CN101496987B

CN101496987B - 湿式脉冲电晕烟气治理反应器

Info

Publication number: CN101496987B
Application number: CN2009100955488A
Authority: CN
Inventors: 吴祖良; 李济吾; 江博琼; 陆豪
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101496987A

Abstract

本发明公开了一种湿式脉冲电晕烟气治理的反应器，包括壳体，壳体下端设有进气口，上端设有出气口；壳体内壁紧贴设置流水极板，流水极板上方设有喷水器，壳体底部设有出水口，吸收剂从喷水器喷出，自上而下沿着流水极板流动，最后在出水口汇集，流入出料池；壳体中央设有针状电晕线，和流水极板一起构成电晕放电的两极，流水极板接正脉冲高压，针状电晕线接负脉冲高压。湿式脉冲电晕反应器复合了非热平衡等离子体技术、物理吸附技术和化学吸收技术，在同一反应器中实现了PM2.5、SO₂和NOx的高效脱除，大大简化了烟气治理系统，减少了投资和运行成本。

Description

湿式脉冲电晕烟气治理反应器

技术领域

本发明涉及一种治理烟气的反应器，具体为一种湿式脉冲电晕烟气治理反应器。

背景技术

近年来，等离子体技术在烟气治理领域的应用得到了越来越多的关注。该技术通常利用气体放电产生具有强反应能力的高能电子、自由基、正负离子等活性粒子，与烟气中的各种污染物分子发生化学反应，最终使烟气污染物转化成无害物质。这一技术的最大特点是可以高效、便捷地对多种污染物进行破坏分解，使用的设备简单，占用的空间较小，并适合于复杂的工作环境。在等离子体烟气治理技术中，关键就是如何产生具有高度反应活性的等离子体。在接近大气压情况下，等离子体发生方法可以归纳为以下几种：(1)电子束法；(2)介质阻挡放电，包括无声放电、沿面放电和铁电介质填充放电；(3)脉冲电晕放电；(4)毛细管火花放电；(5)稳定流动电晕放电，包括电晕自由基喷淋、自由基喷入和电晕矩；(6)直流、交流弧光放电；(7)射频放电，包括感应耦合和电容耦合放电；(8)微波放电。而在烟气治理领域常见的方法主要是(1)、(2)和(3)。

电子束法利用电子加速器(电子枪)产生高速的电子束，由于电子束具有很高的能量，在其作用下烟气中的O₂和H₂O分解成O、OH、HO₂和O₃等氧化性自由基，氧化SO₂、NOx成易于吸收的SO₃、H₂SO₄、NO₂、HNO₃等物质，最后被碱性物质吸收。虽然电子束法具有较好的处理效果，但它也存在着一些缺陷，由于电子束法产生的高能电子对于烟气中任何气体分子均可破坏其化学键，使烟气分子电离产生离子，因而烟气中含量最高的N₂和CO₂等气体分子将被分解和电离，浪费了能量，造成工艺的能耗过大；而且采用的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂。上述原因限制了电子束法的应用。

介质阻挡放电采用电介质层将两电极隔开，介质可以覆盖在电极上或放置于电极之间，在两电极间加上足够高的电压时，电极间隙的气体就会击穿，形成放电。放电形成大量微细的快脉冲放电通道，表现为均匀、散漫和稳定、貌似低气压下的辉光放电。电介质在放电过程中起到储能作用，使放电稳定并产生延时极短的脉冲，同时能抑制火花放电的产生。介质阻挡放电处理烟气的原理跟电子束法相似。介质阻挡放电由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极因参与反应而发生的腐蚀问题，又因为具有电子密度高和可在常压下运行的特点，所以在烟气治理中有其一定的优势。但是它在放电中有20％左右的电能转化为热能，这对烟气治理是极不经济的。

脉冲电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，出现电晕放电。典型的脉冲电晕反应器结构有线筒式和线板式两种。线筒式结构的特点是极板电极为金属圆筒，线电极置于圆筒的中心位置。线板式反应器的结构只在极板形状上不同于线筒式，其极板为上下分离的两块金属板，线电极置于极板中间位置。目前，脉冲电晕技术引起了各国学者的关注，得到了飞速发展。多年的研究表明：(1)脉冲电晕对污染物的脱除有效，在能量利用率方面是电子束的2倍；(2)利用断续的脉冲电压可获得更高的能量利用率，因其不会因加速离子而浪费能量；(3)飞灰的存在可改善污染物的脱除效果。(4)此外，在电极上加上脉冲电压和直流偏压较大改善收集飞灰、脱硫的能力。脉冲电晕技术产生电子的方式与电子束法不同，它是利用气体放电过程产生大量电子，电子能量等级与电子束法差别很大，仅在5～20eV范围内，能耗大大降低。而且脉冲供电方式与直流供电方式相比能够显著提高峰值电压，不发生火花击穿，明显提高自由电子的平均能量和数量，有助于活性粒子的高效产生，从而提高烟气污染物脱除效率和能量利用率。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的湿式脉冲电晕烟气治理反应器，可以同时有效的脱除烟气中的PM2.5颗粒、SO₂和NOx。

一种湿式脉冲电晕烟气治理反应器，包括壳体，壳体下端设有进气口，上端设有出气口；壳体中央垂直设有针状电晕线，靠近壳体内壁设置不锈钢网作为流水极板，和针状电晕线一起构成电晕放电的两极；流水极板上方设有喷水器，壳体底部设有出水口，吸收剂从喷水器喷出，自上而下沿着流水极板流动，最后在出水口汇集，流入出料池；流水极板接正脉冲高压，针状电晕线接负脉冲高压。

所述的流水极板为不锈钢网；使用不锈钢网作为电极，与常规的金属极板电极相比能节约30～40％的用钢量，另外，流水极板上的不锈钢网眼有助于形成均匀分布的水膜。流水极板的设计，增加了反应器中烟气的含湿量，在电晕放电过程中能形成数量极大的荷电液滴，这些液滴的存在使PM2.5颗粒发生碰撞团聚的可能性大大增加，从而与常规的电除尘器相比，湿式脉冲电晕反应器对于PM2.5颗粒更加有效，所以无需振打清灰装置，不存在极板腐蚀、粘结问题，从本质上避免了常规电除尘设备粉尘返混率高、净化效果不佳、腐蚀严重等致命问题，有效改善运行性能，特别是对小颗粒的捕集效果将会明显改善。

脉冲供电方式与直流供电方式相比能够显著提高峰值电压以及自由电子的平均能量和数量，强化小颗粒的荷电和凝并效果，促进小颗粒的脱除。而且高能电子也能促进O、OH、O₃等氧化性自由基的生成，改善烟气中SO₂、NOx等气态污染物的转化效果。通过选择不同的高效吸收剂，实现PM2.5、SO₂和NOx的同时脱除。

所述的喷水器紧贴反应器壳体内壁，设有两个对称入水口，喷水器紧贴不锈钢网一侧均匀开设多个出水口，有助于吸收剂在不锈钢网上形成水膜。

所述的针状电晕线为外圆周面上设有多组芒刺对的不锈钢圆形管，不锈钢圆形管的半径和芒刺的长度可根据具体情况加以改变，优选为每组芒刺对的芒刺数量为四个，成对称分布，芒刺的长度为3～7mm，四个芒刺的对称分布，能够产生更多的自由基，并使自由基在反应器截面上的分布更加均匀，有利于污染物的脱除。

壳体的形状可根据实际工程要求设计，由于各芒刺尖端与流水极板间的距离必须相等，因此壳体最优设计成横截面为圆形或正方形，正方形更利于工程上多个反应器的阵列设置。电晕的产生很大程度上取决于电极之间的距离，电极间距过大电晕不易稳定且难以产生，而间距过小又使烟气处理量减小，所以芒刺尖端与流水极板之间的距离最优选择40～70mm。电晕放电的难易也与电极的材料有关，一般来说钨、不锈钢以及铜都是较好的电极材料，本发明考虑到烟气中酸性气体的腐蚀，所以电极采用不锈钢材料。

本发明反应器的基本原理是：在针状电晕线和流水极板上施加脉冲高压电，针状电晕线末端由于很小的曲率半径，在其附近就会产生极高的电场强度，引发气体电离，最终导致脉冲电晕的发生。此时，PM2.5颗粒在脉冲电场中荷电，并在电场力作用下向流水极板运动，最终被流水极板上的水膜捕集继而带走。而烟气中的SO₂、NOx被电晕放电所产生的强氧化性自由基氧化，继而在流水极板的水膜表面完成吸收。

本发明湿式脉冲电晕反应器能够实现PM2.5、SO₂和NOx同时脱除，与组合单一污染物控制技术相比，不仅系统的复杂性大大降低，而且投资和运行成本的降低更加显著。

附图说明

图1是本发明的一种湿式电晕烟气治理反应器结构示意图；

图2是针状电晕线上每组芒刺对的分布示意图。

图中：壳体1、进气口2、出气口3、流水极板4、喷水器5、针状电晕线6、出水口7、喷水器进水口8、喷水器出水口9、芒刺10。

具体实施方式

如图1所示的湿式脉冲电晕烟气治理反应器，包括圆筒形壳体1，壳体横截面直径100mm；壳体1下端设有进气口2，上端设有出气口3；壳体1内壁紧贴设置流水极板4，流水极板4上方设有喷水器5，壳体1底部设有出水口7，吸收剂从喷水器进水口8进入，然后从喷水器出水口9喷出，自上而下沿着流水极板4流动，最后在出水口7汇集，流入出料池；壳体1中央设有针状电晕线6，电晕线6和流水极板4一起构成电晕放电的两极，流水极板4接正脉冲高压，针状电晕线6接负脉冲高压，形成湿式的正极脉冲电晕放电。

流水极板4采用不锈钢网，针状电晕线6为外圆周面上设有多组芒刺对的不锈钢圆形管，每组芒刺对含有四个芒刺10，成对称分布(如图2所示)，芒刺10的长度为5mm。

喷水器5为圆环形状，紧贴反应器壳体内壁，设有两个对称喷水器入水口8，喷水器紧贴流水电极4一侧每隔1cm均匀开设喷水器出水口9。

采用如图1所示的反应器，以pH值为5.6～5.7的氨水作为吸收液，施加30kV脉冲电压，处理烟尘浓度10mg/m³，SO₂浓度1000ppm和的NOx浓度200ppm的烟气，能同时取得80％以上的PM2.5颗粒脱除率，90％以上脱硫率以及80％以上的脱硝率。

Claims

1.一种湿式脉冲电晕烟气治理的反应器，包括壳体(1)，壳体(1)下端设有进气口(2)，上端设有出气口(3)；其特征在于：壳体(1)中央垂直设有针状电晕线(6)；靠近壳体(1)内壁设置不锈钢网作为流水极板(4)，流水极板(4)上方设有喷水器(5)，喷水器(5)靠近流水极板(4)一侧均匀开设若干个喷水器出水口(9)；壳体(1)底部设有出水口(7)；流水极板(4)接正脉冲高压，针状电晕线(6)接负脉冲高压。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述的针状电晕线(6)为外圆周面上设有多组芒刺对的不锈钢圆形管。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于：每组芒刺对包括四个成对分布的芒刺(10)。

4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于：所述的芒刺(10)尖端与流水极板(4)之间的距离为40～70mm。

5.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于：所述的芒刺(10)的长度为3～7mm。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述的壳体(1)的横截面为圆形或正方形。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于：所述的壳体(1)的横截面为正方形。