低温等离子体集成技术在汞污染治理领域的应用-PPT课件.ppt

低温等离子体集成技术在汞污染治理领域的应用中国科学院北京综合研究中心中国科学院北京综合研究中心（国家环境保护汞污染防治工程技术中心）（国家环境保护汞污染防治工程技术中心）陈陈 扬、冯钦忠扬、冯钦忠20182018年年4 4月月1919日日1123行业需求4成果转化21行业需求3汞污染的特殊性u一种基本元素，不可销毁u唯一的室温液态重金属：挥发性和全球迁移性u生物聚集及高毒性：甲基汞毒性远大于其他形态汞必须通过特殊的技术、管理措施，遵循生命周期和全过程管理的原则，控制和解决其对环境所产生的风险。污染控制和环境管理难度大，技术含量高。现有的防控技术尚不成熟，处理效果不佳，不能满足无害化处置要求。行业需求4关于汞的水俣公约关于汞的水俣公约多次政府间谈判委员会多次政府间谈判委员会20092010201120122013INC1 INC1 瑞典瑞典INC2 INC2 日本日本INC3INC3肯尼亚肯尼亚INC4 INC4 乌拉圭乌拉圭INC5INC5瑞士瑞士外交全权大会外交全权大会日本日本UNEPUNEP理事会决议理事会决议不限成员工不限成员工作组会作组会曼谷曼谷2009-20132001-20082014-2017?2018。2017年8月16日生效2001年全球汞评估建立全球汞伙伴关系2016年4月28日国务院批准公约行业需求5全球汞排放及我国汞污染排放水平全球汞排放及我国汞污染排放水平根据UNEP2013年度全球汞评估报告燃煤、小金矿、有色金属冶炼等是人为大气汞排放的主要来源；亚洲成为全球人为汞排放最多的地区；中国是世界最大的汞排放国，占全球汞排放量的50%。行业需求6主要用汞行业及汞使用量 主要行业大气汞排放量涉及公约管控所有领域；存在原生汞生产的国家；唯一采用电石法用汞工艺生产PVC的国家；大气汞排放量最多。中国应优先关注的行业包括：中国应优先关注的行业包括：主要排放源（燃煤、有色金属冶炼、水泥生产）用汞工艺（VCM生产工艺)添汞产品(电池、医疗器械、荧光灯生产）汞矿开采和冶炼含汞废物处理与处置涉汞行业类型涉汞行业类型行业需求7汞污染防治存在的问题123污染严重、基础信息缺乏、基础研究相对薄弱涉汞行业技术单一、不成熟，缺少关键及共性技术汞污染防治技术验证及综合管理方案体系缺乏p不同形态汞的转化及其毒理长期的重金属毒理学研究基础；p不同环境和生态系统下的迁移转化规律生物医学研究基础。p气态汞（尾气）的回收缺乏终极技术；p重金属废水处理技术单一；p含汞废物处理技术依然为技术难题；p汞污染土壤缺乏可行的技术方案。p技术验证评价方法及管理体系不健全。行业需求8Hg0具有高挥发性和低水溶性，可以在大气中远距离输送且停留时间较长，是最难控制的汞排放形态之一。Hg0 较易吸附在固体表面，可经过静电除尘部分收集。由于 Hg0 水溶性较低，很难通过电厂湿法脱硫系统进行洗涤。烟 气 中 Hg2+主 要 以 水 溶 性 和 挥 发 性 较 好 的HgX2形式存在，其在大气中停留时间很短，能在释放点附近聚集。Hg2+易被颗粒物吸附，很容易通过除尘设施除去。与 Hg0 不同，Hg2+较易通过湿法脱硫装置洗涤除去。Hgp在大气中停留时间也很短，可通过电厂现有除尘、脱硫等烟气净化装置捕集去除。烟气中的汞 Hg0Hg2+HgP烟气中汞的存在形式行业需求9p Hg2+具有较高的水溶性，所以Hg2+可在现有的湿法脱硫装置（WFGD）等设施内脱除。p Hgp可在现有的除尘装置（ESP/FF）内与烟气中的飞灰一同被脱除，同时干法脱硫设施以及湿法脱硫设施均可去除部分的Hgp。p与Hg2+和Hgp相比，Hg0极易挥发且难溶于水，脱除十分困难。Hg0的高效脱除是当今烟气脱汞技术研究的关键所在。行业需求10汞中心的技术积累汞中心的技术积累理论研究、管理方法技术研发、产业化应用气等离子体集成技术研发履约及管理方法构建含汞土壤治理与修复技术研发（环保功能材料）超导磁分离技术研发土水资源化综研中心中国环科院银星集团综研中心高能物理所综研中心对外合作中心综研中心环境多介质及环境管理需求污染物的分析、识别、管理的理论和方法污染物综合控制技术含汞废物资源化回收技术研发（湿法冶金）综研中心沈阳环科院管理互联网+汞产业联盟中科京投综研中心+其他污染治理综合服务平台行业需求112技术研发12u把电能压缩在一个百纳秒时间里释放出兆瓦级的能量u采用低温等离子体实现大分子破坏及价态转化u实现多污染物协同控制，并实现资源化在处理二恶英和汞等单一及复合污染物方面具有独特功效；有利于解决NOx、SO2、VOCs等污染物的深度净化技术难题；有利于在推进污染控制的同时实现废物无害化和资源化。n等离子体集成技术的特点和优势技术研发13在处理汞和二噁英等单一及复合污染物方面具有独特功效；有利于解决NOx、SO2、VOCs等污染物的深度净化技术难题；运行成本为0.028元/m3，低于同类技术运行成本，经济性好。l等离子体电源研制l等离子体反应器研制l等离子体集成技术实验室研发l等离子体电源、反应器匹配性研究l电源、反应器装置集成l环保功能材料研制l环保功能材料吸附性能表征l环保功能材料再生能力表征l环保功能材料吸附/再生装置研制l高效低成本的含汞废物处理组合新工艺l全湿法提取有价金属资源再生技术研发l全湿法提取有价金属资源再生装置研发l集成装置研制废气达标排放废气达标排放含汞废气含汞废气低温等离子体低温等离子体电源研制电源研制等离子体等离子体反应器研反应器研制制搅拌器搅拌器雾化器雾化器环保功能环保功能材料开发材料开发及再生及再生有价金属提取低温热解析装置研制低温等离子体集成技术研究及示范技术研发141324拟解决的拟解决的关键技术关键技术窄脉冲上升沿等离子体技术窄脉冲上升沿等离子体技术高性能环保功能材料研制及应高性能环保功能材料研制及应用用等离子体集成技术装置研制及产业化等离子体集成技术装置研制及产业化应用应用汞、二噁英深度净化及材料汞、二噁英深度净化及材料再生技术再生技术解决的关键技术pp低温等离子体、吸附技术的集成和实际应用的转化低温等离子体、吸附技术的集成和实际应用的转化pp开展等离子体技术处理含汞废气机理研究，明确反应器内发生的反应机制，解决等离子体技开展等离子体技术处理含汞废气机理研究，明确反应器内发生的反应机制，解决等离子体技术处理汞、二噁英科学问题术处理汞、二噁英科学问题pp环保功能材料筛选及再生工艺环保功能材料筛选及再生工艺创新点开发可行的尾气深度净化技术开发可行的尾气深度净化技术技术研发2024/3/17 周日15n等离子体集成技术设计及优化-电源uu开展电源开展电源、反应器、强化处理等装置、反应器、强化处理等装置设计及优化设计及优化uu开展等离子体技术处理汞等污染物研究开展等离子体技术处理汞等污染物研究uu为汞污染控制提供最终解决方案为汞污染控制提供最终解决方案目标目标电源设计及电源设计及优化优化反应器设计反应器设计及优化及优化机理研究机理研究实验验证实验验证成果转化成果转化技术研发16n实验平台搭建汞发生器水蒸气发生器配气系统：长*宽*高 2.22m0.54m1.7m电源、反应器、吸附装置一体：长*宽*高 0.85m0.54m1.1m反应器：高：0.32m 直径：0.025m吸附装置：高：0.515m 直径：0.0175m管式炉：长*宽*高 0.7m0.55m0.98m俄罗斯Lumex固液相直接汞分析仪（RA 915）U形混合器：高：0.5m 直径：0.10m实验室装置包括配气系统：气瓶、配气系统、汞发生器、水蒸气发生器、U形混合器；等离子体反应装置：等离子体电源及反应器；吸附系统：陶瓷纳米吸附装置；测试系统：管式炉（除去多余臭氧）、俄罗斯Lumex 测汞仪；烟气尾部处理系统。技术研发17中试装置研发小试装置研发示范装置研发油浸模式装置研发优化方案uMARX电路方案u考虑对称结构u降低单级电压u组成MARX塔结构优化方案u12kV到35kVu3m3/h到500m3/hu模块增多u抗干扰性能优化方案u35kV到40kVu500到2000m3/hu集成度增大u抗干扰性能优化方案u油浸模式u2000-10000m3/hu抗潮湿、抗高温u更稳定不断改进、优化，研制更佳装置n等离子体集成技术设计及优化-电源技术研发18电源的能耗电源功率计算输入电源的电流与之后系统中电流的关系窄脉宽的优势针对特定污染物，在一定的处理效果下计算单位质量污染物氧化所需能量分析窄脉宽的优势在电源整体系统中窄脉宽优势所占的权重整体电源+反应器各阶段能量的输入及输出分布由380/220V电压转化至充电电压充电电压转化至示波器测定输出电压输出电压（功率）作用于污染物n脉冲低温等离子体处理含汞废气技术研发19pp环保功能材料特征环保功能材料特征u高选择性：可键合不同的重金属u可重复使用：多次循环再生使用而有效降低处理成本u安全性：该技术无毒无害，不造成二次污染技术研发20pp环保功能材料特征环保功能材料特征技术研发 材料性能对比21n功率脉冲低温等离子体电源及技术集成u以活性炭作吸附材料，在实验开始阶段有较强的吸附能力，后续逐渐衰减；u汞去除率可达98.78%，满足汞去除率98%的约束性指标要求；u尾气中汞的排放浓度0.008-0.038mg/m3，满足尾气中汞的排放浓度0.01mg/m3约束性指标要求。进进气气浓浓度度(mg/m3)出气出气浓浓度度(mg/m3)去除率（去除率（%）0.3770.0586.740.5540.10381.410.4280.09478.040.4360.11174.540.4960.08982.06反应器+活性炭除汞效率（同等浓度实验，2-3个月）进进气气浓浓度度(mg/m3)出气出气浓浓度度(mg/m3)去除率（去除率（%）0.3340.0197.010.4990.02495.190.6290.016497.390.6450.038594.030.6550.00898.780.6910.01298.26反应器+活性炭除汞效率（实验开始阶段-1月内）技术研发22n功率脉冲低温等离子体电源及技术集成u实际处理规模为2000-2300m3/h，满足处理能力为32000m3/h约束性指标要求；u在脉冲频率大于500Hz时，汞去除率可达98%以上；u陶瓷纳米材料可以作为活性炭替代材料用于等离子体技术的有效结合。进进气气浓浓度度(mg/m3)出气出气浓浓度度(mg/m3)去除率（去除率（%）0.2670.00698.630.2880.00996.881.0120.03296.840.8790.01898.500.9230.02697.181.1240.03696.801.0390.02897.311.1310.03896.64 反应器+陶瓷纳米材料除汞效率数据进进气气浓浓度度(mg/m3)出气出气浓浓度度(mg/m3)去除率去除率（%）备备注注0.2560.12650.78100Hz0.1670.08250.90200Hz0.1920.052272.81300Hz0.1240.01984.68400Hz0.2670.00698.63500Hz 反应器+陶瓷纳米材料除汞效率数据（脉冲频率实验）技术研发233现场测试与验证24pp低温等离子体的潜在优势低温等离子体的潜在优势u把电能压缩在一个ns时间里释放出MW级的能量u采用低温等离子体实现大分子破坏及价态转化u实现多污染物协同控制，并实现资源化l等离子体电源研制l等离子体反应器研制l等离子体集成技术实验室研发l等离子体电源、反应器匹配性研究l电源、反应器装置集成l环保功能材料研制l环保功能材料吸附性能表征l环保功能材料再生能力表征l环保功能材料吸附/再生装置研制l高效低成本的含汞废物处理组合新工艺l全湿法提取有价金属资源再生技术研发l全湿法提取有价金属资源再生装置研发l集成装置研制废气达标排放含汞废气低温等离子体电源研制等离子体反应器研制搅拌器雾化器环保功能材料开发及利用提取有价金属预处理系统成盐 装置现场测试与验证25热解析+低温等离子体处理含汞废渣、废汞触媒热解析含汞废渣检测冷却烟气解析渣除尘冷凝低温等离子反应器废气汞炱单质汞汞盐冷却达标排放符合不符合回炉处理渣库堆存1）探索低温热解析除汞过程最佳脱汞的工艺参数；2）研究热解析前后废物汞的形态及理化性质变化；3）低温等离子体气体捕集均量均质控制技术研究。4）低温等离子体深度回收汞盐技术。现场测试与验证单质汞26u添加氯化钙和硫化钙，汞解析效果明显好于空白样品，并且氯化钙效果比硫化钙效果好，在500下汞完全解析现场测试与验证27低温等离子体集成技术处理含汞废气示范工程-废汞触媒处理过程含汞废气现场测试与验证28l废汞触媒处理过程含汞尾气深度净化示范工程l针对贵州某公司含汞废物/土壤处置过程含汞尾气达标排放的需求，为企业提供20103Nm3/h含汞烟气低温等离子净化+在线监控系统，满足企业需求，为铜仁汞减排提供技术支持。-正在进行电源、反应器、氧化触媒床等的设计与制造-正在开展中试示范，考核设备运行能力，为工程放大提供支持现场测试与验证29低温等离子体集成技术处理含汞废气示范工程贵州重力科技是目前国内规模最大、综合技术较为先进的含汞危险固废综合回收处置企业，具有年回收处置56000吨含汞废物的处理能力，年可回收金属汞566吨，金属铜、锌、硒、锑各380吨。u863课题专家现场验证：主要围绕低温等离子体处理含汞废气技术示范现场测试与验证30低温等离子体集成技术处理含汞废气技术示范北京基于荧光灯管资源化处理过程中的含汞废气处理系统，针对普通活性炭吸附处理存在的成本高、造成二次污染等问题，针对荧光灯管资源化过程产生的含汞废气资源回收及安全处置的技术需求，验证和评价低温等离子体-环保材料吸附-资源再生集成技术处理含汞废气的效果。l运行时间：8h/d，150-160d/a。l运行方式：间歇运行。破碎工段8h/d运行，蒸馏工段视原料量间歇运行。l设计规模：750万支荧光灯/年l活性炭更换时间：1年，每次更换一级活性炭（4个），1年换完。l活性炭更换量：1tl活性炭价格：18万/t现场测试与验证31低温等离子体+靶向吸附系统集成装置示范：l生态岛含汞废气量为2000m3/h，采用低温等离子体集成工艺，实现汞排放浓度小于0.01 mg/m3的指标要求。l该示范工程已通过中国环境科学学会组织认证的ETV验证评价。示范工程 已经开展的工作已经开展的工作pp20162016年年6-126-12月，在生态岛开展现场实验研究月，在生态岛开展现场实验研究pp20162016年年1212月完成现场实验研究报告月完成现场实验研究报告pp20172017年年1-21-2月准备技术验证评价方案月准备技术验证评价方案pp20172017年年2 2月开展技术验证评价专家会月开展技术验证评价专家会pp20172017年年7 7月月开展技术验证评价专家验收会开展技术验证评价专家验收会现场测试与验证32现场测试与验证研究内容系统改造搭建1.热解温度对飞灰汞脱附效率的影响（400和500热解析炉处理）；2.简单冷凝（管道温度2）对烟气中汞的去除率；3.风量大小（15-35m3/h）对脱汞效率的影响；4.低温等离子体不同参数的脱汞效率；5.系统不同位置的颗粒态汞含量检测；飞灰预处理及水泥生产过程尾气深度净化33现场测试与验证飞灰预处理及水泥生产过程尾气深度净化工艺系统：热解析炉、旋风除尘器、冷凝系统、等离子体电源及反应器、氧化触媒床、风机；测试系统：压力表、风速仪、流量计、湿度计、采样设备、价态活性炭管、Lumex 测汞仪等34现场测试与验证获取核心参数项项 目目 单位单位 参数指标参数指标 备备注注额定值 极限值 电压电压VPP KV 按照单脉冲输出能量推算电流电流IPP A 脉冲宽度脉冲宽度a nS 根据实验室确定脉冲上升沿脉冲上升沿r nS 根据实验室确定脉冲重复率脉冲重复率FP Hz 采取前期设计数据单脉冲峰值功率单脉冲峰值功率PP MW 根据电压电流推算单脉冲输出能量单脉冲输出能量JJ根据有效输出功率推算输出功率输出功率kW根据生态岛测试数据计算分析推算有效输出功率有效输出功率kW根据生态岛计算数据推算功率脉冲电源354成果转化36正在研发的方向：燃煤行业汞及多污染物协同控制汞触媒回收过程含汞废气深度净化废荧光灯管处理过程尾气深度净化水泥窑协同处置飞灰处理尾气深度净化废物焚烧过程汞及二噁英协同控制高浓度汞污染土壤处理过程尾气深度净化有色金属冶炼废气综合治理正在研发和示范的技术正在研发和示范的技术成果转化37环保功能材料研制新型材料吸附机理及增效机制研究新型纳米吸附材料研制多孔金属复合吸附材料研制吸附剂吸附方案研究及规模化吸附材料性能在线检测评价新型环保功能材料研制正在研发和示范的技术正在研发和示范的技术成果转化38 学科领域的战略合作共同技术研发、深度合作以项目为载体的合作局部合作集群式合作行业内的集成合作行业发展行业发展探索产业化发展思路探索产业化发展思路顶层设计顶层设计整体规划整体规划政策政策资金资金技术技术产业化发展产业化发展以政府为主导，以企业为主体，以市场为导向，以产业化发展为目标，站在行业发展的高度，开展顶层设计与整体规划，从政策、资金、技术等层面加大力度，开展科技创新与成果转化，探索新机遇，形成产业化发展模式。成果转化39持续开展技术研发及成果转化以汞污染治理为契机，辐射环保产业痛点需求实现运作机制创新，促进成果转化进行机制创新，实现环保产业资源整合u以汞污染治理为契机，重点发展高能物理共性核心技术针对各类特征污染物的多元应用，实现汞及其他重金属、二噁英、VOCs等污染物协同治理技术方面重点突破。u重点建设“汞工程中心平台”、“产业化企业平台”和“创新联盟平台”三大平台。u涵盖行业评估、项目申报、技术研发、工程示范等整个环保产业链，具备环保综合解决方案的能力。u依托成果转化平台公司的建设，发挥综研中心的产业集聚效应，吸纳国内外先进环保治理技术，依靠产业化公司各股东优势，实现工业环保板块、民用环保板块等的资源整合。u根据中科院率先行动计划的指导思想，推进科技创新实现产学研用的有机结合。u面向科技创新与组织模式改革的历史背景，促进研发成果的工程应用，成熟一批应用一批产业化一批。成果转化40成果转化41Thank you!联系信息：陈扬，中国科学院北京综合研究中心电话：[phone]邮箱：42