脉冲电晕脱硫脱硝工艺

脉冲电晕脱硫脱硝工艺

130

广东化工

第8期

第36卷总第196期

脉冲电晕脱硫脱硝工艺

王祺，黄海涛,王军

(广东工业大学环境科学与工程学院,广东广州510000)

【摘要】文章概述了脉冲电晕放电烟气脱硫脱硝技术的研究状况,对反应机理作

了分析，并指出其影响原因和目前存在的某些问题,最终对

该技术作了展望.

【关键词】脉冲电晕放电;脱硫脱硝;反应机理;影响原因

［中图分类号】X5【文献标识码】A［文章1007—1865()08.0130—02

RemovalofS02andNOxbyPulsedDischargeWangQi,HuangHaitao,WangJun

(Co11egeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuangdongUniversityofTe

chnology,

Guangzhou510000,China)

Abstract:ThepapersummarizedthedevelopmentofDe—S02andDe-

NOxinfluegasbypulseddischargitsreactionmechanismswasanalyzed,andthe

affectionfactorsandtheexistingproblemswerepointedout.Further一

more,thcpossibilityofitsapplicationwasdcmonstrated.

Keywords:pu1seddischarge;De-S02/De—

NOx;reactionmechanisn;affectionfactors

目前，国际上的烟气脱硫,脱氮技术重要以湿法，半湿法

及半干法为主.中国从80年代相继引进了湿法及半干法技术，

但由于这些脱硫，脱氮工艺大多为两步法,存在技术复杂，占

地面积大,投资和运行费用高,不能同步脱除烟气中H勺S02

和NO,且副产物难以运用等缺陷，使大部分企业难以承担这笔费用.在这样日勺背

景下,等离子体脱硫脱硝技术引起了广泛重视.J.S.Chang等对烟气脱硫脱硝技术

所作的经济分析结果为:化学措施一次投资最大，运行费用最高；电子束法(EBDS)

次投资次之，运行费用较低;脉冲甩晕法(PPcP)一次投资.少,运行费用较低，被

认为是具有极大市场潜力和良好应用.景时烟气脱硫脱硝新工艺J.

1脉冲电晕法烟气脱硫脱硝原理2】

1.1脉冲电晕法烟气脱硫原理分析

S02在脉冲电晕场中可以被氧化，也可以被还原清除..清除途径有三种(见图1).

图180.在脉冲电晕场中清除途径

Fig.1RemovalprocessoftheS02inpu1sedischargefield

氧化与还原只有在放电日勺条件下才存在,且是并行实验成果和微观反应动

力学的计算模拟成果都表明氧化是重要的清除途径.第三条途径为氨与SOz的热化

学反应，该反应为迅速反应,不受放电的限制,经氧化途径清除S02时,烟气温度是

一种重要影响原因.烟气温度的变化影响S02的清除效率，烟气温度上升，气体分子

H勺动能增长,热动能加剧,碰撞趋于频繁,活化分子的裂解和电离的几率增大,活化

粒子浓度和带电粒子数也随之增长,sOz『、J电晕氧化量增长，但输入功率也增长.

若输入功率不变，同步加氨时，电晕使反so,+2NH+I-I,。二(NH4)2SO,向

S02+2NH+1/21120=(NH4)2S04

转化,且反应平衡常数增长了10'数量级，因而S02的清除效率显着提高,反应

产物的稳定性也增长了.温度的变化除了影响S02的清除率外,还会使反应器间隙

击穿电压下降,能耗迅速增大，电晕氧化效果变差.因此,氧化清除S02时，以低温

为好,增长烟气中的含氧量能增长S02的氧化量.在脉冲峰

值和输入功率一定期,SO:日勺初始浓度变化,氧化量基本不变.但氧化效率下降，

这阐明SO『口电晕氧化量由烟气吸取『、J能.来决定，与S02口勺初始浓度无关.

真实烟气H勺成分复杂，其中存在大量飞灰(粉尘)，飞灰.具有碱性多孔氧化物，对

S02有一定H勺吸附脱除作用.但粉.在电晕场中也会因荷电而捕捉高能电子,使氧化

基减少，从.使SO的氧化率下降.假如烟气中将一定的湿度，粉尘表面.会吸取水分产

生水膜,S02与S03溶解在水膜中，同粉尘表.日勺碱金属氧化物反应生成固体盐.另首

先,烟气的湿度增K.活性基0,H02,OH『、J量也会随脉冲能量的增长而增长,.S02的

氧化清除率增长.尽管S02在脉冲电晕作用下清除的.要途径是氧化清除,SOz的还

原清除也同步存在.当脉冲电.发生剧烈的辉光放电时,在电晕极附近H勺气体成为高

浓度H勺.离子体(能量可达203),等离子体使S02处在激发态，当SO.分子获得的能

量不小于分子键结合能时,分子键断裂成新的.子.试验研究认为,在输入功率一定

期,S02分解还原率随.度日勺增长而减少.气体的流量对SOz日勺分解还原有较大的.响,

假如气体流量保持在3.2,4.8M/H间，分解率可达90.以上.烟气温度对S02的分解

率影响不大，伴随温度的增长.分解率略有下降.通过度析S0分解所得产物来看,温

度减.所得产物的粒径减小，温度升高粒径增大.无论氧化还是还.清除S02,所消耗

H勺能量，烟气在反应器中停留的时间以及.应器的构造等都是需要考虑的原因.从直

观口勺分析可以认为.输入能量越高,烟气在反应器中停留的时间越长,放电极口勺.效长

率靠近完全.高温下N的.收产物(NH4N03,和HN03)不稳定,尽管NO的氧化率高但.

易清除H能耗大.单独氧化NO试验时,认为温度越高,N.的氧化反应越难进行,M)的

氧化率与气体在电场中停留.间,NO的初始浓度及电晕功率可以表述.

[1一exp(-/c)]XloO%.NO氧化与脉冲电压极性关系较大.在气温低于1C0?时,

正极性脉冲电压效果很好.气温不小.150?时，负极性脉冲电压很好.无论正极性还是

负极性都.求有较短的脉冲上升前沿,这样单个脉冲的突发供能集中..添加NH3:清

除NO的氧化物时,添加物不影响NO『、J氧化率.但能有效地克制N02向NO口勺逆向分

解,增进N02的脱除.这对能量运用率的改善有利.烟气保持一定的湿度对N0的.化

清除是不可缺乏H勺,它首先能与N02和NH3,反应生.硝酸和硝氨，另首先NO的氧化

也需要011,110自由基.它们由水裂解产生.试验发现湿度大时,N0的氧化率将下降.

湿度对N0的氧化存在相反的影响，因而应有一种最合适的.度范围127-28】.

粉尘可吸附脱除N0和N,吸附率在2%,4%之间.因而会减少N0和N口勺脱除率.烟

气流量增长,则NO.NO的脱除率减少,在反应中停留越长,NO和N0的脱除果越好.

2脉冲电晕法烟气脱硫脱硝技术日勺既有研究

成果.

该技术诞生后各国学者竞相研究,通过近的发展.在脉冲电源和反应器及其匹配,

脱除反应机理，放电特性,.行条件等方面获得了大量有价值日勺研究成果.与工业性应

用.关的成果有:正极性放电优于负极性放电;脉冲电压上升前.要尽量陡;合适的直

流基压有助于电源和反应器匹配;脱除.率伴随单脉冲能量，脉冲频率H勺增长而提高；

能耗比电子束.低;温度以60,80?为宜；烟气中含水量对脱硫脱硝有利.飞灰对脉冲

放电脱硫脱硝没有不利影响;烟气在反应器中停.时间为10S左右;旋转火花隙式窄

脉冲电源最大输出功率.达40kw,能量转化率能到达86%;磁压缩开关电源最大.出功

率lOOkW,脉冲电压峰值达1[)(],150kV.

3脉冲电晕法烟气脱硫脱硝技术目前的研究

方向

(1)电源容量和可靠性问题.目前最大脉冲电源功率.lOOkW,按能耗5wh/Nm计算,

只能处理ONm烟气.与能在燃煤电厂应用尚有距离.中国工程物理研究院正在86.计

划下研制采用脉冲变压器和磁开关结合的新型大功率窄.冲电源,整个电源系统分为

4部分:谐振充电系统,高压脉.成形系统,磁锐化系统和控制及监控系统.为突破电

源限制.武汉安全环境保护研究院探讨了直流电晕脱硫.阎克平等进行了.流基压叠

加合适频率交流电压日勺脉冲电晕脱硝试验研究,在.型试验装置上获得了很好的脱硝

效果，并进行了UNm/.脱硫脱硝工业性试验,浙江大学林拗等进行了直流甩晕自由.

镶射脱硫脱硝技术研究.

(2)脉冲流光放电产生自由基和脱硫脱硝的微观机理及.应器和电源匹配研究，

以使脱硫脱硝系统最优%减少能耗.大连理工大学正在863计划资助下做这方面研

究.(3)副产物粘接问题.电子束法产物搜集电除尘采用增.振打强度措施，中国工程

物理研究院在中试装置上探讨了采.钢刷清理产物[25-31].

4脉冲电晕法烟气脱硫脱硝目前H勺原因刚

4.1能耗

该技术工业化应用的关键,是在保证脱除率的前提下，.低能耗，使之能被广泛应

用.有效地运用NH3与S02的热.学反应，以及运用电晕放电对反应的产物(NH4)2S0

进行氧.固定，是该法能否大幅度减少能耗的关键.

4.2氨添加剂

试验表明,氨增进了氧化产物间镀盐的转化，自身也可以脱硫，但只加氨而不加

脉冲电晕时生成物(NH4)2SO,NH4HS0的热稳定性较差,受热易分解,不能作为把料

使用，

而脉冲电晕能增进S02,NO向S03,N02转化,加氨后H勺.成物(NH4)2SO的热稳定

性高,可作为化肥使用.加氨量H勺.小,应综台考虑脱除效率,能量效率和副产品的回

收.4.3余氨问.

反应器中未完全反应日勺氨随烟气排入大气,会导致二次.染,注人过量氨以提高

脱硫脱氮效率是不可取II勺,可以适量.氨和在反应器后加H202口勺喷淋装置来处理.

4.4脱硫脱氮与除尘一体化

静电除尘与脉冲电晕等离子体脱硫脱氮都是运月电晕.电，电极构造相似，有结

合H勺也许性方案自：反应器前加氢.省掉除尘器，但回收的产品不是优质肥料,经济上

不台理;.尘器后加氢,省掉反应器,但脱除效率低,余氨量大,反应.物正盐比例低;不

通氨且反应器,除尘器采用正脉冲供电,.能耗太大，除尘效率减少.

4.5试验装置

有关脉冲电源,应采用脉冲电压上升时间短，峰压高(.界击穿)，宽度窄,频率不

太高且有直流基压H勺脉冲电源1j.要使反应器脱除效率高，能耗低,可通过优化抹冲

电源与反.器的合理匹配来实现.有关电极构造,应采用电晕放电最.烈,不发生频繁

击穿日勺电极构造.常用的电极构造为线一板.线一筒电极,线一板构造日勺缺陷是电晕

激活口勺空间不均匀,.硫效率下降;线一筒构造激活的空间太而均匀，更利于脱硫.氮

_26].

4.6处理时间

脱除效率随地理时间增长而提高，但逐渐趋于饱和能耗随处理时间线性增长.

在华中理工大学电力工程系口勺李谦等的研究中，得出的研究成果为:SOz氧化量并

非随烟气停留时间口勺增长而线性增长.首先，氧化一定期间后，剩余so：浓度低于

某值时,S02脱除量会减少，另首先，伴随S02氧化量增

大,逆反应也加剧，出现了氧化反应的正逆反应H勺动态平衡.克制了S02H勺继续

氧化.停留时间并非越长越好,时间过长.使能耗增尢能量运用率下降,这对装置H勺

实用不利.4_7处理温.

试验表明，在相似的脉冲峰压下，脱除效率和输入功率.烟气温度升高而增大,但

相似输入功率下,脱除效率随烟气.度升高而减少温度升高使击穿电压减少,能耗迅

速增大,.合考虑脱除率和能耗,一般可选65,100?.

4.8烟气成分H勺影响

烟气中具有一定日勺水蒸气时有助于活性基团日勺生成,并.吸附一定量的SOz和

NUx.通过试验得出结论：当水分含.低于微时，脱除率随水分增长而增大：当水分含

量在10.左右时，脱除率到达最大；当水分含量到15%时，脱除率.下降趋势.由前述，

在电压构成为脉冲电压叠加直流基压丛J.况下，飞灰的存在有助于提高脱除效率,而

S02的存在也有.于除尘,因此它们之间是具有一定的协同作用的13-16].4.9烟气

流量对脱硫效果H勺影.

在注入功率一定H勺条件下，sOz脱除率随烟气量H勺增长.减少.

（下转第141页）

第8期

第36卷总第196期

广东化工

.comPll

（上接第131页）

5脉冲电晕法烟气脱硫口勺展望

脉冲电晕等离子法烟气脱硫脱口勺关键是怎样减少能耗和

.减少能耗，首先怎样到达同步清除SO:,NO,及飞灰口勺171的

必须考虑脉冲电源和电极H勺优化匹配问题…，另•方面是揭示反

应过程和机理,弄清均相反应,尤其是多相催化反应H勺效应，并建立一种物埋，

化学相结合H勺综合性模型，以增进反应更快，更彻底地进行.还应充足考虑多种脉冲

电晕日勺效果,正脉

冲电晕不利于颗粒荷电和捕集，但脱硫效果好，负脉冲电晕.刚好相反.国内某研

究所研制出一种湿式电脉冲脱硫除尘.置.运用放电处理后的气流高速冲击入水,脱

碱和除灰效果.好.但这些应用都没有到达在同一种反应器内同步脱硫,脱.和清除飞

灰日勺目日勺必须另辟蹊径，或者是加强双极性脉冲电.时研究,或者住几种串联电扬中

分别运用正脉抑电晕和.脉冲甩晕的优势.对于产物目前脉冲电晕等离子体的研究大.

采用加氨制肥料日勺措施.假如直接将SO:,NO'.分解来制得.品，如硫单质，或者是将

SO!,NOr氧化后直接制酸,则经.效益更大.这些研究尚有待于深入探讨.

参照文献

［1］邱鸿恩,吴丹，容.烟气同步脱硫脱硝技术进展.化学工业及工.技

术，：1:(6):I—5.

［2］臼明.脉冲放电脱硫巾日勺电机控制与电气参数分析［D］.大连:大连.工大学一

［3］汤争光,朱联锡,邹四维,等.一种处理烟气的新措施一脉冲电晕等.子法1111.

四JII环境，1995,(3):16-20.【4］李困锋.脉冲电晕非热等离子体烟气脱硫反应器

H勺研究［D］.大连:.连理工大学,.

5］孙明.OH,NH自由基提高脉冲放电等离子体烟气脱硫效率日勺研.fD］.大连:大

连理工大学,.

[61严圈奇，浦理黎,黄小华.脉冲电晕放电烟气脱硫脱硝技术flJ.环境.

理，，4:5-7.

[7]F银生,季学攀.脉冲电晕等离子体脱硫脱氮与除尘技术1J1.上海环.科

^,,19(1):17-19.

[8]WuY,liY,WangNH,etal.Industrialexperimentsondesulfurization

offlucgasesbypulsedCOFonainducedplasmachemicalprocess[J].Journalof

Electrostatics,,57:233—241.

f9]('hangJS,CrashimaK,TongbYx,etal.SinmltaneousremovalofNOx

andS02fromcoalboilctfluegascsbyDCcoronadischargcammoniaradical

showersystems:pilotplanttests[JI.JournalofElectrostatics,,57:

313.323.

[10侏益民.脉冲电晕法脱硫脱硝研究概述口].环境科学进

展，1997,5(5).75.SO.

[11]姜雨泽.脉冲放电烟气脱硫脱硝技术的发展与探讨?.电力设备,.6(51

11.

[12]周黎明，杨兰均.高压脉冲电晕放电脱硫脱稍技术[J].高电压技

术.1995,21(3):25'29.

[13]李杰，吴彦，王宁会，等.脉冲电晕放电烟气脱硫的影响原因「J]..境科

学,，22(5):38-40.

[14]李谦，李劲，宁成等.脉冲电晕等离子体脱硫反应条件的优化「J】..境科

学与技术，1995,3:13-17.

[15]李杰.提高脉冲放电等离子体烟气脱硫效率的研究[D].大连:大连.工大

学，.

[16]任先文.水蒸气/氨活化在脉冲电晕脱硫工业中试装置上的应用[J]..境污

染与治理,，26(6):421-423.

[171聂勇，李伟,施耀,等.等离子体反应器的改善及其与脉冲电源问.匹配.电工

电能新技术,，23(2):64—68.

[181毛本将,王保健,姜一鸣,等.等离子体烟气脱硫脱硝工业试验装.[J].电力

环境保护，，16(3):5-7.

[19]王保健,赵君科，任先文,等.电晕放电等离子体烟气脱硫工业化.验}J].化

工环境保护,，24(6}:436^439.f201赵君科,千保健，任先文,等.脉冲电晕等离子体

烟气脱硫工业试.研究[J1,中国工程科学,，4(2):74-78.

[21]刘志国，戚栋,If宁会,等.脉冲电晕法烟t脱硫控制系统设计fj]..表技

术与传感器，，8:21—23.

F221李芳,王文春,刘东,F,等.脉冲电晕放电脱硫产物研究[J].环境.

学，1999,3(20):29—33.

f23]赵君科,王保健，任先文,等.脉冲电晕等离子体烟气脱硫脱硝中.装置(J_.

环境工程,,19(6):43—45.

[24]戚栋,李春荣，壬宁会，等.脉冲电晕法中町双脉冲电源的研制..电压技

术，，30(10):58—59.

[251严国奇,潘理黎,黄小华.脉冲电晕放电烟气脱硫脱硝技术1J].环.治

理，，4:5-7.

[261晏乃强,吴祖成,谭天恩.脉冲电晕放电治理有机废气的研究一一.电反应器

构造fjl.t诲环境科学,，19(6):278—281.[27]姜雨泽，吴彦，1手宁会,等.脉冲放

电脱硫产物H勺搜集IJI.环境科学.,21(2):50—53.

[28]谢敏，丁伯南,刘云涛，等.脱硫用霞复频率脉