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火电厂污染物净化论文:湿式静电除尘器脱硫脱硝技术进展

[2015-03-03] 点击:

  摘 要:燃煤电厂排放的NOx和SOx严重威胁大气环境和人们的身体健康,如何低价、高效地脱硫脱硝逐渐引起人们的重视。WESP技术具有以下特点:设备投资小、脱除效率高、布局灵活等,可以实现NO和SO2的同时脱除。阐述了WESP的原理和特点,重点介绍了直流电晕和脉冲电晕国内外研究现状及其应用。

  关键词:脱硫脱硝;湿式静电除尘器;原理和特点;现状与应用

 李付晓1,2,丁红蕾1,2,罗汉成1,2,郭瑞堂1,2,潘卫国1,2

  金强2,3,丁承刚2,3,郭士义2,3

  (1.上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090;2.上海发电环保工程技术研究中心,上海 200090;3.上海电气电站环保工程有限公司,上海 201612 )

  0 引言

  燃煤电厂是NO和SO2的重要来源,而NO和SO2是造成酸雨和光化学污染的主要杀手,这污染了大气环境、威胁人们的身心健康。新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对相关地区燃煤机组的污染物排放要求大幅提高,大部分地区要求:SO2浓度≤100 mg/Nm3;NOx浓度≤100 mg/Nm3,而对重点地区的要求更高[1]。

  当前存在的比较成熟的脱硫技术是石灰石-石膏法(FGD),脱除效率能达90%以上,但易发生设备堵塞和磨损。SCR和SNCR是当前比较常用的脱硝技术,对SCR而言,存在催化剂易失效、高效催化剂昂贵等缺点,而SNCR存在脱硝效率低、氨泄漏等缺点[2]。如何低成本、高效的脱硫脱硝,实现脱硫脱硝一体化成为当今世界的热点话题,此时WESP脱硫脱硝技术便引起大家的注意。

  1 WESP脱硫脱硝原理与特点

  湿式静电除尘器脱硫脱硝原理[3]:WESP放电极周围释放出高能量电子,这些高能量电子会通过打断周围化学分子的化学键在附近形成具有强氧化性的自由集团,而水雾的存在更利于OH基团的产生。这些强氧化性自由集团会将NO和SO2氧化成极易溶于水的化学物质,在液相下被吸收,若喷入NH3会使SO2和NO被氧化成铵盐,再在电场力作用下被集尘极吸收而除去[4-5],或者作肥料使用。

  主要特点:

  1) 氧化性极强,脱硫脱硝效率高;因为会在电晕区周围形成OH基团、O3,而OH基团、O3本身的氧化性极强,表1列出了包括OH基团、O3在内的几种粒子的氧化性强弱比较[6]。由表1可以看出OH基团、O3的氧化能力是很强的。

  表1 几种氧化剂氧化能力比较

  氧化剂F2•OHO3H2O2KMnO4ClO2ClO2

  标准电极电位/v2.872.802.071.771.691.501.361.23

  2) 反应速度快;OH基团会诱发链式反应的发生,所以WESP对NO和SO2的氧化速率是很快的,又因为湿度大,更利于OH基团的产生,这无疑对反应是有利的。

  3) 清洁、无二次污染;反应产物清洁,避免二次污染;可形成水膜,避免二次尘场的发生;同时在NH3存在时可将NO和SO2氧化成铵盐,可做肥料使用。

  4)布局灵活;可以将WESP设计在脱硫塔上方,占地面积小。

  5)可实现多种污染物同时脱除;在除去粉、酸雾、浆液滴一体化已进入中试实验阶段。

  2 WESP脱硫脱硝技术反应机理及研究进展

  常见的WESP脱硫脱硝技术包括直流电晕脱硫脱硝和脉冲电晕脱硫脱硝,它们都属于等离子体法脱硫脱硝的范畴,只是WESP有稳定水膜,烟气湿度大,本身又存在集尘极,这就使得WESP电晕脱硫脱硝在某些方面与常见的电晕脱硫脱硝又有差异,且因为负极作为放电极时形成的电晕区大,故大都采用负极作为电晕极、正极作为集尘极的布置。

  2.1 WESP脱硫脱硝技术反应机理

  WESP脱硫脱硝的主要机理是电晕区的自由电子从外电场获得足够能量后与周围气体分子发生碰撞,气体分子会电离、裂解而获得具有强氧化性的活性粒子,而水雾的存在有利于OH基团的产生。这些活性粒子将 SO2和NOx氧化,并在有添加剂(一般为NH3)情况下生成铵盐而被除去[7-9] ,或作肥料 。

  电晕脱硫脱销过程可分成三个阶段[9]:

  1) 烟气进入电晕极组成的强电场中,气体分子中的O2和H2O等被活化成具有强氧化性的自由集团:

  2) SO2和NOx被这些强氧化性的自由集团氧化,并在水中生成相应的酸

  3) 在添加剂NH3存在时与这些酸反应生成铵盐作肥料或被除尘器除去,达到脱硫脱硝的目的。

  2.2 直流电晕脱硫脱硝研究进展

  直流电晕放电是在直流高压作用下,利用电极间电场分布的不均匀性而产生的一种放电形式。为了探究成熟的直流电晕技术,国外学者Fujii和Dors等人[10-11]通过采用多针一板式放电结构对直流电晕放电作了探究,如图1所示,他们在电晕反应器的下方布置了水层,使烟气增湿,利于OH基的产生,在较大功率下,脱硝效率达95%,这在一定程度上就成为了WESP脱硝的雏形,但能耗较大的缺点限制了该技术的工业应用。

  图1 多针一板式反应器

  Chen-Lu Yang等人[12]采用相类似的线-筒式反应器对脱硝进行研究。研究过程中并没有喷入氨,这就有效避免氨泄漏引起的二次污染,但脱硝效率低。

  Chang等人[13]通过在喷嘴电晕管中喷入常温气体,利于添加气体的电晕,提高利用率,同时这种做法会使得电晕非常稳定,通过调节电压、电流与喷入气体关系,可使得电晕流场贯穿整个烟气流场。

  图2 喷嘴电晕反应器

  后来,他们将喷嘴电晕管改为排式对它的脱硫脱硝性能进行了探究,并在实验过程中喷入氨气,氨气是从电晕管喷出的,这样利于添加剂在电晕区被电晕的更加彻底,研究发现,这种方法脱硝效率高且比一般的脉冲电晕能耗要低。

  浙江大学学者高翔等人[14-15]提出电晕放电自由基簇多种烟气污染物同时脱除技术。通过电晕放电与化学吸收结合生成可以利用的肥料或其它工业用品,实现变废为宝。

  2.3 脉冲电晕脱硫脱硝研究进展

  脉冲电晕法是日本学者Masuda[16]于80年代在研究电子束法过程中提出来的,不同的是电子束法是利用电子加速器获得高能电子,后者是利用气体电晕放电获得活化电子[17-18]。该法避免了电子加速器的使用,节省费用。该技术问世以来,被广泛研究,特别是在烟气脱硫脱硝方面。Miunzo等[19]首先采用了脉冲电晕对模拟烟气进行试验,研究表明:正脉冲电晕在能量利用率方面是电子束的两倍,且脉冲越窄,能量利用率越高。1985年Tokunaga[20]对同时脱硫脱硝技术进行了探究。他们利用高压脉冲电晕,产生大量高能电子,这些高能电子通过打断周围气体分子的化学键而产生氧化性极强的•OH,O3等自由基,将SO2和NOx氧化或者在有氨气存在时生成铵盐。

  国内近对脉冲电晕放电脱硫脱硝技术进行研究是在近十几年才开展起来的。北京理工大学教授阎克平等人研究了双极电晕对SO2和NOx的脱除,还对脉冲电晕放电技术的主要因素对脱硫脱硝效果的影响进行了探索研究。鞍山某研究院利用脉冲电晕放电技术取得SO2脱除率86.7%,NOx脱除率94.1%的效果[21]。

  3 WESP脱硫脱硝国内外应用

  湿式电除尘器在国外应用已有30多年的历史,大都跟SCR或者SNCR系统、静电除尘、湿法脱硫联用,起到多种污染物联合脱除的效果。但一般而言,这些电厂WESP的使用大都停留在除去粉尘(特别是细颗粒物)、酸雾、浆液滴的阶段,对WESP脱硫脱硝几乎都停留在实验室阶段。

  目前我国WESP的使用大都是针对中小型电厂,主要用于脱除细粉尘,对WESP脱硫脱硝的工业化应用也是一片空白[22]。

  4 结语

  1) 目前NO和SO2成为我国大气污染的主要污染源之一,而当下常见的脱硫脱硝技术又存在一系列问题,WESP用于脱硫脱硝具有它独特的优势:占地面积少,反应速率快,脱除效率高。

  2) 采用WESP可实现除尘、脱硫、脱硝、除去浆液滴等一体化,这样就为省去GGH系统,甚至是其他一些庞大除尘设备提供了可能。

  3) 对电厂构建而言,可将WESP置于脱硫塔之上,这样不仅使得布局紧凑同时由于湿法脱硫使得烟气湿度增大,利于进一步脱硫脱硝。

  4) WESP用于脱硫脱硝有诸多优势,必将成为未来的一个研究方向。但是,WESP脱硫脱硝技术存在反应机理不明确;高压电源与反应器配置复杂;影响因素多等缺点,未能在脱硫脱硝上得到工业应用,需要进一步的探究。

  参考文献:

  [1] GB 13223-2011.火电厂大气污染物排放标准[S].

  [2] 王兰新.烟气脱硫脱销的进展[J].化学研究与应用,Vol. 9 No.4 1997.

  [3] 刘鹤忠,陶秋根.湿式除尘器在工程中的应用[J].发电设计,2012年06月第3期.

  [4] 李谦,宁成,等.脉冲供能集烟气除尘和脱硫脱销为一体的机理[J].高电压技术,2003,29(12):32-34.

  [5] 李谦,等.脉冲等离子体烟气脱硫和除尘的协同效应[J].华中理工大学学报,1995,10.

  [5] 吴祖良.等离子体气态污染物控制技术的研究进展[J].电站系统工程,2004,20 (2):1-4.

  [6] 马双忱,马京香,赵毅,等. 紫外/过氧化氢法同时脱硫脱硝的研究[J].热能动力工程,2009,

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  [7] 朱义民.脉冲电晕法脱硫脱硝研究概述[J].环境科学进展,1997,10.

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  [9] 周文俊,刘开培.氨和脉冲电晕脱硫脱硝的试验研究[J].环境科学研究,1994.

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  [11] M.Dors et al.Removal of NOX by DC and Pulsed corona discharges in a Wet electrostatic precippitor mdoel[J]. Journal of Electrostaties,1998,45:25-36.

  [12] Chen-LuYang et al.Oxidation of nitric oxide in a two~stage chemical Seurbber using DC corona discharge[J].Journal of Hazardou sMaterials,2000,B80:135-146.

  [13] J.S.Chang,P.C.Looy,J.Pevler.Reduction of NOX from a combustion Flue gas by a corona radical injection method[J] .IEEE Trnas.on Ind.Appl.,1993,1969-1975.

  [14] 林赫,高翔,骆仲泱,岑可法.直流电晕基簇射脱除烟气中的NOX[J].中国电机工程学报,2002,22(8).

  [15] 林赫,高翔,骆仲泱,岑可法..H2O-O2自由基簇射结合化学吸收脱除烟气中的NOx[J].热能动力工程,2002,17(2):139-142.

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  [17] 吴祖良. 等离子体气态污染物控制技术的研究进展[J].电站系统工程,2004,20(2):1-4.

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  [21] 冯长根,阎克平.关于应重视脉冲电晕放电低温等离子体技术应用于大电厂脱硫脱硝的建议[J].学会,1995年03期.

  [22] 时超林,等.火电厂湿式静电除尘器的发展现状综述[J].电力与能源,2013,34(5):493-496.

  作者简介:李付晓(1989-),工程研究生在读,研究方向为大气污染物控制。

  (来源:2014年火电厂污染物净化与节能技术研讨会论文集)

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