一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法

摘要

本发明公开了一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，包括下列过程：燃烧产生的含二氧化硫、氮氧化物的烟气在高压电场-激光协同作用下，二氧化硫及氮氧化物组分发生预电离-电离过程，其电离脱电子而呈离子状态后，在高压电场作用下瞬间被吸附到负极板，被其表面由顶端向下方流动的水（或碱性溶液）中和吸收，新形成的溶液在重力作用下流入收集槽中回收利用，净化后烟气从排气系统排出。本发明所需设备简单、操作方便、可独立使用或在不改变现有技术手段和装置条件下联合使用，克服了现有各种脱硫脱硝方法中存在的能耗高、设备体积庞大、工艺复杂以及效率低等不足，明显提高了二氧化硫和含氮废物脱除率，绿色化程度大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟气脱硫脱硝方法，尤其是一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，属于大气污染治理领域。

背景技术

二氧化硫作为一种主要的污染气体，我国对于二氧化硫的排放控制已经开展了很多年。1987年9月颁布的《中华人民共和国大气污染防治法》是防治燃煤产生的污染气体的基本法律依据。并于1995年和2000年经历了两次修改，在2000年的大气污染防治法当中，对于二氧化硫的排放浓度都做出了详细和严格的规定。新建火电厂和其他大中型排污企业，超过规定的污染物排放标准浓度，必须建设脱硫装置或者采取其他控制二氧化硫排放措施。为了控制二氧化硫的排放，从1996年开始陆续颁布了一些排放标准限制二氧化硫的排放浓度，这些标准包括：《大气污染物综合排放标准》、《锅炉大气污染物排放标准》、《火电厂大气污染物排放标准》、《煤炭工业污染物排放标准》、《炼焦炉大气污染物排放标准》、《水泥工业大气污染物排放标准》。这些标准的颁布的目的是为了减少二氧化硫的排放量，我国这几年二氧化硫的排放量有所减少，但是总量依然很高。

我国是能源生产大国，也是能源消耗大国，我国的能源以燃煤为主，占煤炭产量75%以上的原煤用于直接燃烧，煤燃烧过程中产生严重污染，如烟气中CO₂是温室气体，SO_x可导致酸雨形成，NO_x也是引起酸雨元凶之一，同时在一定条件下还可破坏臭氧层以及产生光化学烟雾等，烟气及碳化物、硫化物是造成中国生态环境破坏的最大污染源之一。

传统脱硫方法分为湿法、半干法和干法三类：

湿法烟气脱硫工艺是采用液体吸收剂洗涤SO₂烟气以脱除SO₂。常用方法为石灰/石灰石吸收法、钠碱法、铝法、催化氧化还原法等，湿法烟气脱硫技术以其脱硫效率高、适应范围广、钙硫比低、技术成熟、副产物石膏可做商品出售等优点成为世界上占统治地位的烟气脱硫方法。但由于湿法烟气脱硫技术具有投资大、动力消耗大、占地面积大、设备复杂、运行费用和技术要求高等缺点，所以限制了它的发展速度。

半干法烟气脱硫工艺是采用吸收剂以浆液状态进入吸收塔（洗涤塔），脱硫后所产生的脱硫副产品是干态的工艺流程。

干法烟气脱硫工艺是采用吸收剂进入吸收塔，脱硫后所产生的脱硫副产品是干态的工艺流程，干法脱硫技术与湿法相比具有投资少、占地面积小、运行费用低、设备简单、维修方便、烟气无需再热等优点，但存在着钙硫比高、脱硫效率低、副产物不能商品化等缺点。

等离子体烟气脱硫技术研究始于上世纪70年代，目前世界上已较大规模开展研究的方法有两类：

（1）电子束法

电子束辐照含有水蒸气的烟气时，会使烟气中的分子如O₂、H₂O等处于激发态、离子或裂解，产生强氧化性的自由基O、·OH、HO₂·和O₃等。这些自由基对烟气中的SO₂和NO进行氧化，分别变成SO₃和NO₂或相应的酸。在有氨存在的情况下，生成较稳定的硫铵和硫硝铵固体，它们被除尘器捕集下来而达到脱硫脱硝的目的。但该方法存在耗电量大，设备造价高，易损，管护复杂，产物收集不完全、不彻底且有二次污染等弊端。

（2）脉冲法

脉冲电晕放电脱硫脱硝的基本原理和电子束辐照脱硫脱硝的基本原理基本一致，世界上许多国家进行了大量的实验研究，并且进行了较大规模的中间试验，但仍然有许多问题有待研究解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种设备简单、操作方便、可独立使用或在不改变现有技术手段和装置条件下联合使用的高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，以克服现有各种脱硫脱硝方法存在的能耗高、设备体积庞大、工艺复杂、效率低等不足，提高二氧化硫和含氮废物脱除率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，其包括下列操作过程：

a. 将燃烧产生的含二氧化硫、氮氧化物的烟气进入脱硫脱硝系统，在正极棒与负极板形成高压静电场作用下，二氧化硫及氮氧化物组分首先发生预电离；

b. 经过程a高压静电场预电离的烟气流经激光器产生的激光照射场区域时，烟气中二氧化硫及氮氧化物分子在激光的诱导作用下电离成SO₂⁺、NO⁺、NO₂⁺离子和电子，所述激光射线场位于正极棒与负极板产生的高压静电场中；

c. 经过程b电离生成的SO₂⁺、NO⁺或NO₂⁺离子在高压静电场作用下被吸附到负极板；

d. 经电场负极板吸附的SO₂⁺、NO⁺或NO₂⁺组分被水或其它碱性溶液中和吸收，收集吸收液至中和液收集罐，净化后的烟气从负极板间隙逃逸，由排气道排出。

进一步的，所述高压静电场由高精度连续可调的静电放电发生器产生，电压控制范围为0~1000kV，放电频率可调，一般选择直流静电发生器。

进一步的，所述激光器为全固态激光器，由于烟气中存在大量的灰尘和小水珠，当激光照射其表面时可以发射出电子（光电子发射），这些初始电子不仅可促进烟气中二氧化硫及含氮化合物预电离的发生，而且有利于其在激光射线场区域形成的强光场作用下进一步引发串级电离，提高电离效率。

进一步的，所述激光波长范围为200nm~400nm。

进一步的，所述激光脉冲宽度控制为5fs~20ns。

进一步的，所述激光功率选自0.1W~10W。

作为本发明的优选方案，所述激光器为多个，其排布形状可为2n或3n等分圆周的同心圆状排列，其所发出射线束形状为直线状，其中n≥1，且为整数。

进一步的，所述碱性溶液选自NaOH溶液，KOH溶液或氨水溶液中的一种或几种。

作为本发明的优选方案，激光器发出的激光波长选自以下三种情况：266nm和350nm，320nm和350nm，266nm、320nm和350nm，其中266nm和320nm波长激光主要作用于二氧化硫吸收，350nm波长激光主要由氮氧化物吸收。

作为本发明的优选方案，所述全固态激光器选自YAG激光器，红宝石激光器或Q301-SM激光器中的一种或几种。

进一步的，本发明可使用多个相同单元并联共同完成。

进一步的，本发明可单独或联合应用于现有脱硫技术手段完成后的末端处理过程。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，通过高压电场-激光的协同作用，有效克服了单纯使用电子束辐照或脉冲法存在的能耗高、设备庞大、易损、维护管理复杂、针对性不足等缺陷；

（2）本发明烟气中含硫、含氮分子首先经高压电场预电离、再经激光诱导电离较单纯使用激光电离所需功率明显降低；

（3）本发明可单独或联合应用于现有脱硫技术手段完成后的末端处理过程，缩小体积后还可应用于相关化工企业、车辆或船舶等内燃机尾气净化等领域；

（4）本发明高压电场-激光协同作用，可准确电离烟气中含硫、含氮组分；采用水或碱性溶液对电离后的二氧化硫和含氮组分进行中和吸收，该过程收集较为完全彻底，不产生二次污染，且能够生成较为纯净的、具有再次利用价值的副产品；

（5）本发明采用全固态激光电离脱硫脱硝，其具有超高速、超高强度的特性，利用超强的光脉冲作用，实现了目标分子外围电子能级之间的跃迁和电离；

（6）本发明激光波长优选范围为200nm~400nm，通过输出不同波长的激光脉冲能够准确去除特定的杂质成分；

（7）本发明烟气中的二氧化硫分子（含氮分子等）电离脱电子而呈离子状态后，瞬间被带有高压静电(负电荷)电极吸引，并被其表面由顶端向下方流动的水（或其他碱性溶液）捕获中和吸收，新形成的溶液在重力作用之下流入收集槽中回收利用；电离产生的负电荷经阳极中和而消失；处理后的烟气则由排气道排出，整个过程绿色无污染，满足工业需求。

附图说明

图1是本发明的脱硫脱硝系统的结构示意图；

图2是本发明的脱硫脱硝系统的立体结构示意图。

在附图中：1烟气进口、2正极棒、3激光器、4中和液收集罐、5负极板、6中和液进口、7激光射线场、8排气道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明一种高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，包括下列过程：

将燃烧产生的含二氧化硫、氮氧化物的烟气从烟气进口1以一定速率流入笊篱状脱硫脱硝系统，在正极棒2与负极板5之间形成的高压电场作用下，二氧化硫及氮氧化物组分首先发生预电离，其中控制电场电压为800kV；

经高压电场预电离的烟气流经激光器3产生的激光射线场7区域时，烟气中二氧化硫及氮氧化物分子在激光的诱导作用下电离成SO₂⁺、NO⁺、NO₂⁺离子和电子，其中激光器选用红宝石全固态激光器6个，其围绕烟气进口1末端均匀圆周排列分布，且激光束发射方向与圆心所在平面呈50°夹角，相交于距离负极板5顶端2~9mm处；激光波长为266nm、320nm和350nm的激光器各两个， 266nm和320nm波长激光主要作用于二氧化硫，350nm波长主要由含氮分子吸收；激光脉冲宽度控制为10ns，激光功率为6W；电离生成的SO₂⁺、NO⁺或NO₂⁺离子在高压电场作用下被吸附到负极板5上；

经电场负极板5吸附的SO₂⁺、NO⁺或NO₂⁺组分被从中和液进口6流下的NaOH水溶液快速捕获中和吸收，新形成的吸收液在重力作用下沿负极板5流至中和液收集罐6收集，电离产生的负电荷经阳极中和而消失；处理后的烟气通过负极板5之间的间隙逃逸，由排气道8排出；至此，激光电离脱硫过程完成。

采用高压电场预电离-激光诱导电离脱硫脱硝方法，其对烟气中二氧化硫与氮氧化物的脱除率≥95%，所述脱除率即为一定量烟气混合物中二氧化硫和氮氧化物减少的量占原烟气混合物二氧化硫和氮氧化物总量的百分比，该方法明显高于目前电子束法与脉冲法的脱除效率；且比单纯使用激光电离所需功率降低明显，有效克服了单纯使用电子束辐照或脉冲法存在的能耗高、设备庞大、易损、维护管理复杂、针对性不足等缺陷。

实施例2-5

依照实施例1相同的方法，波长266nm、320nm和350nm激光器各三个，其围绕烟气进口1末端均匀双圆周排列分布，且激光束发射方向与圆心所在平面呈60°夹角，对实施例2-5选择不同电场电压、激光波长、激光脉冲宽度及激光总功率，研究高压电场-激光诱导协同作用对同组分烟气的脱硫效果，结果如下表所示：

综上所述，本发明采用高压电场-激光诱导协同作用电离法脱硫脱硝，其脱除效率明显；与单纯使用高压电场电离或单纯使用激光电离相比，在达到相同的脱除率的情况下，高压电场-激光诱导协同作用时所需电场电压可降低50%以上，激光功率可降低30%以上，在工业生产或烟气除尘领域采取使用多个相同单元共同完成的方式，效果将更加明显。此外，本发明还可单独或联合应用于现有脱硫技术手段完成后的末端处理过程中，缩小体积后还可应用于相关化工企业、车辆或船舶等内燃机尾气净化等领域。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。