流光放电等离子体氨法烟气脱硫工艺_胡小吐

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1、第58卷第4期2007年4月学 报aixl Eng iiieeriiig (Ch iiia)Vol 58 No 4April 2007Journal of Cl)emi(ul Industry研究论文流光放电等离子体氨法烟气脱硫工艺第58卷第4期2007年4月学 报aixl Eng iiieeriiig (Ch iiia)Vol 58 No 4April 2007第58卷第4期2007年4月学 报aixl Eng iiieeriiig (Ch iiia)Vol 58 No 4April 2007胡小吐，姜学东，朱天乐2,王 r,邱瑞昌，张鸿迪，李瑞年，阎克平（北京交通大学电气工程学院.北京10

2、0044 ; 2北京航空航天大学环境匸程系.北京100083;广东杰特科技发展有限公司，广东广州510630）摘要：介绍一种流光放电烟气脱疏湿法工艺流程,其特征是：（1）采用交直流叠加（AC/ DC）方式在工业型反 应器发生分布良好的流光放电等离子体；（2）取代传统等离了体法技术.采川分区湿式反应器系统.大福降 低能耗.无产物粘率：（3）采用可规模化的流光放电等离子体氧化技术，实现髙浓度亚硫酸镀氣化：（4）控制 尾气氨逸出：（5）生成液浓缩脱水结晶干燥制得固体硫酸彼。通过半丁业试验./i: SO,初始浓度500 1000 Ul- L条件下脱硫率95% 亚硫酸盐-次氧化率5（）% 70%,适当处

3、理肓达到90%以上，反应器能耗小于 3. 5 Wh毎逸出在5U1L以下.刑产回收适介农用的饺肥。任吸收液盐浓度3 nwl匚下还可以获 得有实用价值的反应速度，显示出良好的工业应用前景。关键词：流光放电：氨法烟气脱硫：AC/ DC 加电源；亚硫酸钱氧化；等离子体氧化中图分类号：X 701 3文献标识码：A文章编号：0438- 1 157 （ 2007 ） 04- 1001- 06Streamer plasma induced ammonia flue gas desulfurizationHU Xiaotu1, JIANG Xuedong1, ZHU Tianie2, WANG Yi1, QIU

4、 Ruichang1,ZHANG Hongdi3, LI Fbiniarf, YAN Kepi ng3（1 School of Electrical Engineering. Heij ing J iaotonfa Uniter sitBeij in 100044. China;2 Department of Environmental Engineering 13ei luing University , Heij ing 10（）083 China;x Guangdong J- Tech Scieru e Development Co Ltd 5 Guiuigzhou 510630. Gu

5、angdong. China）Abstract： A streamer plasm a indued flue gas desulfurization ( FGD) technique is reported. An AC/DC sujerposit ion electrir sonrfe generale(l a spatially wpH (list ribiitefl plasma in an industrial scnle reactor Instead of the traditional dry technique, a pari itioned wet reactor syst

6、em was adopted A st reamer plasma oxidation technique was developed to solve the problem in the oxidation of concentrated ammonium sulfite solution T he am monia slip was well cont rolled The liquid byproduct was dried u p to fo rm solid ammonium sulfate Pilot test under the conditions of ail initia

7、l concentration of 500 1000 U1 L 1 of S()2 demon st rated the desulfurization efficiency greater than 95%. T he oxidation efficiency t liro ug h one cy clethan 3. 5 W h mand thefertilizer U nd er the condit io ns of plasmas, an oxidation rate withreached 50% - 0乡 the energy consumption in the reacto

8、r was less ammonia slip was less than 5 U1 1/ *. T he by pro du ct was am monium using high concentralion OH radicals excited with AC/DC streamer practical value can be achieved al a sulfite concentration of over 3 mol Key words： streamer corona; ammonia FGD; AC/DC superposition source; sulfite oxid

9、ation; plasma induced oxidation第58卷第4期2007年4月学 报aixl Eng iiieeriiig (Ch iiia)Vol 58 No 4April 2007第58卷第4期2007年4月学 报aixl Eng iiieeriiig (Ch iiia)Vol 58 No 4April 2007(2001A3040201) o 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.2006- 03- 31收到初稿.2006- 05- 10收到修改稿.联

10、系人及第一作者：胡小吐（1962），男.博士.高级工 程师.基金项目：国家高技术研究发展计划项I （2002AA529140. 2OO4AA52931O）；广东省科技厅币：大科技专项菇金Received date: 2006- 03- 31.Cories ponding aithor: IIU Xia()t u. E 一 mail: smthxt vip sina cxmFoundation item： HUp|Mrlt%l by the II igk tech Rescarch and Dr- vdopm ent Prog rani of China ( 2OO2A A529140. 200

11、4A A 529310).第4期胡小吐等：流光放电等离子体氨法烟气脱硫工艺 1003 引言用NH?吸收则气中SO：是常规氨法烟气脱硫 成熟技术，嫌点之一是对脱硫产物混合盐溶液 (NH4)2S(KNH4HS()( NH4)2S()4 的处理。理想 的工艺是将四价硫S(IV)氧化为六价硫S( VI),制 成寫附加值的化吧硫酸镀(氨硫钱法)。多年來对亚硫酸盐溶液氧化的研究匸作大多涉 及对酸雨机制的探索采用的溶液浓度一般为亳 靡尔帚级，氧化速度十分缓慢刁。李伟等I网通过 填料塔对亚硫酸饺溶液的空气氧化过程齐影响因素 进行了研究，结果认为很难将它实现为一种经济性 好的工业化技术。H 20世纪70年代发现

12、非热等离子体脱除气体 中S()2和NO的效应以來內，大暈研究试图将其 开发为一种工业性的实用技术，在意大利、中 国w、韩国等国用继进行以窄脉冲干法为特点的 放电等离子体烟气脱硫的工业试验，但不同程度上 存在看高能耗、妃逸岀和粘壁等问题。在非热等离 子体脱硫脱硝的机理研究方而，大多着眼丁它的气 相反应引。Huie等在解释大气液滴中SO2被氧 化为硫酸的化学过程中，提出了由SO f|由基引 发的一套液相链反应。Li等将Huie机制运用T 非热等离子体干法脱硫过程，断定放电产生的11由 基0H和气体中的S()2、02及NH3传质到反应器 内固体表面的液膜上.引发链反应，并对液膜上的 链过程作了半定量

13、解析，提出气液传质效率因子0 对脱硫的作用.得到了与试验相符的结果.说明非 热等离子体脱除S()2的主要反应是气液复相反 应。研究结果显示，釆用等离子体湿法取代干 法，有利丁复相反应，且不存在干法中副产物黏附 难收集等问题。流光电呆产生爲能电子是气体电晕放电化学效 应的根源。气体放电引发化学反应主耍依靠放电生 成的H由基及其他活性粒子，如()H、()、N、()3 等。耍产生白由基就需耍打断H 2()和()2等分子 键或使分子电离。试验证明，采用适当的电极结 构，在一定的克流基压上廉加一定频率和峰值的交 流电压(A(V DC)可产生稳定的流光电晕，这种 流光电晕有良好的脱硝效果1121，最近的试

14、验研究 证实在工业脱硫应用上也取得很好的效果| B, O鉴丁此，本文报告一种可供工业实施的流光放(1) 采用交直流叠加(AC/DC)电源在工业 型反应器发生分布良好的流光放电等离子体；(2) 采用分区湿式等离子体反应器系统；(3) 采用可规模化的放电等离子体氧化技术将 亚硫酸後氧化为硫酸钱。1湿法流程流光放电烟气脱硫工艺流程(图1)说明 如下：(1) 锅炉烟气除尘后经换热器与净化尾气热交 换，烟气得到降温；(2) 降温后烟气进入热化学吸收反应器，在有 NH3吸收剂条件下大部分S(k被吸收；(3) 将吸收牛成液适帚送到下游的放电等离子 体反应器，使亚盐氧化为正盐，同时强化吸 收 S02；(4)

15、生成液脱水干燥成为适介农用的钱吧；(5) 净化尾气经换热器升温至801：以上排放。图1流光放电烟冗脱硫工艺流程Fig 1 ScIkMiiat ic diagram of process of FG D图2示出处理规模12000 m3 h的流光放电 烟气脱硫匸业试验平台。试验运行在一定氨/硫比 条件下，热化学反应区可吸收烟气中90%以上的 S02,控制吸收液在热化学反应区的循环吸收参 量，循坏液不断吸收气相中的S()2.可使溶液中四 价硫S( IV)浓度达到摩尔最级。适帚地将热化学 反应区生成的溶液输送并喷雾到卜游的流光放电等 离子体反应区在放电等离子体反应区主耍完成如 下过程：(1)强化吸收残

16、余S()2； (2)控制NH j 逸出；(3)亚盐氧化：(4)除雾，控制S()3排放。图3是等离子体反应器，左侧是电容耦介交直 流栓加电源电路，右侧是反应器。电警再亟觴阀輔碗de未耍舗鼾lectnmic Publis競配。点袍刪決愿测嗚砂瞞蘸也试验中由Tektronix TDS3014四通道彩色数 字示波器测最电参数。Vario Plus烟气分析仪测定 烟气中S()2及其他成分。亚硫酸根离子采用碘暈 法测竈冋o亚硫酸根和硫酸根离子的总最用重量图2规模12000的流光放电烟气脱硫试验平台Fig 2 Outward appearance of 12000 m3 lr 1 streamer plas

17、ma flue gas desulfurization system图3流光放电等离子体反应器示意图Fig. 3 Flowchart of streamer plasma reactor1sulfite solution nintainer; 2puin p： 3flow meter;4_x)mpressed air; 5nozzle; 6corona nurtor：7grounded plate dedrode; 8corona wire：9byproduct container; T Rclctransformer in DC;THactrans former in AC; I)high

18、voltage liling aii-corr inductor:(：ohigh-voltage coupling cq)acitor：Liresonant inductor： C|resonant cq)acitor色法，61 O2试验结果与讨论2 1 AC/DC流光放电试验采用克流电床1()55 kV,交流电床()2() kV,频率1()35kHz。图4显示出交流峰峰值 10 kV下锯齿线板多通道反应器上的线电流密度 随平均电床的变化，在V2 V3之间有很宽的流光 区域，能保持稳定的分布良好的流光。图5是反应 器内产生的流光影像图。22试验结果分析2 2 1流程试验结果进行全流程试验的目的

19、是 考核图I所示流程系统的连续运行稳定性.考核内图4 AC/DC电流密度号电压的关系Fig. 4 AC/ DC current density against high-voltage图5多通逍锯齿线板反应器流光放电时间积分照片Fig 5 T ime integral picture of streamer discharge in multi-channel sawtooth w irr- plat e reactor 率、生成液盐浓度、pH值、亚盐氧化率、注入功 率、畐J产物干燥、能耗等一系列参数，试验结果见 表1 O表1流光放电烟气脱硫试验参数Table 1 Test parameten

20、 of cunina discha呼 FGDPiira metersTest resultflue gas flow rate/m li 16(XX)re Hide nee t ime/ hL 9S(h *oncrnt ration at inlet/UI L 15(X)l(XX)gas tauperature at inlet/ C140reactor teni petalure/ C5()60gas tT)p80|NH3)/2SO2()57-0 72average injed power / kW2 1SO2 removal efficiency / %95ammonia slip/Ul

21、L 15 0pll of end liquid5 5-6 3total alfitc- sulfate concm t rai ioii/ mol L- 12 51sulfite slun il voluin e nr 30 35m ole oxidai ion energy cost / h mol29system energy consumptionZ W h m3V3 5hing House. All rights reserved.2 2 2流光放电脱硫 在一定温皮条件下，对热化 学反血与流光放电反应体系，脱硫效率与反应时间 和氨硫比有关。试验在控制反应器50 60C,等 离子体反应器

22、单位烟气功率密度为0 35 Wh条件下进行。图6是氨硫比(1 66时，脱硫效 率与反应时间的关系，说明停留时间长有利提高 脱硫率。图7示出脱硫效率与氨硫比的关系，在停 留时间一定时.氨硫比越大，脱硫效率越寫，在氨 硫比0. 650 70时，脱硫效率可达90%以上。图 8显示放电对吸收的增效作用以及连续稳定的脱硫 效率，流光放电反应器除氧化作用外.在热化学吸 收基础上，可平均提高8%的吸收效率。试验表 明，由丁放电的增效作用，在欠NHj下操作，仍 能保证气相脱硫效率95%以1.0图6 S()2脱除效率号停留时间的关系Fig 6 SO2 r2 2 3生成液pH值、盐浓度变化及尾气氨逸出 控制 仕图

23、I所示全流程上的连续运行试验结果显 示，在反应器温度5060C,等离子体功率密度 为0 35 W h皿宀条件下，化学吸收和等离子体 反应器对应各测点(槽I、槽2和榊3)循环吸收%. Aouooso七osplasma onO plasma oil4567 X 91()tinwh图8放电等离子体对S(k吸收的增效作用Fig 8S()2 removal at plasma on and off各椚液中对应的主耍成分亚盐浓度I包括 (NH小S()3、NH4HSO3和槽3的尾液总盐浓度 包括(NHJ2SO3、NH4HS6、 (NH4)2SO4 和 NH4HSO4的变化如图10所示，稳定状态时木 段槽3总

24、盐浓度可达2 51 mol L_，,氧化率达 53%,获得亚盐氧化摩尔能耗29 Wh mor的 结果。7.06.05.03456789 I0lime 11图9脱硫试验生成液的(11变化情况Fig 9 pH at byproduct container液的阴4俱人化儲怎盒衿鳳Tn肌亂&原怒Publishing House. All rights reserved. NHa吸收S()2的效率与氨硫比有关，但氨硫 比过高往往导致尾气氨逸出过最。表2显示 NH；| /2 SO?在0. 570 72,等离子体功率 密度为() 13 0 42 Wh时，出口 NHi浓 度小于5 Ul- I/o在氨硫比和温度

25、一定条件下, 放电等离子体控制尾气氨逸出主要通过两方面的作 用实现：(1)等离子体氧化(NH)2S()3生成较多 的NHjHSOa,而HS()I的电离常数比HSO亍大 20万倍j因此生成较多的IT使pH值下降. 营造了偏酸的环境使尾气氨逸出得到控制；(2)等 离子体反应器的捕雾能力使通过细微液滴携帯JI起 的尾气氨逸出得到有效控制。第4期胡小吐等：流光放电等离子体毎法烟气脱硫丁艺 1005 图10脱硫试验生成液的盐浓度变化悄况Fig 10 Solut ion concentration at byproduct contauier表2不同条件下的尾气氨逸岀呈Table 2 Ammonia sl

26、ip in different condition1 NHJ/21 S()2|Power den sit vr/W h nr 3N H a slip /Ml* L0 580 421. 50 710 422 20 930 424. 70 640 21350 720 131 8 tankl.sultltc Iink2.siillllc tank3.sullitc tank3.total sulfr(c-s(ilfa(elnncQisultlte concentration nu)l |64 r /K ( I c (X & 4 29eAOU9ol=ouo=?pso2 2 4亚盐浓度对放电氧化的影响图

27、1丨是在图 3所示独立反2器上用不同初始浓度的亚硫酸钱溶 液.在温度20C,处理M 50 Lh，反应器注入 功率密度1. 6 kWm条件下的试验结果，可以 看出，在摩尔最级的浓度范尉内，亚硫酸根浓度提 高，氧化率降低。在3 5 s停留时间内1 mol L1浓度的亚盐一次氧化率达60%。图11试验结果还表明虽然较低的盐浓度 (95%,系统 能耗小于3 5 W h N 氨逸出在5 U1 - 1/ 1以 卜；冋收物为适合农用的氮肥显示出流光放电氨 法脱硫匸艺流程良好的工业应用前景。References| 11 Frank N W. Kawamura K. M iller (； A. Design n

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