脉冲电晕脱硫脱硝除尘一体化的机理研究.docx

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1、脉冲电晕脱硫脱硝除尘一体化的机理研究化学工程师ChemicalEngineer2009年第5期综述文章编号:10021124(2009)05005105脉冲电晕脱硫脱硝除尘一体化的机理研究王丽敏(大庆师范学院化学化工学院.黑龙江大庆163712)摘要:本文介绍了脉冲电晕脱硫脱硝的发展趋势.脉冲电晕放电是产生等离子体的方法之一,目前已达到工业性试验阶段,它是一种集脱硫,脱硝为一体的干法脱硫脱硝技术.这种方法是利用脉冲等离子体产生的高能电子,将HO-H及00键打开,使之成为自由基和活化粒子,在有NH,等添加剂存在时,与SO及N反应,生成(NH)2s0和NH4NO,然后由布袋过滤器或静电除尘器收集作

2、为化肥用,该法具有显着的脱硫脱硝效果,成为目前的研究前沿.关键词:脱硫;脱硝;除尘;脉冲电晕;烟气中图分类号：X701.3文献标识码:AStudyofmechanismonthepulsecoronaplasmainsimultaneousdesuiphurizationanddenitrogenationanddedustWANGIj-min(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,DaqingNormalCollege,Daqing163712,China)AbstraccThispapeiTeviewedthedevelopmentofthepul

3、secoronaplasmadesulphurizationanddenitrogenationtechnology.Pulsecoronadischargeisoneofthemethods,WhichproduceplaSmainindustrialtestStagejtisakindofdrymethodsfordesulphurizationanddenitrogenationtechnology,whichcOntainthetwoprocessinoneinstallation.Thiskindofmethodisusinghigh-energyelectronproducedby

4、pulseplasma,rupurethechemicaIbondofHO-HandO-O,becomeradicalsandactivationparticles.WhenNH3additiveexisted,theyrespondwithSO2andNO,andgenerate(NH4)-SO4andNH4NO3.ThenpassingclothbagfiIterorelectricdustCollectorjtiscollectedaschemicalfertilizeEThismethodhavenotabledesulphurizationanddenitrogenationeffe

5、ct,Whichhasbecometheforwardpositionofresearchnow.Keywords:desulfurization;denitrogenation;dedust;pulsecorona;fluegas随着烟气脱硫和脱硝技术的发展,各国都开展了烟气同时脱硫脱硝技术的研究【】，目的是开发具有低于传统FGD和SCR组合工艺费用的新的SOx/NO联合脱硫技术,目前大多数新工艺处在开发阶段,尚未得到商业应用.粉尘是重要的污染源之一，燃煤锅炉排出的尾气中含有大量的Se),氮氧化物，还含有大量的烟尘,所以在脱硫和脱氮的同时,必须考虑除尘.除尘和脱硫脱氮一体化指在同一反应器内同

6、时除尘和脱硫脱氮,它比单独脱硫脱氮节约成本,是近年来研究开发的主要方向1.电场在环保上较多应用于除尘,忽略了烟灰富含多种金属氧化物,它正是好的脱硫剂,而且静电除尘设备投资也不小.特别是运转费用更不能忽略收稿日期:2009-02-Ol作者简介:王丽敏,主要从事无机化学的教学与科研工作.不计,烟气含尘量通常情况下为:20000mg?m-3o其中有脱硫作用金属氧化物占50%左右.这也是可观资源,但没有被有效利用.烟灰中32%左右的AlO和CaO,MgO,K2O,TiO2等碱性氧化物与脱硫液H2sO3中和产生亚硫酸盐,又有9.6%的三价铁与脱硫液中HSO反应产生Fe(SO.),Fe(So)易水解成Fe

7、(OH).,它不仅是硫的吸收剂,也是的还原剂.既有这些资源就为脱硫脱硝除尘一体化提供了条件.1脉冲电晕脱硫脱氮的反应机理二十世纪80年代初期日本,美国等学者【提出了脉冲电晕产生常压非平衡等离子体技术.与其他放电方式相比,脉冲电晕还具有以下优点：(1)脉冲电晕可在较高的脉冲电压下操作,而不像直流电晕那样在稍高的电压下易过渡到火花放52王丽敏:脉冲电晕脱硫脱硝除尘一体化的机理研究2009年第5期电,其活性粒子浓度可比直流电晕提高几个数量级;(2)由于在高电压作用下电晕区较大及放电空间电子密度较高,同时空间电荷效应也较明显使电子在反应区内分布趋于均匀,所以其活性空间也比直流电晕大得多;(3)由于电子

8、密度大,分布广,反应器可以设计为较大空间,可以允许反应器的制造误差要求放宽.1.1 电晕放电过程要使气流中的尘粒荷电,必须要有大量的离子来源,而这些离子的产生是利用放电电极周围的“电晕”现象来实现的.在通常情况下,气体是不导电的.但在外界能量(如宇宙射线,雷电,高强度电场)作用下,少数气体分子能发生电离,产生出极少量的电子和离子.若在正负两极间加上直流电压,并使极线为负极,这时气体分子电离所产生的正,负离子要向不同的电极移动,形成电流.见图1.媛脚电E/V图1电晕在气体中的放电特性FigJFlash-OvercharacteristicingasofCOFOna随着电压的增加,电流变化分为3个

9、不同的区域.区域(1):随着电压的增加,气体中离子被加速，部份离子到达电极.区域(2):气体离子全到达电极成为饱和状态.当电压升到时,形成区域(3),此时在放电电极附近具有相当高的电场强度,气体所含固有的少量电子被其加速到足够的速度并具有足够的能量,当与中性气体分子碰撞时,将中性分子中的电子碰出，从而使中性分子又电离出正离子和自由电子.如此重复多次,放电电极周围会集聚大量的自由电子和气体离子.这一过程称为“电子雪崩二见图2.在电子雪崩”过程中伴随着光的闪射,且时常发出响声，这一现象称为“电晕现象”.电晕发生在放电电极附近的区域,此区域称为电晕区,放电电极又称为电晕极.发生电晕的最低电压(称起始

10、电晕电压.图2气体的电离Fig.2Eectroionizationofgas电子的加速度是电场强度的函数.随着放电电极距离的增加,电场强度急剧减小;在离电晕电极定距离后,电子由于与中性分子碰撞不断的损失能量,而在该处的电场强度弱到不足以使其重新获得足够的能量来电离中性分子.因此,从该处起“电子雪崩”过程就停止,电晕现象随之消失,电晕区域般在极线周围半径约23mm范围内.电晕区以外的空间称为电晕外区,在这一区域内不发生气体的电离.在正常情况下,电子与某些中性气体分子碰撞后被这些气体所“吸住”,形成气体负离子,它们或向正极迁移到达极板,或与尘粒碰撞使尘粒荷电,但值得注意的是,如果中性分子“吸住”电

11、子的过程不能很快进行,多数自由电子则在电场力作用下直接跑向正极（集尘极）,由于电子的迁移速度相当快（约为气体离子的100o倍）,会使两极间形成很大的电流,产生频繁的火花放电,其情形与电容器被高电压所击穿相类似.结果使电晕放电被破坏,电离过程不能稳定进行,从而不能进行除尘.若电场中存在有电负性的气体,如0：,水蒸汽,CO.Q或s:等,这些气体分子能很快“吸住”快速跑向正极的电子,并以较慢的速度一起移向正极,从而就不会形成大电流,保证了电离过程的稳定性.由此可见,在电晕极为负极的负电晕放电情况下,电负性气体的存在是十分重要的.工业上处理的气体中大多含有电负性气体.如果在实际过程中没有电负性气体,则

12、可向气体中加入一定量的电负性气体.对于电晕极为正极的正电晕放电情况与负电晕放电相类似,只是由于正电晕放电产生的是大量的气体正离子,不需电负性气体存在就能保证放电过程的稳定进行.负电晕的起始电晕电压较低而击穿电压较高,电压运行范围宽,且在相向电压下,负电晕的电流大,因此,在工业性除尘中,广泛采用负2009年第5期王丽敏:脉冲电晕脱硫脱硝除尘一体化的机理研究电晕放电的形式.正电晕由于产生的臭氧比负电晕少得多(约为负电晕的1/10),从维护人体健康考虑，离子空气调节的小型除尘器多采用这种形式.1.2 反应机理脉冲电晕放电法是从电子束法发展而来的烟气脱硫脱硝技术,其机理与电子束法基本相同12。.脉冲电

13、晕等离子体法是靠脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体,产生高能电子(520eV).两者主要区别是:后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,而驱动离子的能耗极小,因而较前者能量利用率高,同时获得较高的脱硫脱硝效率.对脉冲电晕放电法反应机理的研究结果列举如下:通过脉冲放电产生的等离子体中含有大量高能电子,离子,激发态粒子和具有很强氧化性的自由基,其中活性粒子的平均能量高于气体分子的键能.这些活性粒子和有害分子碰撞的结果:一方面打开气体分子键生成一些单原子分子和固体微粒；另一方面产生大量?OH,?OH:,?O等自由基和氧化性极强的O,.由这些单原子

14、分子,自由基和O等组成的活性粒子所引起的化学反应最终将废气中的有害物质变成无害物质.02+e水一20+eH20+e牝一+H+OH+eH+02+H0202+0+03以上活性粒子使同样被电晕放电激活的SO,NO分子,经过一系列以活性粒子或自由基为基体的复杂的电化学反应：SO2+0S03;SO3+H20H2SO4;SO2+0HHSO3;SO3+OHH2SO4N00-NO2;NO2+OH+HN03;N0+03+N02+O2;NO+HO+HN02在添加氨的条件下,生成终产品铉盐2NH3+H2SO4H4SO4;NH3HNO3-+NH4NO3脉冲电晕放电与电子束相比,由于脉冲电晕只提高电子温度,而不提高离子

15、温度,能量效率比电子束照射法高两倍.脉冲电晕等离子体法设备简单,操作简便,投资较电子束照射法低40%.对烟气进行脱硫脱硝一次性治理所消耗的能量比当前治理任何一种气体所要消耗的能量要小得多,因而成为国际上脱硫脱硝的研究前沿.2脉冲电晕放电的影响因素2.1 电子吸附对So2的脱除的影响电子吸附现象被作为静电除尘器中脱除气体污染物的首要机理来研究【16】，据电子的能量等级,电子吸附有两种途径:三体吸附和分解吸附.发生这两种吸附的机理取决于电子的能量,气体分子结构和电子与分子间的亲和能.该领域的大部分工作都不完善,因为分子亲和能的数据目前了解的很少.在三体吸附中315kV的电晕放电产生低能电子,当电子

16、与有害气体分子（比如SO与NO）相遇时,可形成负离子,这些负离子与0:作用氧化成高价的氧化物SO,这些高价的氧化物与烟气中水蒸汽反应生成酸.若烟气中通入碱性吸附剂,生成的酸即被中和,最终生成硫酸盐.当发生分解吸附时,高能电子打开气体分子,污染物分子直接被分解,污染物被解除.背景气体分解可产生自由基,自由基和污染物发生氧化或还原反应.Chang等人【竹研究发现,离子问分重组也能产生自由基.Chang还发现,离子反应在放电化学中占很重要的地位,分子一离子相关的反应速率为自由基一分子之间反应速率的1010倍,因此虽然离子浓度比自由基浓度低的多,但是起反应效率可以和自由基反应效率相比.2.2 自由基与So:的反应当烟气中发生电晕放电时,即产生大量活性电子.活性电子通过碰撞