高气压低温高浓度离子形成及其脱硫脱硝的基础研究

At present, the method which passes directly high-energy to gas molecules in the reaction system is searching. A high-pressure low-temperature plasma is achieved by additional strong ionization field that can transfer high-effectively and directly high-energy to gas molecules, and thus has excellent applications and development prospects. The present project uses the strong ionization discharge field to generator high-pressure low-temperature reactive oxygen species (positive ions of oxygen, ozone). Therein, ozone oxidizes NO to NO2 and positive ions of oxygen reactives with H2O molecule to hydroxyl radicals (OH) which can rapidly and nonselectively oxidize SO2 and NO2 to resources acids. The low-flow high-concentration (≥200mg/L)reactive oxygen species are produced by oxygen being equivalent to 1/1000 of flue gas ionized and dissociated, and then injected into a duct for flue gas desulfurization and denitrification into acid liquid. The volume of plasma source with strong ionization discharge field is only 1/1000 that of the current desulfurization and denitrification equipment, corresponding the occupied area, energy consumption, initial investment and operation cost will be reduced ten times than that of the existing treatment technology, and at the same time has a zero environmental pollution, zero pollutant product emissions. The following aspects will be mainly studied in the project: the formation basic of high- pressure low-temperature plasma with the strong ionization discharge; the development plasma source for producing reactive oxygen species; the establishment plasma chemistry reaction mechanism of flue gas desulfurization and denitrification and production acid liquid in a duct. The success of the above studies will help to provide a green and feasible method for flue gas treatment in the coal-fired power plant.

目前学者正寻找一种直接向反应体系中气体分子传递高能量方法。外加强电场能高效直接地传递高能量给气体分子产生高气压低温等离子体，具有极好应用和发展前景。本项目采用强电离放电电场电离、离解氧形成高气压低温氧活性粒子（氧正离子，臭氧），其中臭氧氧化NO成NO2；氧正离子与水分子反应生成羟基自由基（OH），具有无选择性快速地氧化脱除SO2、NO2并生成资源酸。将相当于烟气量1/1000的氧电离、离解成小流量高浓度（≥200mg/L）氧活性粒子，再注入烟道中实现烟气脱硫脱硝并生成酸。强电离放电等离子体源体积只是目前脱硫脱硝设备的1/1000，其占地面积、一次性投资和运行将成数十倍降低，同时具有零环境污染、零污染产物排放。为此需研究强电离放电的高气压低温等离子体形成机理；研制氧活性粒子产生的等离子体源；建立烟道中烟气脱硫脱硝并生成酸的等离子体化学反应机制。本研究将为燃煤发电厂烟气治理提供一种绿色方法。

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，大气中90%的二氧化硫（SO2）、67%的氮氧化物（NOx）是来源于煤炭燃烧过程， 致使我国酸雨面积占到国土面积三分之一，造成经济损失占GDP的2.0~3.0%，严重影响了国民经济发展和环境保护。所以治理燃煤发电厂烟气中SO2、NOx污染是当前亟待解决的环境问题之一。本项目采用窄间隙介质阻挡强电离方法将O2离解、电离成高浓度低温氧活性粒子，再将其注入烟道中，氧活性粒子中的O3（氧化电位E0=2.07V）将快速（反应速率常数k=1.8×10-14cm3/s）把NO氧化成NO2；O2+与烟气中水分子反应生成水合离子O2+•H2O（k=2.5×10-25cm6/s），水合离子再与水分子进一步反应则生成•OH（k=1.2×10-9cm3/s）；•OH将无选择（E0=2.80V）快速（k=1.1×10-11cm3/s）地脱除烟气中NO2、SO2并生成硝酸雾、硫酸雾，其反应时间将小于1s。这就保证了氧活性粒子O2+、O3注入烟道后，在1m~6m长管道中完成烟气脱硫脱硝的等离子体化学反应全过程，反应生成的亚微米酸雾再经扩散荷电凝并成粒径≥1µm酸雾滴后，再被宽极距电除酸雾器捕集成酸溶液。主要研究强电离放电电场形成及氧活性粒子产生器研制；建立低温氧活性粒子氧化脱除SO2、NOx的等离子体化学反应模式及模型；使用漫反射傅里叶红外光谱仪及具有单光子电离和光电子电离复合电离源的飞行时间质谱仪验证等离子体反应模型；把单极性离子产生源及荷电凝并装置放入烟道中，实现亚微米酸雾颗粒物捕集及回收；构建烟道中氧活性粒子氧化脱除SO2、NOx并生产酸的实验系统。当氧活性粒子与SO2、NOx摩尔比为5,水体积浓度为10%,烟气在烟道停留时间为1s时,脱硝脱硫率达到97.4%,83.2%；使用ICS-1500型离子色谱仪分析回收溶液的离子成份和浓度，NO3－、NO2－、SO42－浓度分别为45.5、0、51.5g/L，对应HNO3、H2SO4回收率分别为75%、62%。本研究采用强电离介质阻挡放电方法制取小流量、高浓度的氧活性粒子,脱除大烟气量中微量SO2、NOx的技术路线,有效解决常规气体电离放电方法存在的等离子源庞大、运行费用、能耗高和脱硝率低等问题，本研究将为燃煤发电厂烟气治理提供一种绿色方法。