一种放电等离子体协同吸收二氧化硫的方法和装置与流程

本发明涉及一种放电等离子体协同吸收二氧化硫的方法和装置，属于大气污染控制和环境化工技术领域。

背景技术：

人类活动产生的二氧化硫的大量排放是引起大气酸雨的主要原因。其中，燃料燃烧产生的二氧化硫(SO₂)占比约90％以上，其次是冶金、硫酸和炼油和化工制药的等过程。二氧化硫对人有致毒作用，对眼和呼吸道有强烈刺激作用，吸入高浓度二氧化硫可引起喉水肿、肺水肿、声带水肿及(或)痉挛导致窒息。中国环境状况公报统计数据表明，近年来我国城市酸雨污染程度有所加重。国家也制定了一些法律、法规，对火力发电等燃烧过程排放的二氧化硫作出了更加严格的控制和减排规定。

一般地，火力发电厂等以化石燃料燃烧产生的烟气中的二氧化硫浓度约为几百到几千mg/m³，湿法二氧化硫废气治理技术是采用各种水溶液对二氧化硫进行吸收处理，由于二氧化硫是中等溶解度的气体，在水中溶解过程是个可逆反应，其反应可以以下两步：

SO₂+H₂O→HSO₃^-+H⁺ (1)

HSO₃^-→SO₃^-2+H⁺ (2)

随水中H⁺浓度的上升，限制了二氧化硫的继续溶解。因此，采用水作为吸收剂对二氧化硫的吸收效果很低。因此采用石灰/石灰石等碱液吸收法是目前烟气二氧化硫废气治理的主要方法，但吸收需要消耗大量水，设备投资大，系统复杂，且脱硫产物难以回收利用。

由气体放电产生的非平衡等离子体技术应用于废气治理，其基本原理是利用电晕放电产生大量高能电子、原子和自由基。这些高能电子、原子和自由基与有害分子反应并使其氧化或离解，最终转化为无害物。本发明者曾报导了采用脉冲电晕放电反应器对二氧化硫的去除实验结果，研究结果参看《化工学报》英文版(2011，19(3)：518-522)的报道。

本发明的目的是设计和提供了一种放电等离子体协同吸收二氧化硫的方法和装置，使气流中含有的二氧化硫被气体放电等离子体氧化和吸收。

技术实现要素：

本发明采用的技术方案为：一种放电等离子体协同吸收二氧化硫的方法和装置，其特征在于把含二氧化硫气体的气流导入装置，所述的装置内设置有的正负(或正地及负地)交替的多组电极对，并与高压电源连通，同时从吸收液喷淋器喷淋出来的吸收液液滴与电极接触造成正负电极之间瞬间导通放电使周围气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气液接触放电等离子体区，从所述的装置一端的气体入口导入的二氧化硫气体经过所述的放电等离子体区，气流中的二氧化硫气体被氧化为三氧化硫，然后被吸收液吸收，从气流中得到去除，净化后的气流通过设置在装置另一端的气体出口排出，吸收液经所述的装置下部的吸收液循环池收集后可通过吸收液供给系统循环利用。

根据上述技术方案的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫气体的装置，其特征在于所述的装置的结构类似吸收塔，由气体进口、气体分布器、气液接触放电等离子体区、气体出口、吸收液喷淋器和吸收液供给系统组成。所述的气液接触放电等离子体区设置在装置的塔体中间，由正负(或正地及负地)交替的电极对组成，电极由高压电源供电，所述的装置的两端设置有气体进口和净化后气体出口，所述的吸收液喷淋器设置在所述的装置的上部，装置下部设置有吸收液循环池通过管道和循环泵与吸收液喷淋器连通，构成吸收液供给系统。

本发明所述的电极结构一般为对称网状板结构，也可为针-网式，针-板式，线-网式，线-线和线-板式等，可水平放置也可垂直放置，具体可依据装置的结构形状和气、液流动方向设计和确定。电极材料一般为不锈钢、钛、锆、钽、铅和合金等导电良好的耐硫酸金属材料以及相关复合材料，材料性能大体相当，所述复合材料包括不锈钢或钛基二氧化钌(或铱)、二氧化钛、二氧化铅，二氧化锰和二氧化锡等复合电极，这些复合材料同时还具有一定的催化氧化功能，能提高二氧化硫氧化率约5％以上。以网板电极为例，网孔一般为圆形或多边形，网孔大小应保证气体和/或液体流过，流阻小，单个网孔面积一般应在0.03cm²以上，优选0.2cm²-50cm²，具体可视装置流通截面大小而定，气流正对电极网板流动时，单个网孔面积一般应小于流通截面的1/10，两相邻正负电极距离一般为1mm以上，优选5mm-150mm，电极除放电工作部分外，其他部分作绝缘处理，可采用聚四氟乙烯、尼龙和陶瓷等绝缘材料。本发明所采用电极的供电方式包括直流、脉冲和交流，其中直流和脉冲供电的电压一般均为±1kV-±200kV，此时其中一电极为接地极，脉冲供电的脉冲重复频率一般为1Hz以上，优选10Hz-500Hz，频率增加，二氧化硫的氧化率提高，吸收率也提高，脉冲重复频率为500Hz以上时，实际效果提高幅度不太，交流供电的电压一般为1kV-200kV，频率一般为1Hz以上，优选10Hz-1000Hz，频率为1000Hz以上时，实际效果提高幅度不太。电极施加电压与电极间距有关，电极间距离越大，施加电压可越高，一般电极距离每增加10mm，电压可增加5kV-10kV，电压高能量释放大，氧化效率高，电极对越多，输入功率越大，去除效果越好。

本发明采用硫酸溶液作为吸收液，硫酸浓度为1％-98.5％(质量分数，下同)，浓度高些为好，优选30％-90％，以利于二氧化硫氧化得到的三氧化硫气体的吸收，同时溶液的沸点可以得到提高，工作温度可以高些。随着吸收的进行，浓硫酸也会吸收气流中的部分水分。所述吸收液的功能之一是在喷淋过程中使吸收液滴与正负电极之间接触导通后放电使气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气液接触放电等离子体区，促进二氧化硫气体氧化为三氧化硫，吸收液喷淋包括微孔滴喷或气流吹喷等形式，效果相当。通过调节吸收液喷淋量和喷淋频度来调节放电强度，可以是连续和间隔喷淋，间隔喷淋的间隔时间一般应小于被处理气体在放电等离子体区的停留时间，具体可依据装置的结构尺寸和气流中二氧化硫气体的负荷和吸收率要求等参数确定，被处理气体在放电等离子体区的停留时间一般为0.5s以上，停留时间越长，降解效果越好，优选3-120s，超过120s，降解效果提高幅度变小。由于优选采用浓度较高的硫酸作为吸收液，所述吸收液的功能之二是在吸收过程中一般不会产生水蒸气，或少量水蒸气，吸收液损耗小，吸收过程可在较高温度下进行。硫酸浓度越高，溶液沸点高，工作温度就高，吸收液硫酸浓度在20％以上时，沸点温度可在100℃以上，一般最高温度在200℃以下，优选150℃以下。由于气液吸收为放热过程，为了提高吸收效率，可对吸收液采用冷凝器冷却，可使进塔吸收液温度控制在100℃以下。

经过上述处理后二氧化硫氧化后被硫酸溶液吸收，产物为硫酸。吸收液可循环使用，也可不循环使用，由于浓硫酸在吸收过程也同时吸收空气中的水分，在气流温度在120℃时，所述硫酸浓度稀释到30％以下时可通过设置在吸收液循环池下部的排液口排出，更换更高硫酸浓度的新吸收液，也可以对气流先进行除湿处理后再在进入所述的装置，以提高吸收效果，除湿可采用氯化钙、硫酸镁、氯化锂和溴化锂等无机盐固体或液体或其他除湿剂吸附除湿。

本发明所述的气流主要为火力发电，冶炼等以化石燃料燃烧产生的含有二氧化硫的烟气，也可是其他工业过程产生的相关气流。一般烟气中二氧化硫的浓度在1％(体积含量)以下，对于其他工业气流中二氧化硫浓度高于1％(体积含量)时，也适用本发明所述的装置。

本发明的优点是：本发明采用吸收喷淋液滴与装置中的正负电极接触并使之导通放电使气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的等离子体区与被处理的二氧化硫气体发生氧化反应，使二氧化硫氧化为三氧化硫，三氧化硫又被硫酸吸收液吸收，从而达到气体吸收的目的，由于采用硫酸溶液作为吸收液，使工作温度可在100℃以上。

附图说明

图1为本发明所述的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫气体的装置结构示意图。

图2为本发明所述的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫气体的装置网状电极结构示意图，正负电极结构相同。

图3为本发明所述的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫气体的装置的卧式结构示意图，其中上图为正视图，下图为俯视图。

图中：1循环泵；2循环泵进液管；3吸收液循环池；4冷凝器；5加液口；6气体进口；7气体分布器；8循环泵出液管；9电极组；10进液口；11气体出口；12除雾器；13吸收液喷淋器；14电极组的负极；15电极组的正极；16排液口；17吸收液收集区；18连通管；19吸收液循环池出液口；20冷却盘管。

具体实施方式

实施例1：本发明所述的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫的装置如图1所示。装置为圆筒形，筒体材质PP，外形尺寸为Φ150mm×1200mm，立式放置。电极为如图2所述的圆盘形网状电极，电极材料为镍铬不锈钢，冲压成型，网孔为矩形，电极外形尺寸为Φ140mm×2mm，单孔尺寸为10mm×10mm，电极间距离约15mm，共12组。电极供电方式分别为直流、脉冲和交流，其中直流和交流电压均约为6kV，交流频率约为50Hz，脉冲电压约为8kV，脉冲频率约50Hz，直流和脉冲供电时另一电极接地，电源功率均约100W。

处理工艺是把含二氧化硫气体的气流由气体进口6经气体分布器7进入所述装置的气液接触放电等离子体区，把所述正负交替的网状电极组的正极15与高压电源连接，把所述网状电极组的负极14接地或接电源另一端，开动循环泵1并调节好流量，使吸收液经过冷凝器4、循环泵出液管8、进液口10和吸收液喷淋器13喷淋下来的吸收液滴与高压电极组接触造成正负电极之间导通放电，使气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气液接触放电等离子体区，当所述的含二氧化硫气体的气流经过所述的气液接触放电等离子体区时，气流中的二氧化硫气体被氧化为三氧化硫和吸收，从气流中得到去除，净化后的气流通过气体出口11排出，喷淋下来的吸收液经所述的装置下部的吸收液循环池3收集后通过吸收液循环系统循环利用。

实验条件为：二氧化硫气体的载气为空气，二氧化硫气体进口浓度约为800mg/m³，气体进口温度为120℃，流量约3m³/h。气流在气液接触放电等离子体区的停留时间约为3s，气体相对湿度约70％，吸收液喷淋量约50L/h，经冷凝器后进塔吸收液温度约为50℃，喷淋频度约2次/s。稳定运行15min分钟后测定。初始吸收液为85％硫酸，吸收液循环池加入量约60kg。实验结果得到：当供电方式为直流时，二氧化硫的出口浓度为67mg/m³，当供电方式为脉冲时，二氧化硫的出口浓度为51mg/m³，当供电方式为交流时，二氧化硫的出口浓度为78mg/m³。

实施例2：气流温度分别为60、100、150和180℃时，供电方式为直流，其他实验条件同实施例1，得到二氧化硫的出口浓度分别为53mg/m³、61mg/m³、84mg/m³和103mg/m³。当气流温度为60℃时，先对气流采用固体氯化钙或硫酸镁填充塔对气流进行除湿，除湿后气体的相对湿度约40％，再实施上述过程得到二氧化硫的出口浓度约为45mg/m³。

实施例3：初始吸收液硫酸浓度分别为1％、10％和30％，气体进口温度为90℃，供电方式为脉冲，其他实验条件同实施例1。得到二氧化硫的出口浓度分别为275mg/m³、212mg/m³和96mg/m³。

实施例4：初始吸收液硫酸浓度分别为50％、70％、90％和98.3％时，供电方式为脉冲，其他实验条件同实施例1。得到二氧化硫的出口浓度分别为89mg/m³、67mg/m³、35mg/m³和26mg/m³。

实施例5：电极材料为钛基二氧化钌复合电极，气体流量约为2m³/h。气流在气液接触放电等离子体区的停留时间约为5s，吸收液喷淋量约25L/h，喷淋频度约1次/s。电极间距离约30mm。电极供电方式为脉冲，脉冲电压约为15kV，脉冲频率约80Hz。其他实验条件同实施例1。实验结果得到：二氧化硫的出口浓度为38mg/m³。

实施例6：本发明所述的一种放电等离子体协同吸收二氧化硫气体的装置如图3所示。装置主体为长方体形，材质PP，主体外形尺寸为200mm×150×450mm，卧式放置。电极为长方形网状电极，电极材料为镍铬不锈钢，冲压成型，网孔为矩形，外形尺寸为180mm×130mm×2mm，单孔尺寸为10mm×10mm，电极间距离约6-8mm，共12组，水平放置。电极供电方式为直流，电压约为4kV，电源功率约100W。

处理工艺是把含二氧化硫气体的气流由气体进口6经气体分布器7进入所述装置的气液接触放电等离子体区，把所述正负交替的网状电极的正极15与高压电源连接，把所述的网状电极的负极14接地，开动循环泵1并调节好流量使吸收液喷淋器13喷淋的下来的吸收液滴与高压电极接触造成正负电极之间导通放电，当所述的含二氧化硫气体的气流经过所述的气液接触放电等离子体区时，气流中的二氧化硫被氧化和吸收，从气流中得到去除，净化后的气流通过除雾器12后由气体出口11排出，喷淋下来的吸收液经所述装置下部的吸收液收集区17收集后经连通管18连通到吸收液循环池3，经冷凝盘管20冷凝、吸收液循环池出液口19、循环泵1、循环泵出液管8和进液口10循环利用。

实验条件为：载气为模拟烟气，其中氧气约8％(体积，下同)，二氧化碳约12％，水分约10％，二氧化硫浓度为800mg/m³，流量约3m³/h，气体温度约120℃。气流在气液接触放电等离子体区的停留时间约为5s，吸收液喷淋量约20L/h，喷淋频度约1次/s。稳定运行15min分钟后测定。初始吸收液为70％硫酸，吸收液循环池加入量约60kg。其他条件同实施例1。实验得到二氧化硫的出口浓度为54mg/m³。

应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。