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流光放電等離子體在環(huán)保方面的應用

2009/3/18

水處理新技術:流光放電等離子體在環(huán)保方面的應用
摘要: 本文介紹近期在流光放電低溫等離子體產業(yè)化過程中的二個核心問題, 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的串聯(lián)組合，分別對不同的污染物進行治理，至
今為止, 還未能采用簡單經濟的單一技術對煙氣中的多種污染物同時處理。由于流光放電低溫等
離子體可有效地產生高能電子、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
在近二十年來一直被認為是下一代技術，同時除去煙氣中的多種污染物 [1]。灰塵在放電等離子
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，達到凈化的目的。若使用氨中和劑，副產物可為復合肥使
用。然而要實現(xiàn)該技術的產業(yè)化, 需要解決的二個核心技術問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，而且能治理有機氣體 VOCs，除去HCI、HF、H2S、二惡英、重金
屬 (如Hg) 等，同傳統(tǒng)技術相比，成本也許能減少幾倍。對電力、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用前景。本文主要介紹對上述兩個核心技術問題的近期研
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: 同步式和隨機式, 它們的基本特性列
于表1。目前在荷蘭、日本、韓國和中國都進行著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, 主要的開關器件為火花式和磁壓縮。隨機式流光
放電等離子體系統(tǒng)是基于高頻交直流疊加電源 (AC/DC), 電源全部采用半導體開關器件。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)生方法對應著不同的電源及反應器設計, 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)應用
3.1 下一代煙氣凈化系統(tǒng)
將來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。事實上幾乎所有的燃燒器都產生這些污染物, 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器對煙氣進行預處理氧化及煙塵調質,提高電
除塵器效率。利用第二套半濕式等離子體反應器實現(xiàn)從SOx、NOx 到(NH4)2SO4、NH4NO3 的轉換。等
離子體產生的初始自由基主要是O、OH 和 H, H 很快通過反應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反應主要是與
氣相中NOx 的氧化及液相中S(IV)與S(VI)之間轉換有關,圖4 及圖5 分別說明所關聯(lián)的主要過
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 公司所報到的10-
15 Wh/Nm3 降到2-4 Wh/Nm3 左右, 產物的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, 更詳細的工業(yè)研究還在實施中。
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器
圖2, 30 kW 短脈沖電源
及等離子體反應器
國家863 計劃項目（杰特科技）
表1. 同步式和隨機式流光放電等離子體的特性比較
特性 同步式 隨機式
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
流光放電時差 同步
2 - 5 ns/100mm
隨機
20 ns -1 ms/100mm
優(yōu)點 等離子體的功率密度
可調范圍大
電源相對簡單技術成熟
缺點 電源復雜有待開發(fā) 等離子體的功率密度
可調范圍小
電源的估價及現(xiàn)狀
(100 kW)
60 萬(人民幣)
試生產(中荷環(huán)保)
相對便宜
生產(杰特科技)
應用領域 高低溫除塵及多種污染物的同時處理, 除臭, 滅菌, VOCs 處理, 水
凈化等
圖4, NOx 的等離子體氧化過程
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 空氣中有機揮發(fā)性氣體VOCs 及臭氣的凈化處理
濃度低、風量大是治理有機揮發(fā)性氣體VOCs 及臭氣的最大難處。傳統(tǒng)的污染控制技術有各
種洗刷過濾、稀釋及燃燒、活性碳吸附、催化、靜電除霧等, 一般來講這些傳統(tǒng)技術效果不佳經
濟性差, 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)技術的組合不僅可以
減少等離子體電耗, 而且能控制有害副產物的形成, 提高性能價格比 [1,3,8]。圖6 顯示一5000m3/h
移動式等離子體與金屬網過濾器組合為一體的凈化器。對空氣中低濃度有機揮發(fā)性氣體VOCs 的
治理, 能耗一般為10-50 eV/分子, 大部份副產物為氣溶膠。對食品工業(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, 處理時間在 10 ms-1.0 s 之間。這樣低的能耗
及如此短的處理時間使得等離子體有著很強的市場竟爭力。圖1 及圖2 顯示的等離子體系統(tǒng)可應
用于風量為20,000-50,000 m3/h 的工業(yè)除臭。
3.3 生物質燃氣的的凈化處理
隨著全球對CO2 排放的限制及能源的緊缺, 可再生的生物質清潔能源越來越受到重視, 生物質
氣化技術是高效利用生物質的重要途徑[9]。從生物質氣化爐生成的粗燃氣含污染物NH3、HCN、
HCl、H2S、顆粒及各種芳香烴焦油, 焦油的成份十分復雜, 有酚、萘、苯、苯乙烯等。隨燃氣溫
度的下降, 重烴及輕烴相繼從燃氣中凝結出來, 同固體雜質混合形成結實的灰垢, 堵塞管道, 很
難清除, 是燃氣凈化最頭痛的問題。目前采用的凈化技術主要有水洗、過濾、熱分解及催化分
解。水洗除焦既浪費能量又造成二次水污染, 過濾效率低, 熱分解需1100 度以上的高溫, 如果催化
劑的壽命能得到改善, 高溫催化分解會有較好的發(fā)展前景, 目前仍處于研究階段。
在過去的五年中, 流光電暈放電等離子體同時除塵除焦的研究取得了可喜的進展, 圖7 顯示
一高溫生物質燃氣電暈放電等離子體凈化器[10]。電暈放電可同時除塵分解氧化焦油, 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現(xiàn)催化劑的再生。在燃
氣溫度為200-500℃時, 等離子體的能耗在100J/L 左右, 同催化劑并用可進一步減少能耗,目前正
圖5, SOx 的等離子體氧化過程
O2 SO2 OH
HSO3
- + H+
SO3
-
H2O•O2
K
HSO3
-
氣相
液相中的鏈式反應
液相 H2O•SO2
SO5
-
HSO4
-
SO4
-
進行著更詳細的研究。結合高低溫流光放電等離子體有望實現(xiàn)生物質燃氣的高度凈化。除生物質
燃氣凈化外, 這一技術也可用于煤氣的凈化, 在今后的三五年中, 這項技術可望得到應用。
3.4 水的凈化
圖6, 5000 m3/h 移動式等
離子體凈化器
圖7, 高溫生物質燃氣等離
子體凈化器
圖8, 10-20 kJ/pulse & 20-45 kA
全固體開關電源
目前有關水的等離子體凈化研究主要集
中在以下內容: 脈沖流光放電處理低濃度有機
污染物及滅菌 [11,12], 脈沖火花式放電等離子
體處理高濃度有機污染物及滅菌 [13,14]。反
應器為單相也可為復相,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脈
沖電源。圖8 可能是目前最大的全固體開關
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
進市場至今, 應用范圍在不斷擴大。
脈沖流光放電水處理同O3+H2O2 +UV 高
級氧化技術很類似, 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
氣液界面產生自由基及UV 輻射, 系統(tǒng)變得簡
單方便。高能量的脈沖火花式放電等離子體
不僅可產生很強的UV 輻射而且可產生很強的
壓力波無二次污染是理想的滅菌技術。
4. 結論
經過近二十年的研究開發(fā), 流光放電低溫等離子體產業(yè)化的主要核心技術問題已基本解決, 關
鍵設備已開始生產, 小型號產品已開始應用。目前的工作重心是如何實現(xiàn)該技術的產業(yè)化及開拓市
場。相信在不遠的將來，等離子體在環(huán)保方面的應用會得到普及。
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)保科技有限公司, 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家863 計劃的資助。
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