低溫等離子體結合吸收脫除煙氣多種污染物的研究進展*

李子芃，王美艷，張長平，孫優善

(河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401)

傳統的燃煤煙氣凈化對策是凈化設備(或凈化技術)與污染物一一對應，如石灰石/石灰石漿液脫硫，氨選擇性催化還原脫硝，活性炭吸附法除汞等。各污染物在不同的凈化設備中得到脫除，雖處理效率高，但整體處理流程長，設備多，占地面積大，費用也較高。低溫等離子體技術與吸收法相結合，在高效脫除SO2、NOx、HgO等污染物的同時，可資源化利用煙氣硫組分，不產生二次污染且能量消耗較低，在燃煤煙氣凈化中具有廣闊的前景。

1 低溫等離子體煙氣凈化技術概況

1.1 低溫等離子體的常見反應器

低溫等離子體技術具有高效、廣譜、多種污染物同時脫除等優點，在工業煙氣凈化領域頗具前景和競爭力。

通過外電場產生電子是氣體電離并傳導電流的現象稱為氣體放電。氣體放電法的反應裝置種類較多，在燃煤煙氣凈化技術中較常用的有電暈放電和介質阻擋放電。

1) 電暈放電

電暈放電(Corona Discharge) 是在大氣壓或高于大氣壓條件下，在曲率半徑極小的細線、鋸齒或針狀電極上施加高壓，從而由靠近電極區域的極強電場的作用激發非均勻的局部穩定放電[1]。根據施加電壓的波形，此技術包括脈沖、直流電暈和交直流疊加電暈放電等。

脈沖電暈放電(Pulse Corona Discharge,PCD)，利用納秒級快速上升的高壓窄脈沖電場產生5-20eV 的高能電子，從而激發氣體電離。脈沖電暈法中大量關于電極特性、反應動力學等方面的研究表明：正脈沖效果優于負脈沖，較陡的脈沖電壓前沿、適當的直流基壓以及較高的單脈沖能量和脈沖頻率有利于提高脫除效率。

直流電暈放電(DC Corona Discharge)除電源采用高壓直流外，其反應機理和反應器的結構形式與脈沖電暈法基本相同，但其能耗高于脈沖電暈法。利用正直流電壓研究了NO 混合氣體的處理，得出電暈特性受氣相組分和流速的影響很大，通過調節氣相組分，能夠得到穩定均勻的流光放電并得到較高脫硝效率。目前，在歐洲和日本也正進行高壓直流電暈脫硫脫硝的進一步工程示范。

2) 介質阻擋放電介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge,DBD)又稱無聲放電，將絕緣介質覆蓋電極或懸掛于或以顆粒態填充于放電空間，利用足夠高的極間的交流或脈沖電壓使氣體擊穿。介質阻擋放電可承受的工作氣壓高，為104-106 Pa，電源頻率范圍寬，從50-106Hz。此技術已廣泛應用于臭氧發生、紫外輻射、等離子顯示和材料改性等方面，而目前在環境保護方面的應用也備受關注。

1.2 低溫等離子體去除燃煤煙氣污染物的機理

Mok 等[2]建立了反應動力學模型，低溫等離子體在煙氣凈化中反應分為三個階段：(1)高能電子激發氣體電離生成活性自由基(N、OH、O(3P)和O(1D)等)；(2)激發態的O(1D)與氣體分子發生電荷轉移反應并進一步生成O(3P)和OH；(3)N、OH 和O(3P)等活性粒子與氣體中的SO2、NOx和Hg 等反應并使之脫除，另外初始自由基之間也可相互反應能夠生成二次自由基，如HO2、O3等強氧化性自由基。

1.3 低溫等離子體凈化燃煤煙氣的研究進展

1.3.1 放電等離子體脫硫脫硝技術

近年來，基于氣體放電產生非熱等離子體實現脫硫脫硝的研究成為學術和產業界的熱點，具體方法包括高壓脈沖電暈法、高壓直流電暈法、交直流疊加電暈法、電暈放電誘導自由基注入法等。

脈沖電暈放電法由相對于電子束法設備和操作簡單、投資成本低，在干法煙氣凈化的研究中備受矚目，并取得了一些實驗數據。然而該法要進入工業化應用階段亟待解決的問題包括：(1)高功率、長效的ns 級高壓脈沖電源的開發；(2)能量效率的提升；(3)反應器結構優化；（4）反應動力學模型的研究。

介質阻擋放電法近年來也用于煙氣治理。針-板式介質阻擋放電的脫硝效果，針尖形狀對放電特性和脫硝效率影響顯著，放電間隙過大會限制電子能量和電荷密度，過窄則不利于NO 脫除，因此板-板電極結構的介質阻擋放電存在最佳放電間隙。由于放電間隙的限制，對于風量大，氧氣濃度和污染物濃度低的實際煙氣來講，介質阻擋放電反應器在提高氧化效率和降低能耗仍然有很多工作要做。

直流電暈放電與脈沖電暈和介質阻擋放電相比，具有電源簡單，氣阻小且能同時去除顆粒污染物等優點。反應氣中CO2 的含量顯著影響電暈放電的形式，流光放電的化學效應明顯高于輝光放電。煙氣中的水分含量、載氣成分，放電區長度和極間距都會改變反應器的放電特性，從而影響脫除效率。由于直流電暈放電脫硫脫硝技術存在放電不穩定等缺陷，目前還處研究階段。

自由基注入低溫等離子體技術以直流高壓作用于噴嘴電極上，利用噴嘴和極板之間極高的不均勻電場激發電暈放電，其可以改善煙氣直接電離過程中放電不穩定，能耗高等問題。自由基源物質一般為氨氣、水蒸氣和氧氣等氣態物質。高翔等[3]提出用濕氧氣作為電極氣，NOx脫除效果較好，但氧氣費用高、安全性差，限制了此法的大規模應用。

另外，也有將低溫等離子體與其他技術如催化（吸附）、吸收等相結合，可進一步提高煙氣脫硫脫硝效率[4]。

1.3.2 放電等離子體脫汞技術

等離子體具有強氧化性，可以氧化氣態元素汞，氧化態汞可以被濕法脫除。早前研究表明，汞的去除率與脈沖電壓，脈沖頻率和汞濃度有關。目前，低溫等離子體脫汞的研究剛剛起步，主要集中在介質阻擋和脈沖電暈放電反應器的研究，而直流電暈放電反應器中汞的氧化研究尚為鮮見。

2 低溫等離子體結合吸收煙氣凈化技術概況

NO 和HgO難溶于水，利用吸收法較難去除，而先利用等離子體將NO 和HgO氧化成更易吸收的NO2和Hg2+，再進行吸收處理，可實現多污染物的同步脫除。

2.1 低溫等離子體結合吸收煙氣凈化技術實驗研究

目前，針對放電等離子體聯合吸收的研究主要采用單級式水膜放電等離子體反應器和組合式放電等離子體+吸收反應器。

2.1.1 單級式水膜放電等離子體反應器

利用線-筒式脈沖電暈反應器去除SO2。筒式接地極內部以多孔材料制成，吸收液由上而下滲入，通過調節吸收液pH 可以獲得良好的SO2去除效果，能量消耗可保證在2–4 Wh/m3 以內。

2.1.2 組合式放電等離子體+吸收反應器

等離子體氧化結合化學吸收脫除NOx的核心處理單元由線-筒式電暈放電等離子體反應器和鼓泡吸收塔組成。羅宏晶等[5]采用正直流電暈放電結合氨吸收，得出NO 對HgO氧化和脫除存在抑制作用，能量輸入為77J/L 時SO2、NO、HgO的脫除率達到92%、57%和31%。

2.2 低溫等離子體結合吸收煙氣凈化技術工業應用

在工業應用方面，基于交直流疊加電源放電等離子體氧化與氨吸收相結合脫硫脫硝[6]，在最大處理氣量為12000 m3/h 的試驗平臺上，脫硫效率大于95%，脫硝效率大于40%，顯示出流光放電氨法脫硫脫硝工藝流程良好的工業應用前景。

可以看出，低溫等離子體結合吸收技術在聯合脫硫脫硝方面取得了許多突破。然而大部分研究采用的都是介質阻擋放電、脈沖或交直流疊加電暈放電反應器。直流電暈放電反應器具有電源簡單，氣阻小，能同時脫除顆粒污染物等優點，更具有實際應用價值。未來可針對直流電暈等離子體聯合氨吸收同時脫除多種污染物方面還進行更多更深入的研究。

3 結論與展望

燃煤煙氣中含有SO2、NOx、Hg、煙塵和VOCs 等多種污染物，對人類健康和生態環境都造成了極大的威脅。傳統的處理方法針對每一種污染物設置一個獨立的處理裝置，流程長、設備復雜，由此導致處理系統的投資和運行費用高、占地面積大。放電等離子體與吸收相結合可在短流程、低成本、少占地的基礎上，高效脫除煙氣中多種污染物，已成為最具實際應用前景的技術。

目前，針對放電等離子體聯合吸收的研究主要采用單級式水膜放電等離子體反應器和組合式放電等離子體+吸收反應器。等離子體過程中產生的活性氧化粒子在氧化NO 和Hg 的同時，可以促進吸收液亞硫酸鹽的氧化，從而降低了脫硫產物資源化的成本。