本發(fā)明屬于大氣污染凈化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于等離子體輔助氨水吸收燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
燃煤鍋爐會排放大量的so2、氮氧化物(nox)和co2氣體等，so2、nox是大氣污染的主要成分，也是形成酸雨和光化學煙霧的主要物質(zhì)，而co2等溫室氣體引起的溫室效應等環(huán)境問題，不僅破壞了生態(tài)系統(tǒng)而且還危害了人體健康。這些環(huán)境問題帶來的經(jīng)濟社會風險和重大損失，無疑已成為關(guān)系我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展甚至社會和諧穩(wěn)定的重大問題。
目前我國so2排放量的90％，nox排放量的67％和co2的70％均來自于燃煤。隨著大氣污染日益嚴重，煙氣污染物控制標準日益提高，新的脫硫脫硝脫碳技術(shù)的開發(fā)和應用尤為重要。
現(xiàn)階段，脫硫技術(shù)在國內(nèi)日益成熟，但脫硝技術(shù)仍有提升空間。對so2的控制，目前較為成熟的技術(shù)是石灰石石膏法，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，脫除效率可達95％以上。而對于nox的控制，常采用選擇性催化還原法(scr)，脫除效率可達90％以上，但其存在投資及運行成本高、催化劑易失活難再生、可能造成二次污染等問題。目前國內(nèi)燃煤鍋爐脫硫脫硝普遍采用的是濕式煙氣脫硫(fgd)和nh3選擇性催化還原脫硝(scr)的組合技術(shù)。該技術(shù)的脫硫脫硝效率雖然高，但是系統(tǒng)復雜，投資和運行成本高，對運行企業(yè)來講無論從管理上和經(jīng)濟上都造成不小的壓力。而脫碳方面，傳統(tǒng)方式多采用先脫硫脫硝再脫碳的布局，所以如果按照目前的一套設(shè)備只針對一種污染物的煙氣治理方法，隨著未來污染物治理種類的進一步增加，治理要求進一步提高，勢必造成系統(tǒng)復雜性高、設(shè)備投資大、運行成本高、占地面積多等問題。為此，研發(fā)高效經(jīng)濟的脫硫脫硝脫碳一體化技術(shù)已成為國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)的關(guān)注熱點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳的新技術(shù)，降低燃煤電廠污染治理系統(tǒng)的復雜性和投資運行成本，減少二次污染，同時實現(xiàn)吸收副產(chǎn)物的資源化，提出了一種等離子體輔助氨水吸收燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳系統(tǒng)和方法。
一種等離子體輔助氨水吸收燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳的裝置，包括順次設(shè)置在鍋爐煙氣流下游的降溫洗滌塔、等離子體反應器、吸收塔和煙囪，所述吸收塔的塔釜漿液入口外接氨水罐、塔釜漿液出口接入所述降溫洗滌塔內(nèi)的噴淋裝置。
降溫洗滌塔采用吸收塔內(nèi)的吸收后漿液作為吸收劑吸收so2，一方面實現(xiàn)so2的初步脫除，從而在后續(xù)的吸收塔中更加容易實現(xiàn)高效凈化。另外利用煙氣顯熱蒸發(fā)吸收塔中過來的吸收產(chǎn)物，對其進行濃縮，有助于后續(xù)的硫酸銨、硝酸銨、碳酸銨等結(jié)晶處理。同時煙氣溫度降低能夠提高后續(xù)的no等離子體氧化效率，以及吸收塔吸收速率。降溫洗滌塔的設(shè)置對于so2、nox和co2的高效脫除具有協(xié)同作用。
液相氧化直接在吸收劑中添加氧化劑，但是由于no溶解性差，其氧化效果首先受到液膜吸收速率慢的影響，氧化效果并不好；氣相氧化則是在吸收前先將氧化性物質(zhì)(等離子體或者臭氧等)和no充分接觸，將no氧化成高價態(tài)氮氧化物，然后再進行濕法吸收。氣相氧化具有氧化性強，反應速度快等特點，no能更好的被氧化成易于吸收的高價態(tài)氮氧化物。另外，與臭氧氧化相比，等離子體過程不需要專門的液氧或純氧制備系統(tǒng)，而且不存在臭氧在較高溫度下快速分解的問題，所以no的等離子體直接氧化在工業(yè)應用中更具優(yōu)勢和前景。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述等離子體反應器包括：
殼體，所述殼體內(nèi)沿煙氣流向分為介質(zhì)阻擋反應段和電暈放電反應段；
設(shè)于所述介質(zhì)阻擋反應段內(nèi)的至少兩個介質(zhì)阻擋單元，相鄰介質(zhì)阻擋單元之間為煙氣通道；
以及設(shè)于所述電暈放電反應段內(nèi)的電暈放電單元。
介質(zhì)阻擋放電和電暈放電是最常見的用于大氣治理的等離子體發(fā)生方式。介質(zhì)阻擋放電活性氧產(chǎn)生量大，但放電間隙小，大量布置介質(zhì)阻擋層會大大增加煙氣阻力，其更適合小煙氣量處理；電暈放電放電間隙大，阻力小，但產(chǎn)生的活性氧化粒子相對介質(zhì)阻擋放電要小一些，適合大煙氣量處理。本發(fā)明將介質(zhì)阻擋放電和電暈放電復合在一個反應器中，能在強化no的氧化效果同時又降低整個等離子體反應器的運行阻力，為較大煙氣量的no氧化提供了新的方法和技術(shù)。
進一步優(yōu)選地，所述介質(zhì)阻擋單元包括相互平行的的至少兩塊介質(zhì)阻擋板。
進一步優(yōu)選地，所述電暈放電單元包括相互平行布置的若干塊極板和分布于相鄰極板之間的若干根極線，相鄰極板之間為煙氣通道，所述煙氣通道的進、出口端均設(shè)置多孔氣流分布板，所述若干塊極板與所述介質(zhì)阻擋板相互垂直布置，相鄰極板之間的間距為100～200mm。
更進一步優(yōu)選地，所述極線上均勻分布芒刺電極。
更進一步優(yōu)選地，所述殼體為臥式殼體，所述介質(zhì)阻擋板水平布置，所述電暈放電單元的極板豎直布置且與氣流方向一致。
進一步優(yōu)選，所述殼體為方形臥式殼體。
介質(zhì)阻擋反應段與電暈放電反應段由一塊多孔氣流分布板隔開，電暈放電反應段與殼體出口之間也由一塊多孔氣流分布板隔開，電暈放電單元內(nèi)的若干煙氣通道的進、出口均正對對應的多孔氣流分布板，進入電暈放電單元內(nèi)的煙氣分成與煙氣通道數(shù)量對應的若干路分別流經(jīng)對應的煙氣通道，處理后的煙氣由出口處的多孔氣流分布板排出。
更進一步優(yōu)選地，同一介質(zhì)阻擋單元內(nèi)相鄰介質(zhì)阻擋板之間的間距為2～5mm；介質(zhì)阻擋板包括玻璃鋼板和覆蓋在玻璃鋼板表面且厚度為0.1～0.2mm的不銹鋼板。
介質(zhì)阻擋放電采用高壓交流電源，介質(zhì)阻擋單元的兩塊擋板分別連接高壓交流電源正負兩極；電暈放電采用高壓直流或脈沖電源，所述極板外接高壓電源，極線接地。
優(yōu)選地，所述吸收塔內(nèi)由下至上依次為漿液池、若干層第一噴淋層、填料層、第二噴淋層，每個第一噴淋層的下方對應設(shè)置一個擾流層，煙氣入口位于漿液池與第一噴淋層之間、且外接等離子體反應器的煙氣出口，煙氣出口位于第二噴淋層上方。
吸收塔由煙氣進口、底部循環(huán)池、底部氧化風機、噴淋層、擾流層、填料層、漿液池和煙氣出口組成。吸收塔煙氣進口與等離子體氧化段出口連接；噴淋層設(shè)置為2～3層，擾流層布置在每個噴淋層以下，填料層布置在噴淋層之上。吸收塔的循環(huán)池中持續(xù)加入20％新鮮氨水，以維持吸收效果。
將噴淋層和填料層組合在一個吸收塔內(nèi)，噴淋層可實現(xiàn)so2等易吸收的氣體的快速脫除，以及nox、co2的部分脫除，而填料層有助于較難吸收的nox、co2的深度吸收。同時so2在噴淋層完全吸收后，可以減少在填料層對其他污染物吸收的影響，從而整體上提高so2、nox和co2的脫除水平。將填料塔和噴淋塔復合，不僅有助于污染物的吸收，也減少了吸收塔的體積，減少了投資和運行成本。
即本發(fā)明進一步的改進在于在噴淋層與填料層之間增設(shè)一層擾流層。
所述擾流層為管框式結(jié)構(gòu)，包括邊框、水平布置的橫管和豎直布置的豎管，所述橫管與豎管之間互不嵌入，所述橫管和豎管的端頭與邊框的連接處均滑動配合。
滑動配合可實現(xiàn)橫管與豎管位置的移動，主要實現(xiàn)橫管與豎管的水平移動。
當前的吸收塔基本上為空塔噴淋，雖然已經(jīng)能取得90％以上的脫硫率，但是隨著so2的脫除要求越來越高，需要通過吸收塔內(nèi)結(jié)構(gòu)的改進來進一步提高其吸收效果。在煙氣在吸收塔內(nèi)設(shè)置擾流層主要目的是加強塔內(nèi)的煙流分布均勻性，同時又盡可能減少阻力的增加。與傳統(tǒng)的托盤結(jié)構(gòu)相比，擾流管的阻力下降一半以上，但局部效果相當。所述橫管和豎管的端頭與邊框的連接處采用滑動配合，更加有助于通過擾流層截面上的壓力自平衡作用，獲得煙氣的均勻分布。
優(yōu)選地，所述填料層的填料為折流式六邊形結(jié)構(gòu)，包括位于上、下表面的六邊形和連接上下表面六邊形的折流管道。
采用折流板填料層，一方面提高煙氣在填料層的停留時間，同時通過折流板的慣性作用可去除與部分的液滴，提高污染物脫除效果。
第一噴淋層和第二噴淋層漿液均來自漿液池。
本發(fā)明還提供一種等離子體輔助氨水吸收燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳的方法，包括如下步驟：
鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)靜電或布袋除塵后依次通過降溫洗滌塔、等離子體反應器、吸收塔處理后由煙囪排除；
在降溫洗滌塔內(nèi)，噴淋層設(shè)置1～2層，煙氣流速5～8m/s，采用的液氣比為2～5l/m3，煙氣中50％以上的so2被脫除，煙氣溫度降低至100℃以下，同時煙氣的顯熱將來自吸收塔底部的吸收產(chǎn)物銨鹽濃縮，再將濃縮后的吸收產(chǎn)物銨鹽送至后續(xù)的結(jié)晶單元處理；
在等離子體反應器內(nèi)，介質(zhì)阻擋部分加入10～20kv的交流高壓電，在電暈放電部分加上30～40kv的直流高壓電。煙氣中的70～80％no被氧化成no2、hno2和hno3；
在吸收塔內(nèi)，煙氣自下而上逆向接觸吸收液，噴淋層部分設(shè)置2～3層，采用氨水作為吸收劑，吸收液ph值8.5～9；噴淋部分的煙氣流速3～4m/s，液氣比控制在8～12l/m3；填料層部分液氣比5～10l/m3，煙氣停留時間控制在2～3s。通過整個系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)so2的深度脫除，以及nox和co2的高效吸收。
本發(fā)明的方法包括脫硫過程、no氧化過程、脫硝過程、脫碳過程；所述脫硫過程，即煙氣中的so2和氨水發(fā)生吸收反應：
so2+nh3+h2o＝nh4hso3
so2+2nh3+h2o＝(nh4)2so3
(nh4)2so3+h2o+so2＝2(nh4)2so3
(nh4)2so3+so2＝(nh4)2so3；
所述no氧化過程：在等離子體復合反應器中no被氧化成no2，也有可能是其他價態(tài)的氮氧化物，如hno2或hno3。主要反應為：
no+o＝no2
no+o3＝no2+o2
未反應完全的so2、氧化后的nox和co2隨后在吸收塔中完成吸收脫除，同時可發(fā)生協(xié)同作用。發(fā)生的反應包括：
no2+no+nh3＝nh4no3+nh4no2
nh3+hno3＝nh4no3
nh3+hno2＝nh4no2
所述脫碳程：
co2+2nh3＝nh2coonh4
nh2coonh4+h2o＝nh3+nh4hco3
nh3+nh4hco3＝(nh4)2co3
co2+h2o+(nh4)2co3＝2nh4hco3
本發(fā)明將各種處理技術(shù)有機結(jié)合，將等離子體作為no的氧化手段，結(jié)合介質(zhì)阻擋放電和電暈放電的優(yōu)勢，在較低的阻力下在氣相中先將no高效氧化，再和so2、co2一起在液相中實現(xiàn)同時脫硫脫硝脫碳。這不僅能夠利用原有的濕法脫硫裝置，實現(xiàn)煙氣脫硫脫硝脫碳一體化，而且不會造成二次污染，同時可回收銨鹽，不失為一種經(jīng)濟環(huán)保的煙氣綜合處理方法，達到工藝設(shè)備簡單、降低能耗、處理費用低、節(jié)省空間等效果。本發(fā)明采用等離子體氣相氧化達到同時脫硫脫硝脫碳一體化脫除和資源化的技術(shù)，技術(shù)簡單，投資運行成本低，能夠用于原有裝置的改造，易于推廣。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下的效果和優(yōu)點：
(1)采用等離子體氧化so2、nox和co2的一體化脫除，在一個塔內(nèi)實現(xiàn)多種污染物的同時脫除，反應系統(tǒng)大大簡化，投資運行成本大大降低，而且能夠回收硫銨、硝銨和碳銨等副產(chǎn)物，實現(xiàn)吸收產(chǎn)物的資源化。
(2)采用20％新鮮氨水作為吸收劑，活性高，吸收速率遠高于鈣法，吸收液循環(huán)量低，煙氣系統(tǒng)阻力小；吸收產(chǎn)物資源化，沒有固廢和廢水的排出，且能高效吸收co2，符合循環(huán)經(jīng)濟和低碳經(jīng)濟要求。
(3)降溫洗滌塔的布置不僅能實現(xiàn)吸收產(chǎn)物的濃縮結(jié)晶，減少后續(xù)產(chǎn)物資源化處理的能耗，而且低溫煙氣有助于提高等離子體氧化no和氨法吸收效果。
(4)吸收塔將噴淋和填料吸收組合，適應不同煙氣污染物脫除，系統(tǒng)簡化，投資和運行成本低。
(5)設(shè)計的介質(zhì)阻擋耦合電暈放電反應器，不僅能有效產(chǎn)生氧原子等活性氧物質(zhì)，同時能增大等離子體過程氧化煙氣的處理量，在提高no氧化效率的同時降低能耗。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的主要裝置系統(tǒng)示意圖；
圖2是本發(fā)明等離子體反應器的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明等離子體反應器的俯視結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明的擾流層示意圖；
圖5是本發(fā)明的填料層示意圖；
圖6是單獨電暈放電、單獨吸收以及電暈放電耦合吸收so2和nox的脫除對比圖。
圖中所示附圖標記如下：
1-鍋爐2-降溫洗滌塔3-等離子體反應器
4-吸收塔5-氨水罐6-煙囪
31-進口32-殼體33-介質(zhì)阻擋板
34-多孔氣流分布板35-極線36-極板
37-出口
41-第一噴淋層42-填料層43-第二噴淋層
44-擾流層441-橫管442-豎管
443-邊框421-折流管422-六邊形
具體實施方式
如圖1所示，一種等離子體輔助氨水吸收燃煤煙氣同時脫硫脫硝脫碳的裝置，包括順次設(shè)置的鍋爐1、降溫洗滌塔2、等離子體反應器3、吸收塔4和煙囪6。
降溫洗滌塔2包括塔體和設(shè)置于塔體內(nèi)的噴淋裝置，塔體的塔壁上設(shè)置煙氣進口，該煙氣進口位于噴淋裝置下方，來自鍋爐的煙氣經(jīng)除塵后由該煙氣進口進入降溫洗滌塔的塔體內(nèi)，降溫洗滌塔的煙氣出口位于塔體頂部，該煙氣出口接入等離子體反應器的進口。
等離子體反應器3的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示，包括臥式布置的殼體32，殼體采用方形殼體，一端帶有進口31、另一端帶有出口37，煙氣由該進、出口進出等離子體反應器，殼體32內(nèi)沿煙氣流方向依次分為介質(zhì)阻擋反應段和電暈放電反應段，介質(zhì)阻擋反應段與電暈放電反應段由多孔氣流分布板34分隔，電暈放電反應段與出口之間也由多孔氣流分布板分隔，介質(zhì)阻擋反應段內(nèi)設(shè)置至少兩個介質(zhì)阻擋單元，相鄰介質(zhì)阻擋單元之前的間隙為煙氣通道(圖2中示出以兩個介質(zhì)阻擋單元為例)，電暈放電反應段內(nèi)設(shè)置電暈放電單元。
介質(zhì)阻擋單元包括若干平行布置的介質(zhì)阻擋板33(圖2中示出以每個介質(zhì)阻擋單元為三塊介質(zhì)阻擋板為例)，同一介質(zhì)阻擋單元內(nèi)相鄰介質(zhì)阻擋板之間的間距為2～5mm，介質(zhì)阻擋板材料為絕緣玻璃鋼，表面覆蓋0.1～0.2mm的不銹鋼鋼板，介質(zhì)阻擋板相互平行且其板面水平布置。
介質(zhì)阻擋放電采用高壓交流電源，煙氣由相鄰介質(zhì)阻擋單元之間的間隙通過。
電暈放電單元包括若干相互平行設(shè)置的極板36和均勻分布于相鄰極板之間的極限35，極線上均勻分布芒刺電極，極板的板面與臥式殼體的側(cè)面相平行，相鄰極板之間的間距為100～200mm，煙氣由相鄰極板之間的間隙中通過，電暈放電采用高壓直流或脈沖電源。
吸收塔4包括塔體，塔體內(nèi)由下至上依次為漿液池、第一噴淋層41、填料層42和第二噴淋層43，第一噴淋層設(shè)置為2～3層，每個第一噴淋層下方對應設(shè)置一個擾流層44，煙氣入口位于漿液池與第一噴淋層之間的塔壁上、煙氣出口位于塔體頂部，煙氣出口連接煙囪6，煙氣入口連接等離子體反應器的出口，第一噴淋層和第二噴淋層的漿液均來自吸收塔內(nèi)的漿液池。
漿液池的漿液入口外接氨水罐5，氨水罐內(nèi)儲存20％新鮮氨水，漿液池的漿液出口其中一路接入降溫洗滌塔內(nèi)的噴淋裝置，降溫洗滌塔內(nèi)漿液達到一定濃度后去結(jié)晶裝置。
擾流層44的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，為管框式結(jié)構(gòu)，包括邊框443、水平布置的橫管441和豎直布置的豎管442，橫管和豎管均安裝在邊框上，橫管和豎管之間相互之間不嵌入，橫管和豎管均可在邊框上作水平移動，該移動方式可通過常規(guī)技術(shù)實現(xiàn)，例如滑動配合。
填料層42由如圖5所示的單個填料組成，包括分別位于填料層上、下表面的六邊形422和連接上、下兩個六邊形的折流管421。
通過上述裝置進行煙氣處理的工藝流程如下：
從鍋爐出來的煙氣，首先經(jīng)過靜電或布袋除塵器脫除99％以上的粉塵，之后進入降溫洗滌塔，進入降溫洗滌塔的煙氣溫度在180℃左右。降溫洗滌塔的吸收液來自吸收塔底部的循環(huán)池，降溫洗滌塔內(nèi)煙氣流速5～8m/s，采用的液氣比為2～5l/m3，降溫洗滌塔出口煙溫控制在100℃以下(例如80℃)；之后煙氣進入等離子體反應器，等離子體反應器內(nèi)煙氣流速控制在3～4m/s，在介質(zhì)阻擋部分加入10～20kv的交流高壓電，在電暈放電部分加上30～40kv的直流高壓電；煙氣在等離子體反應器內(nèi)充分氧化后進入吸收塔。吸收塔中的吸收劑采用氨水，吸收液ph值8.5～9，煙氣流速3～4m/s，吸收塔中噴淋層的液氣比控制在8～12l/m3，填料層的停留時間控制在2～3s。
本發(fā)明中的關(guān)鍵技術(shù)已進行了實驗室研究，研究結(jié)果表明本發(fā)明等離子體耦合濕式吸收與單獨等離子體放電、單獨濕式吸收相比，等離子體耦合濕式吸收過程呈現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，特別是對nox的脫除。單獨電暈放電過程中的nox脫除率為14.3％，單獨吸收過程中的nox脫除率為7.7％，而電暈耦合濕式吸收過程中的nox脫除率則達到了58.2％(如圖6所示)。
以上所述僅為本發(fā)明專利的具體實施案例，但本發(fā)明專利的技術(shù)特征并不局限于此，任何相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。