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烟 气 污 染 治 理 等离子体脱硫运行参数分析 ＊ 依成武 陆从相 徐 玮 冷秋颖 李云仲 江苏大学环境学院, 镇江 212013 摘要 利用介质阻挡强电离放电产生非平衡等离子体, 进行模拟烟气脱硫。 通过一次回归正交设计, 对影响非平衡等 离子体脱硫效率的因素进行了分析, 建立了多元线性回归模型, 分析了因子的主次, 并得到了实验指标和各因子之间 的定量规律。 通过对模型的优化, 获得了使脱硫率较高的各因素的最优组合。 关键词 非平衡等离子体 介质阻挡放电 一次回归正交设计 脱硫 ＊国家自然科学基金资助项目 50276025 ; 江苏大学高级专业人才 科研基金项目 05JDG052 0 引言 1988 年世界卫生组织和联合国环境规划署公布 的调查报告中指出 根据 15 年来 60 多个国家监测获 得的统计资料显示, 由于人类生产排放的SO2每年达 180亿 t ,比烟尘等悬浮粒子 100 亿 t 还多, 已经成为 大气环境的第一大污染物 [ 1] 。到 20 世纪 90 年代初, 欧美等发达国家对 SO2的排放控制取得了很好的效 果,基本控制了国内的酸雨和 SO2污染恶化的趋势。 而我国目前对 SO2排放的控制尚处于起步阶段,主要 靠引进现成的装备和技术来解决日益严重的 SO2污 染问题。而国外先进的脱硫技术不一定适合我国发 展的需要 ,我国应开发适合本国国情的脱硫技术来解 决现有烟气脱硫方法的不足。 等离子脱硫技术主要采用介质阻挡强电离放电 来大幅度提高放电电场的临界击穿电场强度 [ 2] ,使等 离子体中电子的平均能量达到 13 eV 以上, 将烟气中 气体分子电离 、分解, 形成高浓度 OH ＊ 等活性粒 子 [ 3] ,在高温、不加催化剂和吸收剂的条件下, 在密闭 的等离子体反应室内 ,用很短的时间就能将烟气中的 SO2直接氧化为重要的化工资源 H2SO4, 是资源化脱 硫的新方法。2005 年 , 白敏冬等人采用介质阻挡强 电离放电方法进行模拟烟气脱硫 [ 4] , 研究结果表明, 在无吸收剂、 催化剂的条件下 ,仅在 0. 8 s内就能将烟 气中 SO2、H2O 和 O2电离后在分子层次上加工成 H2SO4,实现了快速资源化脱硫 。 可见 ,等离子体资源化脱硫方法可以从源头上解 决环境污染问题 ,可基本上解决传统烟气脱硫方法的 不足和现有烟气电离放电脱硫方法的一些问题,为燃 煤烟气脱硫和解决酸雨问题提供了一种新的方法。 我国已将强电离放电研究列为国家自然科学基金重 点项目。今后, 介质阻挡强电离放电等离子体脱硫技 术将成为燃煤烟气脱硫技术的热点之一 。 1 非平衡等离子体脱硫技术的机理 非平衡等离子体脱硫技术采用介质阻挡强电离 放电的方法产生非平衡等离子体进行烟气脱硫,通过 在密闭的等离子体反应室内把烟气中的大部分 H2O、 O2、 N2等气体分子加工成高浓度的OH ＊等活性粒子, 在常压及室温条件下 ,把烟气中的 SO2直接氧化为重 要的化工资源H2SO4。 在强电离放电中 ,OH ＊浓度的大小对 SO 2的脱除 起着重要的作用 , 获得 OH ＊ 的等离子体反应过程 如下 [ 5,6] O2分子电离 、 分解电离和电荷交换等反应过程 O2 e ※ O 22e 1 O2 e ※ O O 2e 2 同样可以得到 N 2、H2O 以及 N 、H 等离子。 它们与气体分子发生如下电荷交换反应 N 2 O2※ N2 O 2 3 在强电场的作用下,O 2与 H2O 分子形成水合离 子,其反应式为 O 2 H2O M ※ O 2 H2O M 4 产生 OH ＊的主要途径是水合离子分解产生的, 其反应式为 O 2 H2O H2O ※ H3O O2 OH ＊ 5 O 2 H2O H2O ※ H3O OH O 2 6 H3O OH H 2O ※ H3O H2O OH ＊ 7 生成H2SO4的等离子体化学反应如下 34 环 境 工 程 2006年 10 月第 24卷第 5 期 SO2 OH ＊ ※ HSO3 8 HSO3 OH ＊ ※ H2SO4 9 2 实验部分 2. 1 实验工艺流程 等离子体资源化脱硫实验工艺流程如图 1 所示。 通过配气室将外加气体 SO2、 H2O、 O2等配成模拟烟 气,进入等离子体反应器 , 在等离子体反应室内将 SO2直接氧化为 H2SO4,由产物收集装置将酸雾收集, 净化气体直接排出。 1SO2钢瓶及气体; 2O2钢瓶及气体; 3～ 4钢瓶减压阀; 5～ 8玻璃转子流量计; 9空气泵; 10玻璃三通阀; 11过滤瓶; 12恒温水浴锅; 13配气室; 14等离子体反应器; 15高压脉冲电源; 16H2SO4收集装置; 17Q3-Ⅴ型电压表; 18烟道烟气分析仪。 图 1 等离子体资源化脱硫实验工艺流程图 2. 2 实验装置 本实验中使用的等离子体反应器是一种窄放电 间隙 、 薄电介质层 、外形尺寸为 227 mm 145 mm 22 mm的长方体 ,属于介质阻挡放电。等离子体反应 器在放电极和接地极外表面均用冷等离子体喷冶上 α 型Al2O3电介质薄层 ,此种电介质属于一种高绝缘 度、 高介电常数 、 高密集度 、 高均匀度和低矫曲度的材 料。等离子体反应室内压力为 0. 1 MPa 。施加在反 应室放电电极上的激励电压具体参数为 输出电压 3. 5 kV ; 频率 12. 0 kHz ; 在放电间隙中形成强电离放 电,折合电场强度为 250 Td 以上, 电子从电场中获得 的平均能量 13 eV, 电子密度可达 10 15 个 cm 3 以上。 等离子体反应器反应室的有效容积为 100 mm 190 mm 2 mm , 放电间隙为 1 mm 。 反应器采用 125FZY2- S 轴流风机进行散热。 2. 3 配气装置 配气装置主要通过空压机将一定量的空气、SO2 气体和水蒸汽按一定比例混合配成实验用的模拟烟 气。空气和含水量主要通过 2 个 LZB-6 型流量计来 控制 。使用其中 1 个流量计控制直接进入气体预处 理装置的空气, 使用另 1个流量计控制含水量和间接 进入气体预处理装置的空气量。进入气体预处理装 置的 SO2量主要通过 LZB-3WB 型流量计和 SO2钢瓶 上的减压阀来控制。 2. 4 检测方法 本实验采用 testo325 -Ⅰ 型 SO2型烟气分析仪测 定模拟烟气中 SO2的含量; 采用 testo350M XL 型气体 多功能分析仪测量模拟烟气中的含湿量和含氧量 ; 采 用Q3-Ⅴ型电压表测量等离子体反应器的外加电压。 气体流量由玻璃转子流量计直接读出。 3 多元线性回归模型的建立 3. 1 确定因子水平的变化范围 本实验研究 , 把 SO2的初始体积分数控制在 345 10 -6 ～ 355 10 -6 ,把含氧量控制在 21。 设影响指标脱硫率 y 的因子有 4个 ,即外加电压 z1、 含水量 z2、 停留时间 z3、 电源频率z4。再设因子 zj 的取值范围为[ z1j, z2j] ,即 z1j≤zj≤z2j j 1,2,3,4 10 其中 z1j与z2j分别是因子zj的下水平与上水平 。 3. 2 对每一因子的水平进行编码 记因子 zj的零水平为 z0jz 1jz2j 2 11 其变化半径为 Δj z2j-z1j 2 12 则,编码式为 xj zj-z0j Δj j 1,2,3,4 13 对因子的水平进行编码, 其形式如表 1。 表 1 因子水平编码表 因子编码值z1z2z3z4 上水平13. 52. 050. 8512. 0 下水平-12. 91. 760. 7610. 0 零水平03. 21. 9050. 80511 变化半径 Δj 0. 150. 1450. 0451 3. 3 数据分析 本实验的实验计划及实验结果见表 2, 计算表见 表3, 有关方程与系数的检验见表 4。 表2 中 Bj、 bj、 Sj的计算式为 Bj∑ 8 i 1 xijyi j 1,2, ,8 14 35 环 境 工 程 2006年 10 月第 24卷第 5 期 bjBj n j 1,2, ,8 n 8 15 SjbjBj j 1,2, ,8 16 建立的回归方程为 y b0∑ 4 j 1 bjxj∑ i 9. 29,所以上述求得的回归方程是有意义的 。 表 4 对方程与系数检验的方差分析表 来源平方和自由度 f均方和 MSF 比 x1 433. 651433 . 6544. 71 x2 207. 061207 . 0621. 35 x3172. 051172 . 0517. 74 x423. 46123 . 462. 42 x1x221. 45121 . 452. 21 回归858. 665171 . 73 17. 70 残差19. 3929 . 70 T878. 057 F0. 95 1, 2 18. 51 F0. 90 1, 2 8. 53 若取显著性水平为 0. 10 时, F0. 90 1,2 8. 53,由 表4 知 x4和 x1x2不显著 ,其它因子显著 。 将 x4和 x1x2从回归方程中删去, 可得各因子显 著的回归方程是 y 58. 41 7. 36x15. 09x24. 64x3 19 将编码式 x1 z1-3. 2 0. 15 20 x2 z2-1. 905 0. 145 21 x3 z3-0. 805 0. 045 22 x4z4-11 23 带入式 19 ,可得 y 关于z1、 z2、z3的回归方程为 y -248. 479 49. 067z135. 103z2103. 111z3 24 3. 4 零水平处的失拟检验 由于实验是在各因子的上水平1 与下水平 - 1 处进行的, 即使模型在这些边界点上拟合得很 好,但是在因子编码空间的中心拟合是否也好需要通 过实验来判断 [ 7] 。 在中心点进行 m 5 次实验, 结果为 59. 8 59. 3 60. 1 64. 0 62. 4 其平均值 y061. 12,偏差平方和为 S0 ∑ 5 i 1 y 0i- y0 2 16. 028,其自由度为 f04。 由式 18 知 y0 58. 41, 而 σ SeS0 fef0 21. 99 6 2. 429 6 25 则t y0- y0 σ 1 m 1 n 2. 71 1. 385 1 1. 956 6, n 4, m 5 26 36 环 境 工 程 2006年 10 月第 24卷第 5 期 若 α 0. 01, 那么 tt -α 2 mt0. 95 52. 015, 由于 t 2. 015,因此 ,在 0. 10 水平认为所得到的一次方 程是合适的。 因此, 在等离子体资源化脱硫的过程中 ,过程变 量外加电压,含水量和停留时间对脱硫率的影响可用 式 24 来表示 。 为了获得最佳的实验方案 ,同时尽可能减少实验 次数 ,可以对实验进行优化设计 。在本实验中 ,采用 单因素优选法中的黄金分割法对已得到回归方程式 24 进行优化 [ 8] 。本实验利用 MATLAB 语言编程实 现对影响因素的组合优化设计 。最终优化结果为 y 82. 848 2 ans 3. 500 0 2. 050 0 0. 850 0 12. 000 0 从最终优化结果可以看出 , 当外加电压 z1为 3. 5 kV、 含水量 z2为 2. 05、停留时间 z3为 0. 85 s、 电压频率 z4为 10. 0 kHz 或者 12. 0 kHz 时, 可以得到 的脱硫率最大为82. 848 2。 4 结论 1 等离子体脱硫技术可以在常压下 ,不外加吸 收剂和催化剂 ,把烟气中的 H2O、 O2分子电离 、 分解, 再在分子层次上加工成高浓度的自由基 OH ＊等活性 粒子 , 在等离子体反应器中快速把 SO2直接氧化为 H2SO4,再加以回收 ,从而实现资源化 ,有望成为控制 SO2污染和解决酸雨问题的一种新方法 。 2 脱硫过程中外加电压 、 含水量和停留时间的 变化对脱硫效率有显著影响。从优化结果可以看出, 当SO2的初始体积分数为 345 10 -6 ～ 35510 - 6 , 含 氧量为 21左右 ,电源频率为 12. 0 kHz, 外加电压为 3. 5 kV,含水量为 2. 05,停留时间为 0. 85 s时 ,脱硫 效率可以达到 80 以上。 3 通过一次回归正交设计的方法 , 可以找出实 验指标和各因子之间的定量规律。本实验利用二水 平正交表来安排实验设计 ,如果除去不显著因子对脱 硫率的影响 ,可得最高脱硫率为82. 848 2。 参考文献 [ 1] 张晓山. 我国酸雨沉降控制规划与对策研究. 北京 中国环境科 学出版社, 1995. 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The removel rates of CODCr, SS and NH 4-N are over 90, 80 and 75 respectively, when influent CODCr, SS and NH 4-N are 234 mg L, 112mg L and 56 mg L, hydraulic retention time is 8 h, and aerated intensity is in the range of 0 . 5～ 0. 6 L m 2s . Keywords anaerobic -aerobic biological filter AABF, municipal wastewater and bio -film USINGCORRUGATEDUNDERFLOWWETLANDTOTREATLOWCONCENTRATION DOMESTIC WASTEWATERZeng Xiangying Zhang Beiping Sun Gaosheng 26 Abstract It was studied the removal effect of organisms, N and P in domestic wastewater by a corrugated underflow wetland subjected to different hydraulic loadings. The low, medium and high hydraulic loadings were 0. 2 m3 m2d, 0. 4 m3 m2d and 0. 8 m3 m2d respectively. The results showed that hydraulic loading had a certain effect on the removal rate of CODCrand TP, i. e. the removal rate was decreased with increase in hydraulic loading; it almost had no effect on the removal rate of NH3-N and TN. Keywords corrugated underflow wetland, domestic sewage and hydraulic loading THE FEASIBILITY STUDY OFELECTRO-COAGULATION FOR PRETREATING LEACHATEYang Jidong ZhaoYongsheng Zhao Xiaobo 29 Abstract A study of pretreatment of leachate by electro -coagulation was carried out. Using Fe anode and stainless steel cathode, electrode spacing was 1. 5 cm, current intensity was 50 mA cm2and electrolytic time was 90minutes without adding electrolyte. The removal rates of CODCrand NH 4reached 57. 6 and 40. 1 respectively, the BOD5 CODCrratio was improved from 0. 15 to 0. 32. So this reached a good pretreatment effect. Keywords leachate, pretreat, eletro -coagulation and biochemical degradability TREATMENT OF DOMESTIC WASTEWATER REUSE AND CLEANING OF MEMBRANT BY SMBRDong Lijing Xu Gaotian Tang Fanmin 31 Abstract CASS cyclic activated sludge systemprocess and membrane filtration were combined to be a SMBR submerged membrane bioreactor. The study was onfeasibility of this SMBR usedinreclamation of domesticwastewater. The fitting operation conditionwasdetermined as HRT4 h, dissolved oxygen DOabout 4 mg L, temperature was controlled at 23～ 27 ℃, pH6. 5～ 8. 0. Under the conditions, disposal impacts to actual domestic wastewater were studied. At the same time, the of the membrane cleaning was also studied. Keywords SMBR, ultrafiltration membrane and cleaning of membrane ANALYSIS OF PARAMETER OF PLASMA DESULFURIZING TECHNOLOGY Yi Chengwu Lu Congxiang Xu Wei et al 34 Abstract SO2is removed from the simulated gas streams using non -thermal plasma which can be ed by the strong ionization discharge of dielectric barrier. The influence of these factors on desulfurization rate was analyzed. The multiple linear regression model was founded and the significance level of these influence variableswas analyzed by the of simple regression orthogonal design, the quantitative rule of experiment target and single variable is concluded. it was also found out the condition association of the optimum experiment conditions by optimization of the model. Keywords non -thermal plasma, dielectric barrier discharge, simple regression orthogonal design and desulfurization DEDUSTING RE OF SINTERING MACHINE FOR CHUXIONG DESHENG IRON AND STEEL COMPANYYang Lifang Zhang Zhiling Xu Xiaojun 38 Abstract It is introduced some technical and design problems of three -electrodes electrostatic dust catchers, which have been used in the dust -removing of the end of 19 . 6 m2sintering machine used for Chuxiong Desheng Iron andSteel Company. By analysis and summarization of use effect, it is indicated that in the case of designing parameter is suitable, the effect of dust-removing of sintering smoke is better. These potential problems of experiences and operation also provide a reference for some plants that will design sintering machines. Keywords sintering, dust -removing, treatment of flue gas, electrostatic dust catcher, sintering flue gas, re of purifying systems, electrostatic dust catcher of three -electrode and running analysis OPTIMIZATION DESIGN OF COLLECTION OF ACID MIST FOR LONG PICKLING TANK Qi Meifu Liu Yamin 42 Abstract Blowing and absorbing hood is usually used for collecting acid mist in storage battery and short pickling tanks. The blowing and absorbing hood is used for a long pickling tank, whose length is more than 10 meters. The common design s for pickling tanks were analysed, and a long pickling tank 14 mwas designed. It is proved that the analysis and parameters are correct. Keywords long acid -washed flume, collection of acid mist, blowing absorbing hood and absorb breeze evenly 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 5,Oct. , 2006