低温等离子体技术在钛白粉行业尾气治理的应用

1、概述

我国人口众多、经济总量巨大，几十年经济高速发展之下，废水、废气、固废等环境领域都积累了较多问题。环境治理已经成为国家、企业难以承受之重。需要结合国情弯道超车，多研发符合中国国情厂情的、投资运行成本低的实用技术。

钛白粉厂生产过程产生的有组织排放尾气分为回转窑煅烧和酸解过程。排出的尾气伴随一定的温度并夹带大量水蒸气、硫酸雾、二氧化硫、三氧化硫等。酸解工艺如选用废电石渣作为中和剂，尾气中还含有硫氧化合物、电石渣异味等。煅烧尾气则会夹带一定效量的钛白粉尘和燃烧过程产生的氮氧化物。

目前大部分厂家煅烧和酸解尾气已进行初步治理，但随着国家环保形势的日趋严格，对钛白粉行业尾气排放提出了新的要求。需要在原有废气治理基础上进行深度净化：需要除臭脱白除尘去除硫酸雾和氮氧化物，最终做到极限地区排放标准。

2、低温等离子体成套设备

2.1低温等离子体净化原理

低温等离子体也被称为物质存在的第四态，别于传统的固态、液态、气态，在气体的外部提供一个强大的电场，当气体被击穿，就会产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体，这种混合体中正离子和负离子的电荷相等，整个系统呈现中性，所以被称为等离子体。当放电过程中电子温度很高，但重粒子温度很低时，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。所以，低温等离子体又被称为电子化学技术，实在高压电场内发生的化学反应。最终发展方向；二氧化碳、水等地球上二种最基本的元素。

2.2低温等离子体成套设备的工作原理

等离子体化学反应过程大致如下：

从以上反应过程可以看出，电子先从电场获得能量，通过激发或电离将能量转移到污染物分子中去，那些获得能量的污染物分子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团。然后这些活性基团与氧气、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。

2.3设备各部分组成

低温等离子体工业废气净化装置主要由以下部分构成，见图：

? 废气管道

? 壳体

? 内胆

? 模块箱

? 检修平台

低温等离子体净化设备示意图

内胆主要由以下部分构成，见图：

? 正极管

? 负极管

? 框架

? 瓷瓶

低温等离子体净化设备内胆示意图

设备内胆图

单管放电效果图

3、工艺流程简介

3.1煅烧尾气现状

煅烧窑出口尾气约 400～450℃，经静电除尘、文丘里、废液喷淋洗涤降温、碱中和后排放，出口温度约50～60℃。存在问题：

(a) 因尾气中含硫酸雾的气溶胶不易扩散，烟囱有拖尾现象，特别是低气压或是室外气温低于10℃时更加明显。

(b) 回转窑的热源是燃烧天然气，尾气中有NOx，而且以NO为主。

(c ) SO2浓度时有超标，需要进一步氧化后达标排放。

(d ) 烟气中异味需要处理。

3.2酸解尾气现状

酸解尾气根据生产工艺不同，分为间歇法和连续法，但排放的尾气成份基本相同含 SO2，SO3 ，有些还含有硫氧化合物、电石渣异味等。存在问题：

(a) 与煅烧尾气有相同的拖尾现象。

(b) 烟气中异味需要处理。

3.3烟气深度治理工艺思路

3.3.1煅烧尾气

（1）烟气脱白：

越来越多的、不同研究人员的大量检测结果都证明，白烟除了水蒸气外，还有大量的溶解性污染物是雾霾的主要贡献者之一。排烟除湿脱白是我国大气治理的必由之路。

煅烧尾气白烟的主要成份是含有硫酸雾的气溶胶，粒径PM1，PM2.5，PM10，PM100不等。液态水含量2.2～2.5%，如要彻底消除白烟，需要在净化工艺前端将尾气温度降至≤45℃。降温后的烟气用电晕放电的低温等离子体技术脱白除尘。实现室外气温10℃以上时无可视烟带。同时去除溶解性污染物。

脱白原理：当含湿废气进入电晕放电的低温等离子体高压电场后，正极发射的电子依附在颗粒物上形成带电颗粒，包括PM2.5，PM10等气溶胶在电场力作用下积聚成大颗粒液态水，吸附在负极流淌下来排出，因发射电子密度和电场强度决定了对所有颗粒物、气溶胶等均会被荷电降尘，包括溶解性颗粒物同时被去除。

（2）去除氮氧化物：

烟气中NOx主要是指一氧化氮(NO)和二氧化氮（NO2），其中NO的初始浓度（占95%），NO 难溶于水，而高价态的 NO2、N2O5等可溶于水生成 HNO2和 HNO3，溶解能力大大提高。造成大气污染的主要是NO和NO2，并以NO2为主。NO为无色的气体，遇空气被氧化，生成红棕色的NO2气体，NO2溶于水，形成酸性溶液。

氧化法脱硝实际分两步实现脱硝，首先利用低温等离子体技术产生O3做为氧化剂快速有效地将NO氧化为可溶性高价态的NO2或N2O5，转化率接近100%。再依靠洗涤塔酸碱中和反应来吸收NO2和N2O5，从而达到脱硝的目的。

反应如下：

第二步依靠洗涤塔酸碱中和反应来吸收二氧化氮或五氧化二氮，常见的脱硝剂有Ca(OH)2、NaOH 等碱液。不同的吸收剂产生的脱除效果会有一定的差异。在利用水吸收尾气时， NO2的脱除效率达到70%左右。

脱硝剂反应如下：

（3）去除恶臭

恶臭是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快感觉及损害生活环境的异味气体。当环境中的异味达到一定程度时，会使人感觉不愉快，甚至会对人产生心理影响和生理危害，称之为恶臭污染。由于它的特殊性，许多国家将它单独列为公害的一种。恶臭与噪声均属于感觉公害，是当前公众投诉最强烈的环境问题。

低温等离子体设备恶臭异味的去除率达85%–90%以上。处理后的臭气浓度优于国家标准排放（单套设备进口浓度≤20000无量纲）。

3.3.2酸碱尾气

净化工艺可借鉴煅烧尾气。

4、工艺优势

乾瀚环保发明的“低温等离子体工业废气净化设备”，是在电晕放电基础上发展起来的密集型尖端放电设备，本产品拥有一项发明专利（ZL200910051030.4）、四项实用新型专利。其产品及技术具有以下优势：

4.1工艺链短

本设备是在电晕放电的理论基础上发明的密集型尖端放电，使电子密度和电场强度提高2000余倍。对气体净化具有广谱性，净化腔体内废气分子始终处于电离状态，很快被电离、氧化分解。烟气脱硫脱硝除尘脱白可用一台设备协同处理。

4.2占地面积小

模块化设备可根据现场条件灵活布置。

4.3能耗低

净化功率可按实际污染程度调整，是一种干法净化，只需用电，不需任何添加剂 ，不产生废水、废渣，不会导致二次污染。

设备自动化程度高，设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。设备自带喷淋系统可定期自动清洗，无需派专职人员看守，基本不占用人工。

4.4净化效率稳定

电晕放电的低温等离子体工业废气净化设备在2013年已下发一项发明专利及四项实用新型专利，工业化应用成熟。

设备高压电源为自主研发，采用高压、高频、直流电源，运行过程安全可靠，保障了设备的安全性。

5、案例分析

本项目为氨法制肥工艺段烟气，原料经锅炉烘干后携带大量粉尘、气溶胶、少量氮氧化物、硫酸雾以及恶臭气体排放。可视烟带长达几公里，恶臭异味随烟带四处飘散，成为被投诉的主要原因。该项目经前端预处理后，经过电晕放电低温等离子体设备处理后达到以下效果：

1、晴朗天气，气温10℃以上无可视烟带

2、臭气浓度<2000无量纲

3、硫酸雾<3mg/m3

设备开启前后烟囱对比

设备自动清洗状态

6、总结

6.1低温等离子体设备在运行过程中只消耗电能，无任何添加剂，不会产生废渣和催化剂中毒问题，环保排放优良。

6.2烟气脱白处理后，只需肉眼观察，就可以发现改造后的排烟无白雾。排烟无白很重要，无需检测也不存在造假，监管部门或周边百姓用眼睛就可以看到监督。减少被投诉和限产的可能，企业无需为雾霾等大气重污染停产，这就为企业的正常生产运营不受环保排放干扰创造了条件。

6.3低温等离子体成套设备处理钛白粉行业酸解工艺段、回转窑工艺段尾气，可协同处理脱销脱白除尘除异味，处理工艺简单、设备运行稳定、运行费用低，可成为该类尾气的优选技术。

上海乾瀚环保科技有限公司

2021年7月

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