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流光放電等離子體在環保方面的應用

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化過程中的二個核心問題, 大容量
的等離子體系統和等離子體處理工藝的優化。
1. 引言
就煙氣凈化而言，傳統方法是采用多種技術的串聯組合，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) 等多種分子激發態, 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。然而要實現該技術的產業化, 需要解決的二個核心技術問題是大容量的等離子體系統和優化
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 工業性示范研究 [4]。同步式流光放
電等離子體系統是基于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 分別顯示兩套工業性等離子體系統, 不同的等離子體
發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應用
3.1 下一代煙氣凈化系統
將來的煙氣或廢氣凈化系統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的下
一代流光放電等離子體煙氣凈化系統, 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 分別說明所關聯的主要過
程[6,7]。12,000Nm3/h 工業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, 更詳細的工業研究還在實施中。
圖3, 下一代煙氣凈化系統
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 等離子體的功率密度
可調范圍小
電源的估價及現狀
(100 kW)
60 萬(人民幣)
試生產(中荷環保)
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性氣體VOCs 及臭氣的最大難處。傳統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、醫藥業、煙草業、工業車
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可應
用于風量為20,000-50,000 m3/h 的工業除臭。
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, 流光放電低溫等離子體產業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該技術的產業化及開拓市
場。相信在不遠的將來，等離子體在環保方面的應用會得到普及。
致謝: 作者感謝廣東杰特科技發展有限公司, 金華中荷環?？萍加邢薰? 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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