等离子体联合动力波技术协同控制铅锌冶炼烟气中Hg、SO2、NOx 实验研究

摘要：为了实现同时控制铅锌冶炼行业排放的汞(Hg)等重金属、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的目的，采用低温等离子体结合动力波湿法吸收技术对烟气中的单质汞(Hg0)、SO2和NOx进行了协同控制研究。首先利用低温等离子体放电技术研究了电压、氧气(O2)体积分数、污染物停留时间、Hg0初始质量浓度以及SO2和NO体积分数的变化对Hg0去除效率的影响，同时研究了电压以及SO2和NO初始体积分数对SO2和NO去除效率的影响，然后研究了低温等离子体结合动力波湿法脱除系统对Hg0、SO2和NO这3种污染物协同脱除的效果。结果表明，低温等离子体结合动力波湿法脱除系统对烟气中Hg0、SO2和NO的排放可起到高效协同脱除的效果，其去除效率分别达到51.3%、98%和50.9%。该技术不仅适用于有色冶炼烟气多种污染物协同脱除控制，而且同样适用于燃煤烟气，对于实现煤化石能源的高效清洁利用具有重要巨大的应用前景和深远的现实意义。

0引言

铅锌冶炼过程中产生的大气污染物主要包括汞(Hg)等重金属、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)。SO2会刺激人体的呼吸道，引起人体呼吸道疾病的发生，从而对人体产生危害;NOx对人体和环境的危害表现为它会在光的作用下产生光化学烟雾，形成二次污染，人体在吸入此类烟雾之后会产生很大的危害;此外，二氧化硫和氮氧化物还会在紫外线照射和其他污染物的作用下发生化学反应，进而形成酸雨。

汞作为一种重金属，由于具有挥发性、生物富集性而已经成为最具危害性的污染物之一，2013年10月超过140个国家同意执行的水俣公约对于全球汞的减排意义重大[1-3]。汞作为铅锌冶炼中重要的污染源，在烟气中主要存在3种形态，即单质汞(Hg0)、氧化态汞(Hg2+)、颗粒态汞，其中单质汞由于具有易挥发、难溶解的特性而成为烟气中排放入大气环境的主要存在形式[4]。目前我国通常使用吸收、吸附、气相反应、冷却以及联合净化等方法来去除烟气中的汞，通过对国内外有关汞脱除技术的研究，笔者发现烟气污染物中的单质汞在一般的烟气净化装置中很难被脱除，只有通过化学方法将Hg0氧化成高价态的汞，再通过溶液吸收的方法才能被去除。对于重有色冶炼烟气中含汞的治理，研究者们通过不懈的努力尝试了各种各样的脱汞方式，主要包括活性炭吸附法、利用现有装置协同脱汞法、脉冲电晕放电法[5-6]以及电催化氧化法[7]等。

利用现有的烟气脱硫除尘装置进行汞的脱除，这种方法虽然运营资本较少，但对汞的去除效率不高，例如湿法脱硫装置可以去除烟气中约90%的Hg2+，但对单质汞的去除效率极低。据美国能源部和美国电力研究协会(EPRI)通过对某电站现场烟气的监测发现，湿法脱硫装置对烟气中总汞去除效率的范围为10%~80%[8]。烟气中的飞灰、水蒸汽和一氧化氮(NO)等物质都会对单质汞的氧化产生一定的影响，进而影响脱硫装置对汞的去除[9]。一般的除尘装置都可以对Hg进行捕集，由于大部分Hg存在于粒径<0.125mm的飞灰中，形成颗粒态汞[10]，所以除尘装置对Hg的捕集效率取决于对细微颗粒物的捕集效率。因此，仅靠现有的脱硫除尘装置并不能对汞的脱除起到很好的效果。

为了降低治理成本，烟气中多种污染物的协同控制技术现已成为国际上的研究热点，是一种最为经济与现实的烟气治理方法。现在的烟气中多种污染物协同控制技术主要是许多治理技术的结合，例如PublicService公司的集成开发环境控制科学(IDECS)技术[11]。Mobotec公司利用选择性非催化还原(SNCR)、择性催化还原(SCR)、石灰石以及活性炭吸附等技术对烟气中的Hg、SO2和NOx等污染物进行协同控制[12-13]。Babcock&Wilcox公司利用SCR技术联合喷射CaO/NaHCO3/NH3技术[14]对烟气中的细颗粒物、SOx和NOx进行协同控制。

电晕放电等离子体技术[15-21]正在迅速地发展并应用于烟气中多种污染物的协同控制，为此本文提出低温等离子体结合动力波技术协同去除烟气中多种污染物并进行实验研究，将Hg0、SO2、NO等氧化成易溶于碱液的Hg2+、SO3、NO2等，然后通过动力波碱液吸收并脱除，实现有色冶炼烟气中Hg0、SO2、NOx的协同控制。

1实验装置与方法

本研究建立了低温等离子体结合动力波技术协同去除烟气中多种污染物的实验平台，该实验平台主要包括低温等离子体反应器和动力波吸收装置，其中前者主要进行Hg0、SO2和NOx的氧化过程;后者主要进行氧化后多种污染物吸收去除过程。

1.1实验装置

整个实验装置是在常温常压条件下建立的，主要包括烟气污染物发生系统、低温等离子体反应器、动力波高效湿法处理系统、电源供电系统、测试分析系统和尾气污染物吸收装置，如图1所示。本实验装置的主要工作原理是在高压脉冲快速上升的窄脉冲产生强电场得到高能电子，使烟气中的水(H2O)、氧气(O2)等分子被激活、电离，产生活性良好的氧化性粒子(如•O、O3、OH•、HO2•等)，这些活性粒子使被激活的Hg0原子经过一系列的电化学反应后氧化成Hg2+;同时，SO2、NO被氧化成三氧化硫(SO3)、二氧化氮(NO2)，再通过动力波高效湿法处理系统进行碱液吸收，从而达到烟气中多种污染物协同脱除的目的。

1.2实验方法

研究中Hg0质量浓度利用俄罗斯生产的LUMEXRA−915M测汞仪进行监测，SO2和NOx体积分数利用PortasensII(C16)枪式气体检测仪在取样口进行测量，Hg0、SO2和NOx去除效率ƞi的计算式为

式中：Ci,in为未加电和动力波洗涤塔时测得的Hg0质量浓度(单位为μg/m3)、SO2或NOx体积分数(单位为10−6);Ci,out为经过低温等离子体反应器或动力波洗涤塔后测得的Hg0质量浓度(单位为μg/m3)、SO2或NOx体积分数(单位为10−6)。

延伸阅读：

火电厂烟气“超低排放”协同控制技术现状与分析（A）