硫技术。介质阻挡强 电离放电脱硫技术作为一种新兴的脱硫技术日益受到世界各国研究人员的重视， 它不需要外加吸收剂和催化剂，在大气压和室温条件下，在密闭的等离子体反应 器中完成烟气脱硫的全过程，生成的产物为重要的化工资源硫酸，实现了化学反 应过程的零环境污染和资源化脱硫。 论文首先分析了介质阻挡强电离放电脱硫的基本理论，主要包括介质阻挡强 电离放电产生非平衡等离子体和利用非平衡等离子体实现资源化脱硫两个过程。 在此基础上通过改进介质阻挡放电的电介质材料、加工工艺以及放电间隙结构优 化等离子体反应器设计，实现强电离放电，提高脱硫效率。然后以模拟烟气为研 究对象，对影响介质阻挡强电离放电脱硫效率的因素进行研究。由于实验条件以 及其它一些因素的限制，论文主要研究了以下几个对脱硫效率有重要影响的因 素：外加电压、s 0 2 初始浓度、含水量、停留时间、电源频率以及含氧量。通过 单因素实验分析这些因素对脱硫效率的影响，得出单个因素对脱硫率影响的变化 盐线。再由单因素得出的一般规律，来设计有交互作用的多因素正交实验，分析 因子的主次，获得使脱硫率较高的各因素的最优组合。最后，采用一次回归正交 设计的方法，建立多元线性回归模型，得到实验指标和各因子之间的定量规律。 此外，通过线性回归方程也可以找到使脱硫率最优的组合反应参数，进一步检验 正交实验所得到的最优组合是否合适。 实验结果表明：若将s 0 2 的初始浓度控制在3 4 5 x 1 0 - 6 ( w v ) 3 5 5 x l o ( v v ) ， 含氧量控制在2 1 ( v v ) ，含水量控制在2 1 ( v v ) ，气体在反应器中的停留时 间控制在0 8 5 s ，气体流量控制在0 1 6 m 3 h ，外加电压设定在3 5 k v ，高压电源频 率控制在1 2 0 k h z 。在此条件下，s 0 2 的最高去除率可达到8 0 以上。可见，使 用介质阻挡强电离放电脱硫技术可以获得比较理想的脱硫效果。 关键词：非平衡等离子体，强电离放电，脱硫，资源化 一 ”， 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o a li st h em a i np a r to fp r i m a r ye n e r g yi nc h i n a t h ed i r e c tb u r n i n go fg r e a t a m o u n tc o a lc a l lp r o d u c em u c hg a sp o l l u t a n t ，s u c ha ss 0 2 w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，s 0 2p o l l u t i o na n da c i dr a i np r o b l e mh a v e b e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e m ，i th a sn o wb e c o m eo n eo fo b s t a c l e si nt h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，w h i c hp r e s sf o rs t u d y i n ga n di n v e n t i n gt h en e w d e s u l f u r i z i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y t h ed e s u l f u r i z i n g t e c h n o l o g yv i as t r o n gi o n i z a t i o nd i s c h a r g ew a sr e c e i v e dr e c o g n i t i o nf r o mt h es t u d e n t s a so n eo fn e wd e s u l f u r i z i n gt e c h n o l o g y t h er e m o v a lo fs 0 2w a ss t u d i e du s i n gs t r o n g i o n i z a t i o nd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ei nt h ea b s e n c eo fk a t a l y s ta n da b s o r b e n t b yt h i s m e t h o d ，s 0 2w a sd i r e c t l yo x i d i z e di n t oh 2 s 0 4i na i r t i g h tp l a s m ar e a c t o ru n d e rt h e c o n d i t i o no fr o o mt e m p e r a t u r ea n dn o r m a lp r e s s u r e i th a sr e a l i z e df l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o na n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o nw i t h o u ta n yp o l l u t i o ni nt h ew h o l ec h e m i s t r y r e a c t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h eb a s i ct h e o r yo ft h ed e s u l f u r i z i n gt e c h n o l o g yv i a s t r o n gi o n i z a t i o nd i s c h a r g e ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e st w op r o c e s s e s ：o n ei st h eb i r t ho f n o n t h e r m a lp l a s m au s i n gs t r o n gi o n i z a t i o nd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，a n o t h e ri st h e d e s u l f u r i z a t i o nf r o mt h es i m u l a t e dg a ss t r e a m su s i n gn o n - t h e r m a lp l a s m a p l a s m a d e v i c ew a ss e t u pb a s e do nt h i st h e o r y i tc a na c h i e v es t r o n gi o n i z a t i o nd i s c h a r g ea n d i m p r o v et h ed e s u l f u r i z a t i o nr a t eb yi m p r o v et h ed i e l e c t r i cm a t e r i a lo fd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ，p r o c e s ss k i l la n dt h es t r u c t u r eo fd i s c h a r g eg a p t h e n ，t h es i m u l a t e dg a si s u s e di ne x p e r i m e n t so fs i n g l ev a r i a b l ea n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nd e s u l f u r i z a t i o nr a t e a r ed o n e b u tt h i se x p e r i m e n tc a r r i e so nr e s e a r c ho ns e v e r a lf o l l o w i n gi n f l u e n c e f a c t o r s ，w h i c hi n c l u d ei m p u tv o l t a g e 、s 0 2p r i m a r yc o n c e n t r a t i o n 、h 2 0c o n t e n t 、 r e s i d e n c et i m e 、f r e q u e n c ya n do x y g e nc o n t e n t ，b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n s o f e x p e r i m e n tc o n d i t i o na n ds o m eo t h e rf a c t o r s t h e i n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r s0 n d e s u l f u r i z a t i o nr a t ew a sa n a l y z e db ys i n g l ev a r i a b l ee x p e r i m e n t t h er e l a t i o nc u r v eo f s i n g l ev a r i a b l ei n f l u e n c eo nd e s u l f u r i z a t i o nr a t e i sc o n c l u d e d w ec a r ld e s i g na l l i i 江苏大学硕士学位论文 o r t h o g o n a le x p e r i m e n tt oa n a l y s i st h es i g n i f i c a n c el e v e lo ft h e s ei n f l u e n c ev a r i a b l e s a n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h e s ev a r i a b l e sw a sm a d ea f t e rt h er u l eo fs i n g l ev a r i a b l e e x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h em u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l w a sf o u n d e db yt h em e t h o d o fs i m p l er e g r e s s i o no r t h o g o n a ld e s i g n ，t h er u l eo fe x p e r i m e n tt a r g e ta n ds i n g l e v a r i a b l ei sc o n c l u d e d i na d d i t i o n ，w ec a na l s of i n do u tt h ec o n d i t i o na s s o c i a t i o no f t h eo p t i m u me x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n dp r o v et h er e s u l to fo r t h o g o n a le x p e r i m e n tb y l i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n w h e ns 0 2p r i m a r yc o n c e n t r a t i o n ，o x y g e nc o n t e n t ，i - 1 2 0c o n t e n t ，t h er e s i d e n c e t i m eo fg a ss t r e a m sf l o w i n gt h er e a c t o r , g a sf l u x ，h n p u tv o l t a g ea n d 行e q u e n c ya r e r e s p e c t i v e l y3 4 5 x 1 0 。6 ( v v ) - - 3 5 5 x 1 0 6 ( v ) ，2 1 ( v v ) ，2 1 ( v v ) ，0 8 5 s ，0 1 6 m 3 h , 3 5 k va n d1 2 0 k h z ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et i p t o pd e s u l f u r i z a t i o nr a t e w a so v e r8 0 i ti so b v i o u st h a tw ec a na t t a i nr e l a t i v e l yp e r f e c td e s u l f u r i z a t i o nr a t e u s i n gs t r o n gi o n i z a t i o nd i s c h a r g e k e yw o r d s ：n o n t h e r m a lp l a s m a , s t r o n gi o n i z a t i o nd i s c h a r g e ，d e s u l f u r i z a t i o n ， r e s o u r c eu t i l i z a t i o n i i i 广 。e 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1选题背景1 1 2 等离子体烟气脱硫的研究进展2 1 2 1 传统烟气脱硫技术简介2 1 2 2 等离子体烟气脱硫的研究现状3 1 2 3 等离子体烟气脱硫的发展趋势7 1 3 本课题的研究目的和内容8 1 3 1 研究目的8 1 3 2 研究内容9 第二章介质阻挡强电离放电脱硫的理论基础和方案设计1 0 2 1 介质阻挡强电离放电产生等离子体的基本理论1 0 2 1 1 介质阻挡强电离放电的物理机制1 0 2 1 2 介质阻挡强电离放电中高浓度o h 。的形成1 2 2 2 介质阻挡强电离放电脱硫的机理分析1 3 2 2 1 介质阻挡强电离放电的电场强度1 3 2 2 2 等离子体中的电子能量分布图1 4 2 2 3 介质阻挡强电离放电脱硫机理1 5 2 3 介质阻挡强电离放电脱硫的方案设计1 6 小结18 第三章等离子体反应装置的设计1 9 3 1 等离子体反应器的结构设计1 9 3 1 1电介质2 l 3 1 2 放电间隙2 4 3 2 电参数的设计2 4 3 2 1 外加电压范围的初步估算2 4 3 2 2 电源频率的选择2 5 3 3 关键性问题的解决2 5 小结2 6 第四章介质阻挡强电离放电脱硫实验研究2 7 4 1 实验流程2 7 4 2实验装置2 8 i v 江苏大学硕士学位论文 4 2 1等离子体反应装置2 8 4 2 2 配气装置2 8 4 2 3 测量方法2 8 4 3实验步骤2 8 4 4 影响脱硫率的单因素实验及分析2 9 4 4 1 # 1 - j j n 电压对脱硫效率的影响3 0 4 4 2s 0 2 初始浓度对s 0 2 脱除率的影响31 4 4 3 含水量对脱硫效率的影响3 3 4 4 4 停留时间对脱硫效率的影响3 4 4 4 5电源频率对脱硫效率的影响3 5 4 4 6 含氧量对脱硫效率的影响3 6 4 5 影响脱硫率的多因素正交实验设计及分析3 8 4 5 1确定因子与水平3 8 4 5 2 正交实验表头设计3 9 4 5 3 数据的极差分析3 9 4 5 4 数据的方差分析4 l 小结4 2 第五章多元线性回归模型的建立。4 5 5 1确定因子水平的变化范围4 5 5 2 对每一因子的水平进行编码4 5 5 3 数据分析4 6 5 4 零水平处的失拟检验4 8 5 5 对影响因素的组合优化设计。4 9 小结5 1 第六章结论与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望5 2 参考文献5 4 致谢5 9 攻读学位期间发表的论文6 0 v * 。 代 。卜 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，我国对能源的需求量快速增加，由于能源消 耗带来的环境污染问题也日益严重。我国是最大的煤炭生产国和消费国，燃煤烟 气中所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室 效应的主要根源。目前，世界上很多国家在烟气脱硫时多采用抛弃法，污染重且 浪费资源。我国是一个人多、地少、资源有限的国家，国外先进的脱硫技术不一 定适合我国的发展需要，我国不能一味的靠引进现成的装备和技术来解决日益严 重的s 0 2 污染问题，必须开发出适合自己发展的新技术，应开发回收型烟气脱硫 技术来解决我国硫资源短缺的问题。介质阻挡强电离放电脱硫技术不需要外加吸 收剂和催化剂，生成的产物是重要的化工资源h 2 s 0 4 ，实现了资源化和无二次污 染，是资源化脱硫的新方法，有利于我国国民经济的可持续发展。 1 1 选题背景 到2 0 世纪9 0 年代初，欧美等发达国家对s 0 2 的排放控制取得了很好的效果， 基本控制了国内的酸雨和s 0 2 污染恶化的趋势。而我国目前对s 0 2 排放的控制尚 处于起步阶段，很多城市污染源排放不达标。尽管我国早在7 0 年代就开始了对 燃煤脱硫技术的研究，但由于种种原因，我国对脱硫技术的研究开发工作力度不 够，已经开发出的多种脱硫技术很多仍处于试验阶段，实用性差。由于脱硫势在 必行，世界上很多国家都在致力于新兴脱硫技术的研发，为了适应世界发展的趋 势，加强我国在国际上的竞争和合作，我国必须制定出适合自己国情的脱硫战略， 加快我国脱硫技术的研究和应用。 由于人类制造排放的s 0 2 数量逐年增加，早在2 0 世纪8 0 年代，s 0 2 污染物 就已经成为大气环境的第一大污染物【啦】。我国的能源构成以煤炭为主，其消费 量占一次能源总消费量的7 5 。煤炭的大量直接燃烧造成我国大气污染呈煤烟型 污染的特点，其结果是向大气中排放s 0 2 ，n o x 和烟尘等污染物【3 5 1 。在我国， 燃煤s 0 2 排放量占总s 0 2 排放量的8 5 以上。1 9 9 5 年我国煤炭消耗量1 2 8 g t ， s 0 2 排放量达2 3 7 m t ，超过美国的2 1 m t ，成为世界上最大的s 0 2 排放国。 s 0 2 的大量排放使城市空气污染不断加剧。根据国家环保局19 8 9 年中国环 江苏大学硕士学位论文 境公报，全国城市s 0 2 年日平均浓度的平均值为1 0 5 t g m 3 ，南方和北方城市日 平均浓度分别为1 1 9 9 9 m 3 和1 9 3 1 a g m 3 ，均超过国家大气质量二级标准【6 7 】。目前， 我国大气二氧化硫超标的城市还在不断增加。因此，控制s 0 2 污染工作已经刻不 容缓。 s 0 2 给人类带来的最严重的问题是酸雨问题。酸雨的危害是破坏森林生态系 统和水生生态系统，改变土壤性质和结构，腐蚀建筑物，损害人体呼吸道系统和 皮肤等。欧洲、北美及东亚地区的酸雨危害较严重【8 】。我国酸雨污染严重的区域 主要分布在华中、华南、西南和华东地区。继北欧、北美之后，我国青藏高原以 东、长江干流以南已经成为世界第三大酸雨区，6 1 8 的南方城市出现酸雨，酸 雨面积占国土面积的3 0 ，区域性酸雨污染严重。 s 0 2 污染和酸雨污染给我国经济发展造成了巨大的损失。根据中国环境科学 研究院、清华大学等单位的最新研究结果表明，由二氧化硫等导致的酸雨污染每 年给我国造成损失超过1 1 0 0 亿元，整个大气污染所造成的损失每年约占我国 g d p 的2 至3 。专家指出，这一估算没有考虑大气污染对水体以及对材料、 建筑物腐蚀的影响，因而所得的结果仍是偏低的。s 0 2 污染和酸雨问题已经成为 我国经济发展的桎梏。我国以煤炭为主的能源结构在今后很长一段时间内不会改 变，煤炭产量和消耗量将会进一步增加，这必然导致s 0 2 的排放量进一步增加。 因此，必须对s 0 2 的排放加以控制，采取可靠措施对酸雨地区进行综合治理， 以保证资源、环境和经济的协调发展。 1 2等离子体烟气脱硫的研究进展 1 2 1 传统烟气脱硫技术简介 控制燃煤s 0 2 污染技术可分为四类：煤燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后烟 气脱硫以及煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，f g d ) 是世界上开展的唯一大规模商业化应用的脱硫方法 9 , 1 0 】，是控制酸雨s n s 0 2 污染 的最为有效的和主要的技术手段【i l j 。目前，世界现有的烟气脱硫技术按脱硫过 程是否有水参与及脱硫产物的干湿状态主要分为湿法、半干法和干法烟气脱硫。 按吸收剂的类型主要分为钙( c a c 0 3 ) 法、镁( m g o ) 法、钠( n a 2 s 0 3 ) 法、氨 ( n h 3 ) 法、有机碱等方法。世界上普遍使用的商业化技术是钙法，约占9 0 以 2 舅 r 。 忍 江苏大学硕士学位论文 上【12 1 。 湿法烟气脱硫技术相对比较成熟，是目前使用最广泛的脱硫技术。它的优点 是：脱硫反应速度快、效率高、脱硫剂利用率高；此外，它的运行可靠，操作简 单，便于推广和应用。主要缺点是：脱硫产物处理困难，一次性投资较大，运行 费用较高，容易造成二次污染。典型的湿法烟气脱硫技术是石灰石石灰抛弃法 和石灰石石膏法。 半干法烟气脱硫技术优点是：工艺设备简单、基建投资比湿法小、不需要废 水处理和烟气再加热、能耗较低。主要缺点是：副产品只能用于陆地填充，通常 只适合中小型机组的工业和民用锅炉1 3 , 1 4 】。典型的半干法烟气脱硫技术是喷雾干 燥法。 干法烟气脱硫技术的优点是：反应在无液相介入的完全干燥状态下进行，反 应物亦为干粉状，不存在腐蚀和结垢等问题。相对于湿法脱硫技术，干法脱硫技 术具有耗水量少、不造成二次污染、硫便于回收【1 5 】。缺点是：反应速率较低， 脱硫率不高。典型的干法烟气脱硫技术是干法喷钙类脱硫技术【8 l 。 传统的烟气脱硫技术缓解了s 0 2 和酸雨污染的严重局面，在长期的运行中积 累了可靠的经验，通过不断的自我完善和发展，使得脱硫工艺日趋成熟。但是随 着世界人口的增加、城市化进程的加快，能源消耗的不断增加，尤其是煤炭资源 消耗量的大幅度增加，使得s 0 2 的排放量不断增加，s 0 2 和酸雨污染问题日益严 重，传统的烟气脱硫方法已经不能完全满足形势发展的需要。因此，有些学者提 出了使用“等离子体技术来治理s 0 2 和酸雨污染。 1 2 2 等离子体烟气脱硫的研究现状 等离子体是电离气体，是物质存在的基本形态之一，与固态、液态、气态 并列，成为物质第4 态，是由电子、离子、原子、分子和自由基等粒子组成的 集合体，具有宏观尺度的电中性和高导电性。等离子体的分类方法很多，按温 度可将等离子体划分为热力学平衡态等离子体和非热力学平衡态等离子体。当 电子温度( t e ) 与离子温度( t i ) 、中性粒子温度( t g ) 相等时，等离子体处于热力学 平衡状态，称之为平衡态等离子体( e q u i l i b r i u mp l a s m a ) 。因为温度一般在 5 1 0 3 k 以上，故而又称其为高温等离子体( t h e r m a lp l a s m a ) 。当t e t i 时，称 之为非平衡态等离子体( n o n t h e r m a le q u i l i b r i u mp l a s m a ) 。其电子温度高达1 0 4 k 3 江苏大学硕士学位论文 以上，而其离子和中性粒子的温度却比较低，因此，整个体系的表观温度还是 很低的，故又称之为低温等离子体( c o l dp l a s m a ) 。等离子体的应用技术因其特 点而异。高温等离子体技术是利用等离子体的物理特性。而低温等离子体技术 则利用其中的高能电子参与形成的物理、化学反应过程，通过这些物理化学过 程可以完成许多普通气体及高温等离子体难以解决的问题。故在大气污染的处 理中，主要应用低温等离子体技术【1 “18 1 。 等离子体脱硫技术作为一种新兴的脱硫技术日益受到世界各国研究人员的 重视，它是采用极端的物理手段来解决脱硫过程中的一些疑难问题，实践也证明， 它比传统的烟气脱硫技术有很多优越性。 2 0 世纪8 0 年代，物理学者开始将等离子体技术引入酸雨治理中，以解决传统 干式回收s 0 2 方法中的疑难问题，但研究结果并不令人满意。为此，科学工作者 对等离子体烟气脱硫技术进行了进一步的探索和研究。从2 0 世纪7 0 年代开始，国 际上先后开发了电子束法烟气脱硫技术( e l e c t r o nb e a mf l u eg a st r e a t m e n t p r o c e s s ，简称e b a ) ，介质阻挡放电法烟气脱硫技术( d i e l e c t r i cb a t t i e rd i s c h a r g e ， 简称d b d ) 和脉冲电晕法烟气脱硫技术( p u l s ec o r o n ai n d u c e dp l a s m ac h e m i c a l p r o c e s s ，简称p p c p ) 等电法烟气脱硫技术，由于这些新开发的工艺均需用电激活 烟气中的n 2 、0 2 、h 2 0 等介质，因此，可以统称为等离子体脱硫技术。 1 ) 电子束法烟气脱硫技术 2 0 世纪9 0 年代，日本原子力研究所桥本照司提出电子束法电离烟气干式脱 硫方法【1 9 】，经过2 0 多年的研究和发展，已经从小试、中试和工业示范逐步走向 工业化。我国在四川成都建造了电子束法烟气脱硫技术( e b a 法) 的工业示范厂。 该法的主要原理是在反应器内，电子束照射含有水蒸气的烟气时，会使烟气中的 n 2 、0 2 和水蒸气等发生辐射反应，产生强氧化性的自由基o 、o h 、h o ：和0 3 等。通过这些自由基将烟气中的s 0 2 氧化为s 0 3 或者相应的h 2 s 0 4 ，如果事先在 反应器中注入接近化学计量比的氨气，最终就生成硫铵，用静电除尘器收集硫铵， 净化后的烟气直接排出。脱硫过程中主要发生的化学反应为： n 2 ，0 2 ，h 2 0 + e - o h ，o ，h o ：，n s 0 2 + o _ s o s s o s + h 2 0 叶h 2 s 0 4 4 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 一 r 愿 、 江苏大学硕士学位论文 s 0 2 + o h _ h 2 s o ：( 1 4 ) h 2 s o ；+ o h _ h 2 s 0 4( 1 - 5 ) 有氨存在时，生成的酸会与氨反应生成硫铵： h 2 s 0 4 + n h 3 _ ( n h 4 ) 2 s 0 4 ( 1 6 ) 电子束法脱硫是一种脱硫新工艺，整个脱硫过程为干法，不产生废水废渣， 流程简单，过程易于控制，对不同含硫量的烟气和烟气量有较好的适应性，可以 达到9 0 以上的脱硫率刚。该法的优点：解决了脱硫过程中s 0 2 氧化，铵盐回 收以及催化剂中毒的难题。缺点：能耗偏大，运行和维护技术费用高，产生对人 体有害的x 射线，需要严格的防辐射屏蔽设施，需要外加吸收剂n h 3 ，生成的 铵盐不是高效化肥等问题。 2 ) 脉冲电晕法烟气脱硫技术 为解决电子束法中存在的一些缺点，1 9 9 0 年增田闪一等人提出了“高电压窄 脉冲电晕放电产生等离子体化学法脱硫技术”【2 l 】。脉冲电晕法( p p c p 法) 类似于 电子束法，它用高压脉冲电源来代替电子束法中的电子加速器。目前认为其主要 原理是利用高电压脉冲电源在普通反应器中电晕放电形成等离子体，等离子体产 生的高能电子将h o h 及o o 键打开，使之成为o 、o h 等自由基，通过这些自 由基或活化粒子将s 0 2 氧化，然后形成h 2 s 0 4 ，如果事先在反应器中注入接近化 学计量比的氨气，最终就生成硫铵，再由布袋过滤器或者静电除尘器收集作为化 肥用，从而实现烟气脱硫【2 2 2 3 1 。p p c p 法脱硫过程中发生的主要化学反应与e b a 法基本相同，两者主要区别是前者利用快速上升的窄脉冲电场加速而得到高能电 子，形成非平衡等离子体状态，产生大量的活性粒子，而驱动电子的能耗极小， 因而较后者能量利用率高，同时获得较高的脱硫效率。脉冲电晕技术成本较低， 无二次污染，有一定的应用前景。目前，脉冲电晕放电法仍处于中间试验阶段， 还有许多问题有待研究解决( 如实验研究不充分、脱除过程研究不深入和脉冲电 源的性能有待改善等) 【2 4 】。 日本电子技术综合研究所的恩田和夫等人在2 0 世纪9 0 年代进行了脉冲放电 法脱硫研究【2 5 】，2 0 0 1 年，y o u n gs u nm o k 等人2 6 1 也同样进行了脉冲放电脱硫研 究。他们研究得出的结论是：窄脉冲高电压电晕放电过程中平均电子能量低于 3 e v ，电离占空比小( 流光通道体积放电空间体积) ，具有将0 2 电离( 1 2 5 e v ) 的电 江苏大学硕士学位论文 子只占有百分之几，产生o h 等活性粒子浓度极低，很难将s 0 2 氧化为h 2 s 0 4 ， 生成的主要产物为亚硫酸铵，在大于5 4 c 时又分解成n i l 3 、s 0 2 ，无法回收，且 造成二次污染【2 7 】。1 9 9 5 年，定方正毅【2 8 1 以及刘书海【2 9 1 等人指出脉冲电晕放电等 离子体化学脱硫过程是热化学反应，产物是亚硫酸铵，它在大气中将被分解成 s 0 2 、n h 3 等有害气体，反而加重了烟气污染。2 0 0 0 年，张芝涛等人【3 0 】的研究报告 指出，烟气温度为6 4 时，窄脉冲高电压s 0 2 脱除率达到9 0 ，此时铵盐回收率 仅为8 2 ，9 0 以上为气态亚硫酸铵盐被排空。2 0 0 0 年，中国工程物理研究院与 有关单位共同承担的国家科技部“九五 攻关课题所建立的烟气处理量为 1 2 x 1 0 4 m 3 h 的工业化试验装置，是当时世界上烟气处理量最大的工业化试验装置 3 1 1 。但在实验过程中也发现了上述类似的问题【3 2 1 。 从技术角度看，脉冲电晕放电脱硫技术仍然存在不少难题，其工业应用尚待 时日 3 3 - 3 5 】。脉冲电晕放电脱硫技术不能完全解决电子束法脱硫中存在的问题， 很难大面积推广和应用。 3 ) 介质阻挡放电法烟气脱硫技术 由于现有技术的限制，通过介质阻挡放电法( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，简 称d b d ) 电子从电离电场中获得的平均能量低于5 e v ，介质阻挡放电过程中仅有 - , b 部分电子取得的能量能够满足激发、离解烟气中的n 2 、0 2 和水蒸气，产生o 、 o h 等活性粒子的需要，因此，该法也很难将s 0 2 氧化为h 2 s 0 4 。 1 9 9 1 年，m o ob e e nc h a n g 等j x , 3 6 】采用管式介质阻挡放电进行模拟烟气脱硫 研究。此法是干法，不外加吸收剂n h 3 ，也不加吸收剂，但由于电子能量很低， 产生o h 量很少，脱硫率很低，而且存在烟气在等离子体反应室内停留时间过长， 能耗偏大等问题。为解决这些难题，提出了在此基础上外加紫外线照射强化烟气 电离过程，虽然提高了脱硫率，但能耗进一步加大，还存在工程上无法实施的问 题。1 9 9 2 年，m a n a b uh i g a s h i 等j k ：3 7 】也做过类似的研究工作，同样也没有解决上 述问题。2 0 0 0 年，eaf i l i m o n o v a 等人【3 驯进行了脉冲放电和介质阻挡放电脱除s 0 2 的化学模型基础研究，他们指出介质阻挡放电的平均放电场强度、流光占空比( 流 光体积放电空间体积) 比脉冲电晕放电高出1 0 倍、1 0 0 倍以上。而介质阻挡放电 的s 0 2 脱除率也仅达到2 8 ，也远满足不了燃煤烟气脱硫效率的要求。 2 0 0 2 年，h o n g b i nm a 等人【3 9 】采用板式介质阻挡放电方法进行模拟脱硫研究， 6 f 。 江苏大学硕士学位论文 他们想用介质阻挡放电方法解决脉冲电晕放电脱硫存在的问题，以便代替电子束 法进行烟气脱硫【4 0 ，4 。当模拟烟气中s 0 2 初始浓度为2 6 0 1 0 。6 ) 时，在不力 i n h 3 时，s 0 2 脱除率仅为1 0 ，加n h 3 时，s 0 2 脱除率达到9 0 。 可以看出，介质阻挡放电法脱硫并没有解决脉冲电晕放电脱硫和电子束法脱 硫方法中存在的问题，不能满足实际烟气脱硫的需要。 4 ) 介质阻挡强电离放电法烟气脱硫技术 为了解决传统烟气脱硫方法和现有烟气电离放电脱硫方法中存在的问题， 2 0 0 0 年以来，白希尧等人提出了强电场电离气体方法【4 2 】，通过该法电子从电离 电场中获得的平均能量大于1 0 e v ，电子浓度大于1 0 1 5 c i n 3 ，能够将烟气中的大部 分h 2 0 、0 2 、n 2 等气体分子加工成高浓度的o h 等活性粒子【4 3 】，在高温、不加催 化剂和吸收剂的条件下，在密闭的等离子体反应室内，用很短的时间就能将烟气 中的s 0 2 直接氧化为重要的化工资源h 2 s 0 4 ，用电收雾器收集酸雾，净化后的烟 气直接排出。 2 0 0 5 年，自敏冬等人采用介质阻挡强电离放电方法进行模拟烟气脱硫 4 4 , 4 5 1 。 研究结果表明，在无吸收剂、催化剂的条件下，仅在0 8 s 内就能将烟气中s 0 2 、 h 2 0 和0 2 电离后在分子层次上加工成h 2 s 0 4 ，实现了快速资源化脱硫。 介质阻挡强电离放电法烟气脱硫技术的主要优点是：脱硫可以在环境友好的 常压以及室温条件下进行脱硫，整个脱硫化学反应过程是在密闭的等离子体反应 器中进行的，脱硫产物为重要的化工资源h 2 s 0 4 ，实现了化学反应过程的零环境 污染和资源化脱硫。此外，化学反应过程是安全的，不存在释放有毒、有害的化 学物质、爆炸和起火等问题。脱硫过程中仅使用廉价的水和空气，脱硫成本比较 低。主要缺点是：该法提出的时间相对较短，该技术还相当不成熟，还处于实验 室阶段，具体的脱硫机理仍不清楚。 强电离放电脱硫方法可以从源头上解决了环境污染问题，基本上解决了现有 烟气电离放电脱硫方法中的一些问题，有望成为控制s 0 2 和酸雨污染的新方法。 1 2 3 等离子体烟气脱硫的发展趋势 在常压条件下，利用某种放电产生非平衡等离子体，并应用于环境污染控制 领域，是近几年国内外研究的一个热点。等离子体烟气脱硫技术是利用某种放电 机制产生高能电子，激发、离解气体分子，生成大量的活性粒子，通过这些活性 7 江苏大学硕士学位论文 粒子与烟气中的s 0 2 反应，生成对环境无害、比较容易去除的物质或者是可以再 利用的物质。今后，等离子体烟气脱硫发展趋势是在保证足够的脱硫率的基础上， 实现“无害化、减量化、资源化”。 西方发达国家的脱硫系统已经有几十年的运行经验，几种主要的脱硫技术都 取得了重大的发展。但是国外成熟的脱硫技术价格昂贵，运行费用高，很难在象 我国这样的发展中国家推广。为此，今后很长一段时间内，脱硫技术又会围绕降 低价格和运行费用等方面改进现有的脱硫技术和开发新的脱硫技术【4 8 1 。 等离子体资源化脱硫技术基本可以满足上面的要求。目前，国际上已有不少 学者从事强电场电离气体理论与方法的研究。我国已将强电离放电研究列为国家 自然科学基金重点项目。今后，介质阻挡强电离放电脱硫技术将成为f g d 技术的 热点之一。 1 3 本课题的研究目的和内容 1 3 1 研究目的 论文针对传统烟气脱硫技术的种种弊端和现有烟气电离放电脱硫技术的不 足，研究了介质阻挡强电离放电脱硫技术。该技术主要采用介质阻挡强电离放电 的方法把烟气中的大部分h 2 0 、0 2 、n 2 等气体分子加工成高浓度的o h 等活性 粒子，在常压条件下，将烟气中的s 0 2 直接氧化为重要的化工资源h 2 s 0 4 。该法 是实现零污染排放的绿色理想新方法，具有巨大的现实意义，有助于解决我国硫 资源短缺的问题，实现国民经济的可持续发展。 论文的研究目的主要有以下几方面： ( 1 ) 采用介质阻挡强电离放电法，以求获得足以将s 0 2 直接氧化为h z s 0 4 所 需要的o h 。、h 0 2 - 、o ( 1 d ) 等活性粒子。此法不加催化剂，也不用吸收剂，可以 解决脉冲电晕放电和电子束法产生低温等离子体脱硫方法的不足，为燃煤烟气脱 硫和解决酸雨问题提供一种新的方法。 ( 2 ) 在理论研究的基础上，设计合理的实验方案，对影响脱硫率的因素进行 比较全面系统的研究。建立统计模型分析烟气中含水量、烟气在反应室内的停留 时间和含氧量等因素对脱硫率的影响。在特定条件下，找出使脱硫率最优的组合 反应参数。 8 f 、 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过对模拟烟气脱硫做大量的理论和实验研究，为今后将介质阻挡强电 离放电脱硫技术用在实际烟气脱硫的运行环境中提供可靠的参