直流電暈自由基簇射煙氣中多種污染物脫除的機(jī)理研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)保意識(shí)的提高，燃煤煙氣中需控制的污染物越來越多。除了首要的SO<,2>和NOx以外，汞以及碳?xì)浠衔锏目刂埔仓饾u提上日程。然而采取組合方法對(duì)各種污染物進(jìn)行逐一治理，無論從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上來講都不是合理的選擇。為了降低煙氣凈化工藝的復(fù)雜性和投資運(yùn)行費(fèi)用，開發(fā)新型的煙氣綜合治理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文全面闡述了自由基簇射煙氣中多種污染物脫除技術(shù)，側(cè)重于基礎(chǔ)理論研究，并進(jìn)行了放大反應(yīng)器設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析。首

2、先，電暈放電的基本物理過程、自由基簇射形成過程以及噴嘴電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化被研究；接著從實(shí)驗(yàn)和理論研究角度，深入分析了自由基簇射SO<,2>和NOx的反應(yīng)特性和機(jī)理，優(yōu)化了反應(yīng)過程，提出了自由基簇射同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)方案，并對(duì)該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析，為煙氣污染物脫除領(lǐng)域提供了新的解決方案；再者，應(yīng)用自由基簇射技術(shù)對(duì)有機(jī)廢氣的降解進(jìn)行了探索，重點(diǎn)考察提高降解效率的關(guān)鍵因素和降解副產(chǎn)物。并且引入量子化學(xué)種的密度泛函法對(duì)多種有機(jī)物分子的

3、鍵離解能進(jìn)行了初步的計(jì)算分析； 在電暈放電自由基簇射實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的流光電暈?zāi)軌虺錆M整個(gè)放電氣隙。放電電流呈現(xiàn)顯著的脈沖特性，而且電流隨電壓呈指數(shù)級(jí)增長；從噴嘴中心至噴嘴邊緣的電場(chǎng)都大于臨界電場(chǎng)，且電極氣分子如O<,2>，H<,2>O和NH<,3>的鍵離解能都在4～5eV之間，小于自由基簇射過程產(chǎn)生的電子的能量，確保了自由基簇射的形成；噴嘴外徑的增大能夠增加電暈區(qū)域和強(qiáng)度，噴嘴個(gè)數(shù)的增加則提高了能量輸入水平。但是由于電暈之間的

4、屏蔽作用，過大的噴嘴外徑以及過多的噴嘴個(gè)數(shù)都不利于電暈的發(fā)展。在本實(shí)驗(yàn)條件下，以噴嘴電極外徑為3mm，噴嘴個(gè)數(shù)為14個(gè)為宜。 對(duì)于自由基簇射SO<,2>的脫除，單純的氧化作用并沒有起到好的脫除效果，而氨氣的加入則大大提高了SO<,2>的轉(zhuǎn)化率。此時(shí)SO<,2>的轉(zhuǎn)化通過熱化學(xué)反應(yīng)、同相自由基反應(yīng)以及氣溶膠表面的異相自由基反應(yīng)，這3種途徑對(duì)SO<,2>轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)率分別為65％、20％和15％；而對(duì)于NOx的脫除，氧化作用是決定性的

5、，60％以上的NO被氧化成了NO<,2>。煙速的成倍增加減少了煙氣在電暈區(qū)和非電暈區(qū)內(nèi)的 停留時(shí)間，從而減少NO的轉(zhuǎn)化率。隨著煙氣中NO初始濃度的增加，NO轉(zhuǎn)化的能量利用率逐漸增加，最后穩(wěn)定在20g/kWh左右。煙氣中氧氣含量的增加有助于電暈的穩(wěn)定和NO轉(zhuǎn)化率的提高。在煙氣中加入少量的二氧化碳，能夠促進(jìn)電暈的穩(wěn)定，但是大量的二氧化碳對(duì)放電產(chǎn)生抑制。 在加氨自由基簇射同時(shí)脫硫脫硝過程中，SO<,2>主要通過和氨氣的熱化學(xué)反應(yīng)

6、脫除，但放電過程對(duì)SO<,2>的脫除仍有一定的促進(jìn)作用，而NO<,x>的脫除完全取決于放電過程。氨氣的增加對(duì)SO<,2>和NO<,x>的脫除都有促進(jìn)作用，而SO<,2>對(duì)氨氣的敏感性更高。在氨氣注入不變的情況下，適量SO<,2>的加入能夠提高NO<,x>的脫除率，而不同初始濃度NO的加入對(duì)SO<,2>的脫除影響很小。煙氣濕度的增加能夠顯著提高NO<,x>的脫除率。300MW機(jī)組加氨自由基簇射同時(shí)脫硫脫硝的能耗僅占總發(fā)電量的1.21％，遠(yuǎn)

7、低于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用能耗的上限，而且與電子束以及脈沖電暈法相比，投資和運(yùn)行成本節(jié)省50％以上，具有良好的應(yīng)用前景。 電極氣中氧氣含量的增加能夠改善苯的降解率，降解過程中生成的CO<,x>中大部分是CO<,2>，但也伴隨少量CO的產(chǎn)生，放電能量注入和電極氣濕度的增加能夠提高CO<,2>/CO<,x>的比率和降解程度。苯系有機(jī)物結(jié)構(gòu)對(duì)其降解會(huì)產(chǎn)生一定的影響，苯環(huán)上支鏈的越多，降解率和降解程度越高。Fenton-type試劑—Fe（II

8、）、Mn（II）和Co（II）溶液能夠促進(jìn)甲苯的降解，其中Co（II）的反應(yīng)活性最好。Fe<,2>O<,3>和MnO<,2>催化涂層促進(jìn)了萘的降解，且MnO<,2>的催化活性要好于Fe<,2>O<,3>。萘降解過程中的主要產(chǎn)物是CO<,2>和H<,2>O。自由基簇射技術(shù)對(duì)二惡英的降解具有一定的效果，有毒的PCDD/Fs的降解率達(dá)到了80％以上。通過有機(jī)物鍵離解能的初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在6-31G（d，p）水平下的計(jì)算結(jié)果最為接近實(shí)驗(yàn)值，所以其

9、可作為未知有機(jī)物鍵解離能的可信估算值。C-H的鍵能都在5eV以下，而且苯環(huán)上C-H的鍵能要高于取代基上的C-H。另外，C-CL的鍵能和取代基上的C-H的鍵能相差無幾，明顯小于苯環(huán)上C-H。當(dāng)電子能量達(dá)到5.5ev時(shí)，理論上就可以解離苯系物以及多環(huán)芳烴上的所有共價(jià)鍵及二惡英上的大部分共價(jià)鍵。 電暈放電自由基簇射過程中O自由基的產(chǎn)率遠(yuǎn)大于OH、N、H，從理論上證明了自由基簇射技術(shù)在產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基方面的優(yōu)勢(shì)。電場(chǎng)強(qiáng)度和自由基的產(chǎn)率