多级等离子体强化烟气超低排放控制系统及方法与流程

本发明涉及一种燃煤锅炉烟气治理超低排放反应塔，具体地说是一种多级等离子体强化烟气超低排放控制系统及方法。

背景技术：

“一煤独大”是我国能源突出特点，在本世纪前30年内，煤炭在我国一次能源构成中仍将占主体地位。而燃煤过程中会产生大量的SO₂、NOx(主要为NO、NO₂)、烟尘等大气污染物。这些大气污染物，由于其集中排放、排放浓度高、排放总量大，对人类和生态环境危害很大。如SO₂被氧化成硫酸雾或形成硫酸盐后，与空气中的细小颗粒物结合在一起进入人体呼吸道和肺部，可引起支气管炎、肺炎、肺水肿等恶性疾病；同时，SO₂是形成“酸雨”危害的元凶。NO浓度较大时，可与血液中血红蛋白结合成亚硝酸基血红蛋白或高铁血红蛋白，从而降低血液输氧能力，引起组织缺氧，甚至会损害中枢神经系统；NOx还可直接侵入呼吸道深部的细支气管和肺泡，诱发哮喘病；一定条件下还能与大气中挥发性有机物形成“光化学烟雾”，进一步对人体健康和生态系统造成损害；还可形成硝酸，与SO₂形成的硫酸一起，加重酸雨对环境的危害。烟尘中可吸入颗粒物，会吸附各种金属粉尘、病原微生物，以及苯并芘等致癌物，通过人的呼吸进入体内，或滞留在呼吸道不同部位，或进入肺泡，对人体健康造成极大危害，还能降低大气透明度，影响植物光合作用，交通运输等，并进一步加剧雾霾的形成。因此控制SO₂、NOx、烟尘的排放刻不容缓。

为此，我国相继制定了一系列含NOx、SO₂、粉尘废气排放指标，对这些污染物的排放量和排放浓度进行了限制。最新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对火电厂烟尘、二氧化硫和氮氧化物的最高允许排放浓度作了新的规定：重点地区新建电厂燃煤锅炉排放烟气中烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度分别不得高于20，50和100mg/m³。2014年9月12日，国家发展改革委员会、环境保护部、国家能源局联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》(发改能源(2014)2093号)，要求东部地区(辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南等11省市)新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6％条件下，烟尘、SO₂、NOx排放浓度分别不高于10、35、50mg/Nm³)，实现燃煤机组的超低排放控制。所以，发展经济可行的烟气脱硫脱硝除尘技术势在必行。研发高效经济的脱硫脱硝除尘一体化技术已成为国内外诸多研究机构的关注热点。

传统的脱硝技术有SCR、SNCR，脱硫方法有湿法烟气脱硫，湿法脱硫装置具有较高的脱硫效率，但是脱硝效率几乎可以忽略。这主要是因为烟气中95％以上为NO，难溶于水，很难被吸收剂所吸收。但是如果能先将NO氧化成NO₂等容易被吸收的高价态NOx，再通过湿法处理烟气，那么就有可能实现脱硫脱硝一体化，达到工艺设备简单、降低能耗、处理费用低、节省空间等效果。但是要最终达到超低排放目标，仍然需要改进相关技术，特别是对于NOx和微细粉尘的脱除。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种等离子体强化多级吸收烟气超低排放控制系统及方法，采用等离子体强化多级吸收烟气超低排放控制系统及方法，能够充分将NO氧化成NO₂，通过多级喷淋，烟气中的SO₂、NO₂、烟尘能够被完全吸收吸附，截留在脱硫脱硝除尘浆液池中，最终出口烟气达到超低排放标准。

一种多级等离子体强化烟气超低排放控制系统，包括带有烟气进口和烟气出口的反应塔，所述烟气进口位于反应塔的底部，烟气出口位于反应塔顶部，所述反应塔内由下至上依次为等离子体干式氧化段、气路转换段、喷淋吸收段、等离子体氧化吸收段，所述烟气进口位于等离子体干式氧化段下方；

所述等离子体干式氧化段和等离子体氧化吸收段内均设置电晕放电等离子体发生器，所述等离子体氧化吸收段上方设有极板喷淋器；

所述气路转换段内设置阻断烟气通过的浆液集液装置、外侧壁上设置供烟气通过并进入喷淋吸收段的提气装置，所述浆液集液装置外接浆液循环箱；

所述喷淋吸收段设置喷淋吸收层，所述喷淋吸收层与浆液循环箱之间由浆液循环泵连通。

作为对本发明所述的等离子体强化多级吸收烟气超低排放控制系统的改进，优选地，所述提气装置包括至少两根位于反应塔塔壁外侧且与反应塔塔壁贯通的提气管，每个提气管的底端贯通浆液集液装置下方的塔壁、顶端贯通浆液集液装置与喷淋吸收层之间的塔壁。

提气管的下端贯通等离子体干式氧化段内电晕放电等离子体发生器与气路转换段内浆液集液装置之间的塔壁。

进一步优选地，所述提气管绕反应塔塔壁均匀分布，在提气管的出口安装导流构件，促使烟气在喷淋段均匀分布。

优选地，所述电晕放电等离子体发生器为线筒式结构且多管组合后呈蜂窝状排布或为线板式结构且多单元组合后呈方形排布。

所述等离子体干式氧化段和等离子体氧化吸收段内的电晕放电等离子体发生器排布方式可以相同也可以不同。

所述电晕放电等离子体发生器为线筒式电晕放电等离子体发生器或线板式电晕放电等离子体发生器。

线筒式电晕放电等离子体发生器由圆筒形极板和位于圆筒形极板中心处的极线组成，极线上均匀分布芒刺，或者由圆筒形极板和位于圆筒形极板中心的圆形极线组成，各圆筒形极板之间呈蜂窝状排布；所述线板电晕放电等离子体发生器由方形的极板和位于极板之间的极线组成，极线上均匀分布芒刺，或者由方形的极板及位于极板之间的圆形电极组成，各板状极板之间组合后呈方形排布。一般等离子体干式氧化段采用正电晕方式，即极线接正高压，极板接地；等离子体氧化吸收段采用负电晕方式，即极线接负高压，极板接地。

进一步优选地，等离子体干式氧化段内的放电电极为芒刺形电极，等离子体吸收氧化段中的放电电极为圆形电极。

进一步优选地，等离子体干式氧化段中放电间隙为100～200mm，等离子体吸收氧化段中放电间隙为200～300mm。

优选地，所述极板喷淋器与所述浆液循环箱相连极板喷淋器用于等离子体氧化吸收反应器极板的清洗。

进一步优选地，所述极板喷淋器位于等离子体吸收氧化段顶部，呈30～90°侧向喷向等离子体氧化吸收段内电晕放电等离子体发生器的极板。

等离子体氧化吸收段中极板喷淋器向极板壁喷射，对于圆筒形极板，一般分4-6个方向喷射，喷射角度为30～60°，进一步优选为45°。对于方形极板，向极板垂直喷射，每对喷嘴间隔200～300mm。

优选地，所述脱硫吸收段内的喷淋吸收层数量为2～3层，所述极板喷淋器为1层喷淋层。

优选地，浆液循环系统包括浆液循环泵和新鲜浆液箱，所述浆液集液池和新鲜浆液箱均由管路接入所述浆液循环箱，所述喷淋吸收层和极板喷淋器均通过所述浆液循环泵与浆液循环箱相连。

进一步地，连接新鲜浆液箱和浆液循环箱的管路上也设有浆液循环泵。

本发明还提供一种等离子体强化多级吸收烟气超低排放方法，利用本发明所述多级等离子体强化烟气超低排放控制系统完成，包括：

(1)将烟气经过静电或布袋除尘后通过烟气进口进入到等离子体干式氧化段，等离子体干式氧化段中电晕放电等离子体发生器产生强氧化性物质对烟气进行氧化，部分NO被氧化成NO₂；

(2)氧化后的烟气通过气路转化段进入喷淋吸收段，在喷淋段SO₂和NO₂被碱性物质吸收，完成SO₂高效脱除和NOx的部分脱除；

(3)随后进入等离子体氧化吸收段，之前未被完全氧化的NO在等离子体氧化吸收段内进一步氧化成NO₂，同时电晕放电等离子体发生器的极板上的碱性液膜完成对未完全反应的SO₂和NO₂的吸收；烟气中的粉尘在喷淋吸收段和等离子体氧化吸收段内被吸收进入浆液中，净烟气从烟气出口流出；

喷淋吸收段产生的副产物及未完全反应的碱性物质进入到喷淋吸收层下部的浆液集液池，然后流入反应塔外部的浆液循环箱，在浆液循环箱中的上清液通过浆液循环泵再打入喷淋吸收层和极板喷淋器，继续进行喷淋吸收，另外新鲜浆液注入到浆液循环箱，浆液循环箱内的副产物定期由曝气装置进一步氧化反应，完全转化为Na₂SO₄、NaHSO₄和NaNO₃后再进行废水处置。

优选地，喷淋吸收段内所用碱性吸收液为NaOH溶液，NaOH和(NOx+SO₂)的摩尔比控制在1.5～2.5：1，液气比为4～6；进一步地，喷淋吸收段NaOH和NOx+SO₂的摩尔比控制在2：1。

本发明的装置中同时完成NO氧化吸收过程、高效脱硫脱硝过程和精细除尘过程；

所述NO氧化吸收过程包括如下步骤：

(1.1)将烟气经过除尘后通过烟气进口进入到等离子体干式氧化段；

(1.2)等离子体干式氧化段中等离子体发生器产生臭氧、活性氧原子等强氧化性物质；

(1.3)烟气中NO与臭氧、活性氧原子充分接触，部分NO被氧化成NO₂；

(1.4)氧化后的烟气通过气路转化段进入喷淋吸收段，在喷淋段NO₂被碱性物质吸收，完成NOx的部分脱除；

(1.5)随后进入等离子体氧化吸收段，之前未被完全氧化的NO在等离子体发生器进一步氧化成NO₂，同时在极板上的碱性液膜完成对NO₂的吸收；

(1.6)最终烟气完成高效脱硝，从反应器出口流出。

同时脱硫脱硝过程包括如下步骤：

(2.1)烟气进行初步除尘后通过等离子体干式氧化段，随后上升气流通过气路转化段进入到喷淋吸收层之间；

(2.2)将碱性吸收液从浆液循环箱由浆液循环泵打入喷淋吸收层，气液充分接触，完成SO₂和NO₂的同时吸收。此过程中Na₂SO₃和NO₂能发生氧化还原反应，促进脱硝过程；

(2.3)之后烟气进入等离子体氧化吸收段，在此NO继续被氧化成NO₂，同时未完全反应的SO₂和NO₂进一步被极板上的液膜吸收，从而完成高效脱硫脱硝；此过程中Na₂SO₃和NO₂能发生氧化还原反应，促进脱硝过程；

(2.4)在此步骤中产生的副产物如Na₂SO₃、NaHSO₃、NaNO₃、NaNO₂等以及未完全反应的碱性物质首先进入到喷淋吸收层下部的浆液集液池，然后流入反应塔外部的浆液循环池，在浆液循环池中的上清液通过浆液循环泵再打入喷淋吸收层和极板喷淋器，继续进行喷淋吸收；

(2.5)脱硫脱硝完成后，最终由烟气出口排出，再经过一系列气体成分检测，最后将达标的烟气从烟囱排出。

(2.6)浆液循环池内的副产物定期由曝气装置进一步氧化反应，完全转化为Na₂SO₄、NaHSO₄和NaNO₃后再进行废水处置；

除尘过程包括如下步骤：

(3.1)将烟气进行初步除尘后通过等离子体干式氧化段，随后上升气流通过气路转化段进入到浆液集液池和喷淋吸收层之间；

(3.2)将碱性吸收液从浆液循环池由浆液循环泵打入喷淋吸收层，在喷淋吸收层中，烟气中的粉尘通过与液滴结合形成大的液滴而下落到浆液集液池而被脱除。

(3.3)另外，未在喷淋吸收层中脱除的粉尘在等离子体氧化吸收段中由于静电作用被极板上的液膜吸附，完成粉尘的进一步去除。

各阶段的主要反应过程如下：

NO氧化：

等离子体干式氧化段臭氧、活性氧原子与烟气充分接触，部分NO被氧化成NO₂，未被氧化的NO在等离子体氧化吸收段进一步氧化成NO₂，使NO完全氧化成NO₂：NO+O₃＝NO₂+O₂、NO+O＝NO₂((NO氧化过程主要反应))；

脱硫脱硝：

将步骤一氧化后的烟气以NaOH吸收液喷淋，同时控制新鲜NaOH吸收液的加入量，烟气中的SO₂、NO₂和NaOH发生吸收反应2NaOH+SO₂＝Na₂SO₃+H₂O(脱硫过程主要反应)；2NaOH+2NO₂＝NaNO₃+H₂O+NaNO₂(脱硝过程主要反应)；NaOH+SO₂＝NaHSO₃(脱硫过程副反应)，完成高效脱硫、脱硝，同时生成的Na₂SO₃，通过脱硫脱硝除尘浆液循环系统再次进入喷淋吸收层和极板喷淋，Na₂SO₃和NO₂发生氧化还原反应4Na₂SO₃+2NO₂＝4Na₂SO₄+N₂(脱硝过程主要反应)，进一步完成高效脱硝；喷淋吸收段NaOH和SO₂+NOx的摩尔比为2：1，液气比为4～6；极板喷淋器流量100L/h。

除尘：

将初级除尘后的烟气以NaOH吸收液喷淋，烟气中的粉尘和NaOH液膜发生吸附反应，完成深度除尘。

废水、废气处理：

将以上反应后的副产物通过曝气装置进行氧化反应，完全转化为Na₂SO₄、NaHSO₄和NaNO₃后，进行废水处置。

单独的干式等离子体氧化工艺只有氧化作用，喷淋吸收工艺只有脱硫作用，湿式等离子体氧化工艺只有除尘作用，本发明中集干式等离子体氧化、喷淋吸收和湿式等离子体氧化与一体装置中，干式等离子体主要是NO的氧化作用，没有脱硫脱硝功能；氧化后的NO₂和SO₂的喷淋吸收过程有协同作用，促进脱硫脱硝，同时喷淋能促进粉尘的脱除；而最后的湿式等离子体能发挥静电吸附颗粒物得作用，同时氧化NO，最后电迁移作用促进SO₂和NO₂在极板水膜中协同脱除。

本发明将干式等离子体技术和湿式等离子体技术结合，利用干式等离子体强化NO的氧化以及利用湿式等离子体强化粉尘、SO₂、NOx的脱除，实现SO₂、NOx和粉尘的高效脱除，最终达到超低排放要求；将NO氧化后的产物NO₂和SO₂同时在喷淋吸收层中吸收，有助于发挥SO₂的协同作用，提高NOx的整体脱除。

本发明中三种处理工艺之间相互促进，相互协同，在同一反应塔内同时完成NO氧化吸收过程、高效脱硫脱硝过程和精细除尘过程。同时整个反应塔结构紧凑，占地面积小，可用于传统脱硫塔的改造，为烟气的超低排放提供新的途径。

本发明将干式等离子体氧化、喷淋脱硫脱硝和等离子体氧化吸收装置集成于同一反应塔中，并通过本发明特有涉及将干式等离子体氧化段和等离子体氧化吸收段隔断，还具有如下有益效果：

(1)等离子体氧化是气相氧化过程，氧化效果好；比在吸收剂中直接添加氧化剂效果要好；

(2)如果不进行干湿分离，氧化过程也在湿式情况下进行，放电强度减弱，氧化效果不佳，对于较高浓度的NOx脱除不利；

(3)喷淋吸收过程中SO₂和NO₂能协同脱除，促进脱硫脱硝效果；

(4)浆液循环过程在塔外实行，减少塔内浆液体积，即减少吸收塔体积，反应塔的结构更加稳定。

(5)干式等离子体氧化和湿式等离子体氧化相结合，能够实现NOx的高效脱除。

(6)湿式等离子体氧化吸收过程适合低浓度SO₂、NOx和粉尘的脱除，所以在湿式等离子体氧化吸收过程之前必须将SO₂、NOx和粉尘进行脱除。

附图说明

图1是本发明的主要结构示意图；

图2是图1所示等离子体干式氧化段截面俯视结构图。

图3是图1所示等离子氧化吸收段截面俯视图。

图4是图1所示气路转化段的俯视结构图；

图5是图1所示电晕放电等离子体发生器内的喷淋方向示意图。

图中所示附图标记如下：

1-等离子体干式氧化段 2-气路转化段 3-喷淋吸收段

4-等离子氧化吸收段 5-极板喷淋器 6-第一电晕放电等离子体发生器

7-提气装置 8-浆液集液池 9-喷淋吸收层

10-浆液循环箱 11-喷头 12-新鲜浆液箱

13-第二电晕放电等离子体发生器 14-烟气进口 15-烟气出口

16-反应塔 71-提气管 1301-阳极板

具体实施方式

如图1所示，一种等离子体强化多级吸收烟气超低排放控制系统，其主体结构为反应塔16，反应塔内自下而上依次设置为等离子体干式氧化段1(进行NO氧化)、气路转化段2(隔离喷淋吸收段和等离子体干式氧化段)、喷淋吸收段3(进行烟气脱硫脱硝除尘)、等离子体氧化吸收段4(烟气进一步脱硫脱硝除尘)和极板喷淋器5(喷淋NaOH)。

等离子体干式氧化段1内设置若干第一电晕放电等离子体反生器6，本实施方式中，此处单个的电晕放电等离子体发生器为线筒式结构，由圆筒形的极板和位于圆筒形极板中心的圆形极线组成，所有的第一电晕放电等离子体反生器呈蜂窝状排布，排布方式如图2所示。

气路转换段内设置浆液集液池8，浆液集液池贯穿整个反应塔的横截面，且底部封闭，在反应塔内，烟气不能贯穿浆液集液池由等离子体干式氧化段1进入喷淋吸收段3，气路转换段的外侧壁上设置提气装置7，提气装置包括至少两根提气管71，每根提气管的底端贯通第一电晕放电等离子体反生器6和浆液集液池8之间的塔壁、顶端贯通浆液集液池8与喷淋吸收层9之间的塔壁，烟气穿过该提气管由等离子体干式氧化段1进入喷淋吸收段3。提气管71绕反应器塔壁外周均匀设置(如图4所示)。

浆液集液池由浆液管路外接浆液循环箱10，喷淋吸收段内设置2～3层喷淋吸收层9，喷淋吸收层9与浆液循环箱之间通过浆液循环泵相连，新鲜浆液箱12为浆液循环箱内提供新鲜浆液，由浆液泵打入。

等离子体氧化吸收段4内设置若干第二电晕放电等离子体发生器13，本实施方式中，此处单个的电晕放电等离子体发生器为线筒式结构，由圆筒形的极板1301、位于圆筒形极板中心的极线以及均匀固定在极线上的芒刺组成，所有的第一电晕放电等离子体反生器呈蜂窝状排布，排布方式如图3所示。

第二电晕放电等离子体发生器上方设置极板喷淋器5，极板喷淋器为一层极板喷淋层，极板喷淋层也接入上述浆液循环箱，极板喷淋层的喷头11与第二电晕放电等离子体发生器一一对应，从圆筒形极板的中心处向极板的内壁喷淋(如图5所示)，在极板内壁上形成均一的液膜。

本实施方式的装置中进行NO氧化过程、脱硫脱硝过程和除尘过程，具体步骤如下：

一、NO氧化过程包括如下步骤：

(1)将烟气经过初步除尘后通过烟气进口进入到等离子体干式氧化段1；

(2)等离子体干式氧化段1中等离子体发生器产生臭氧、活性氧原子的活性基团；

(3)烟气中NO与臭氧、活性氧原子充分接触，部分NO被氧化成NO₂；

(4)氧化后的烟气通过气路转化段2的提气装置7进入喷淋吸收段3，随后进入等离子体氧化吸收段4，等离子体发生器产生的臭氧、活性氧原子进一步将未被氧化的NO氧化成NO₂，完成NO的完全氧化。

本次NO氧化过程步骤中，主要的化学反应过程如下所示：

NO+O₃＝NO₂+O₂、NO+O＝NO₂(NO氧化过程主要反应)。

二、脱硫脱硝过程包括如下步骤：

(1)烟气进行初步除尘后通过等离子体干式氧化段1，随后上提气流通过气路转化段2的提气装置7进入到浆液集液池8和喷淋吸收层9之间，之后烟气进入等离子体氧化吸收段4和极板喷淋器5之间；

(2)将NaOH吸收液从浆液循环箱10由脱硫脱硝除尘循环泵打入喷淋吸收层9和极板喷淋器5，由喷淋吸收层9和极板喷淋器5喷淋NaOH吸收液；

(3)烟气中的SO₂、NO₂和NaOH发生吸收反应，完成脱硫脱硝过程；

(4)在此步骤中产生的副产物Na₂SO₃回到脱硫脱硝除尘浆液循环池8，通过脱硫脱硝除尘循环泵从脱硫脱硝除尘浆液循环池8直接打入喷淋吸收层9和极板喷淋器5，继续进行喷淋；Na₂SO₃和NO₂充分接触发生氧化还原反应，进一步完成脱硝过程；

(5)脱硫脱硝完成后，最终由烟气出口排出，再经过一系列气体成分检测，最后将达标的烟气从烟囱排出。

(6)脱硫脱硝除尘后浆液池8内的副产物定期排到曝气装置12进一步氧化反应，完全转化为Na₂SO₄、NaHSO₄和NaNO₃后再进行废水处置；

本次脱硫脱硝过程步骤中，主要的化学反应过程如下所示：

2NaOH+SO₂＝Na₂SO₃+H₂O(脱硫过程主要反应)；

2NaOH+2NO₂＝NaNO₃+H₂O+NaNO₂(脱硝过程主要反应)；

NaOH+SO₂＝NaHSO₃(脱硫过程副反应)。

4Na₂SO₃+2NO₂＝4Na₂SO₄+N₂(脱硝过程主要反应)

4NaHSO₃+2NO₂＝4NaHSO₄+N₂(脱硝过程副反应)

三、除尘过程包括如下步骤：

(1)将烟气进行初步除尘后通过等离子体干式氧化段1，随后上升气流通过气路转化段2提气装置7进入到脱硫脱硝除尘浆液循环池8和喷淋吸收层9之间，之后烟气进入等离子体氧化吸收段5和极板喷淋器5之间；

(2)将NaOH吸收液从脱硫脱硝除尘浆液循环池8由脱硫脱硝除尘循环泵打入喷淋吸收层9和极板喷淋器5，由喷淋吸收层9和极板喷淋器喷淋NaOH吸收液；

(3)烟气中的粉尘和NaOH液膜发生吸附反应，完成粉尘的进一步去除过程；

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。