脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究

摘要

燃煤电厂排放的粉尘颗粒、SO2、NOx、Hg、PAHs和二恶英等有害物质已经成为我国大气环境污染的重要来源之一。脉冲放电电凝并技术对细微颗粒有较好的荷电凝并效果，而且可以将烟气中的NO、SO2、Hg0转化成易被溶液吸收的成分，同时还可以对粉尘中的PAHs和二恶英等有害物质进行降解。和传统的碱液吸收技术相结合，可协同脱除燃煤电厂烟气中粉尘、NOx、SO2、Hg0、PAHs和二恶英等污染物，使除尘、脱硫、脱硝、脱汞、降解有机污染物的一体化成为可能，从而降低燃煤电厂烟气净化的成本。本文围绕燃煤烟气多种污染物及其控制方法的新兴研究，对脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除技术开展了实验和机理研究。主要研究内容包括：
　　 ⑴建立了燃煤锅炉烟道排放颗粒物等速采样系统，采用冲击式尘粒分级仪对440t/h循环流化床燃煤锅炉静电除尘器前后烟道烟尘进行采样实验，进行粒径分布、比电阻测量，研究煤种、锅炉负荷、Ca/S和含氧量等运行参数对颗粒物排放特性的影响；同时还研究了不同粒径和燃烧工况下飞灰颗粒的微观孔隙结构。
　　 ⑵搭建了脉冲荷电凝并结合直流收尘实验系统，主要研究脉冲峰值电压、脉冲频率、停留时间、初始粉尘浓度等因素对脉冲电晕放电颗粒荷电以及凝并收尘的影响。实验结果表明：脉冲电晕放电能够实现颗粒非对称双极性荷电，>0.2μm颗粒基本被荷上负电荷，电场荷电是其主要荷电机理；<0.2μm颗粒基本被荷上正电荷，扩散荷电是其主要荷电机理。脉冲电晕荷电颗粒在直流电场中的凝并除尘效率曲线呈现“V”字型，其除尘效率曲线在粒径0.2μm左右有一个最低值。
　　 ⑶建立小型脉冲电晕放电降解飞灰PAHs和二恶英实验台进行实验研究，同时进行了其降解理论分析。结果表明：正脉冲电晕放电过程中产生的高能电子能够有效地轰击粉尘颗粒表面，甚至穿透颗粒，从而改变了粉尘颗粒原有的孔隙结构，能有效地降解垃圾焚烧炉排放粉尘中的PAHs和二恶英等有害有机污染物。
　　 ⑷目前燃煤电厂广泛应用的湿法烟气脱硫装置，利用石灰/石灰石溶液洗涤烟气，只能对SO2进行有效控制，但是不能脱除烟气中的NO和Hg0。基于以上的研究基础，如果能够采用脉冲电晕放电将烟气中的NO，SO2，Hg0氧化成为高价态易溶于水的状态，就可以采用碱液吸收实现一塔多脱。本文采用脉冲电晕放电结合碱液吸收对烟气中SO2、NO和Hg0进行协同脱除实验，并且针对脉冲电晕放电脱硫脱硝脱汞化学动力学过程进行了研究。实验结果表明：脉冲放电电凝并结合碱液吸收能够很好地协同脱除烟气多种污染物，在实验优化工况下，对PM1、SO2、NO和Hg0的协同脱除效率可以分别达到90％、97％、50％和50％以上。
　　 ⑸推导了直流电场中的荷电场强和收尘场强计算公式，在电场荷电前提下建立了半经验公式对脉冲电晕放电颗粒荷电进行计算。根据理论分析编写程序计算了双极性荷电颗粒的电凝并系数和电凝并效率，结果显示在实验工况不考虑凝并区收尘的情况下，颗粒越小，其电凝并效率越高；对于超细颗粒，其颗粒数量浓度有了一定的下降，电凝并效率可以达到20～30％左右。利用Fluent软件模拟了不同粒径段荷电颗粒在直流收尘电场中的运动轨迹，结果表明颗粒在外加直流电场力作用下向收尘极板基本作直线偏移运动，颗粒粒径越大，其驱进速度越大，偏移越明显。直观地确定不同粒径颗粒的除尘效率，并且跟实验结果进行了对比分析，两者吻合较好。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 能源现状与环境污染

1.1.2 燃煤烟气多种污染物的危害

1.1.3 燃煤烟气多种污染物排放标准

1.2 传统烟气污染物控制技术

1.2.1 粉尘控制技术

1.2.2 SO2控制技术

1.2.3 NOx控制技术

1.2.4 汞控制技术

1.2.5 多环芳烃和二恶英控制技术

1.3 新兴的烟气多种污染物协同脱除技术

1.4 脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究现状

1.4.1 脉冲放电特性及烟气多种污染物脱除机理研究

1.4.2 脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气污染物协同脱除技术研究进展

1.5 本文研究目的、内容及意义

2 燃煤电站烟道排放颗粒物采样及分析

2.1 绪论

2.2 燃煤电站烟道颗粒物采样方法

2.2.1 采样系统和实验方法

2.2.2 循环流化床锅炉烟道颗粒物分级采样

2.2.3 颗粒物测试分析方法

2.2.4 实验结果

2.3 本章小结

3 烟气多种污染物协同脱除实验装置系统

3.1 绪论

3.2 实验装置

3.2.1 烟气污染物发生系统

3.2.2 脉冲电晕放电反应器

3.2.3 电源供电及测量系统

3.2.4 测试分析系统

3.2.5 鼓风引风系统

3.2.6 尾气污染物吸收系统

3.3 本章小结

4 脉冲电晕放电颗粒荷电凝并收尘实验研究

4.1 绪论

4.2 实验装置、流程及工况

4.3 实验数据分析

4.4 实验结果

4.4.1 脉冲放电颗粒荷电特性

4.4.2 荷电后颗粒在直流电场中收尘特性

4.5 本章小结

5 脉冲电晕放电降解飞灰PAHs和二恶英实验及机理研究

5.1 绪论

5.2 脉冲电晕放电降解飞灰中有机物机理分析

5.2.1 脉冲电晕放电电子能量的计算

5.2.2 脉冲电晕放电过程中自由基及臭氧的形成及作用

5.3 实验装置、流程和工况

5.4 实验测试分析方法

5.5 实验结果

5.5.1 脉冲峰值电压和初始浓度对飞灰PAHs和二恶英降解效率影响

5.5.2 放电时间对PAHs降解效率的影响

5.5.3 脉冲电晕放电对飞灰微观孔隙结构的影响

5.6 本章小结

6 脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除实验及机理研究

6.1 绪论

6.2 脉冲电晕放电转化NO、SO2和Hg0化学动力学过程

6.2.1 强氧化性活性粒子的生成

6.2.2 NO、SO2和Hg0的转化原理

6.3 实验装置、流程及工况

6.4 实验数据分析

6.5 实验结果

6.5.1 脉冲电晕放电氧化SO2、NO和Hg0

6.5.2 碱液吸收烟气多种污染物

6.5.3 脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除效果

6.6 本章小结

7 脉冲电晕放电颗粒凝并结合直流收尘理论模型

7.1 绪论

7.2 双极性荷电颗粒凝并除尘效率计算

7.2.1 颗粒荷电计算

7.2.2 收尘电场强度计算

7.2.3 颗粒驱进速度计算

7.2.4 除尘效率计算

7.2.5 电凝并效率计算

7.3 Fluent软件的数值模拟

7.3.1 计算对象

7.3.2 计算方法

7.3.3 计算结果

7.4 本章小结

8 烟气多种污染物协同脱除系统设计及应用分析

8.1 绪论

8.2 烟气多种污染物协同脱除系统设计

8.2.1 脉冲电晕放电反应器设计

8.2.2 碱液吸收塔设计

8.3 烟气多种污染物协同脱除系统应用分析

8.3.1 应用方案

8.3.2 经济性分析

8.4 本章小结

9 全文总结和展望

9.1 本文主要研究成果

9.2 本文主要创新点

9.3 研究展望

参考文献

作者简历