低溫等離子體集成技術(shù)在汞污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用中國科學(xué)院北京綜合研究中心（國家環(huán)境保護汞污染防治工程技術(shù)中心）陳揚、馮欽忠2018年4月19日1123行業(yè)需求4成果轉(zhuǎn)化21行業(yè)需求3汞污染的特殊性一種基本元素，不可銷毀唯一的室溫液態(tài)重金屬：揮發(fā)性和全球遷移性生物聚集及高毒性：甲基汞毒性遠大于其他形態(tài)汞必須通過特殊的技術(shù)、管理措施，遵循生命周期和全過程管理的原則，控制和解決其對環(huán)境所產(chǎn)生的風(fēng)險。污染控制和環(huán)境管理難度大，技術(shù)含量高?，F(xiàn)有的防控技術(shù)尚不成熟，處理效果不佳，不能滿足無害化處置要求。行業(yè)需求4《關(guān)于汞的水俁公約》多次政府間談判委員會20092010201120122013INC1瑞典INC2日本INC3肯尼亞INC4烏拉圭INC5瑞士外交全權(quán)大會日本UNEP理事會決議不限成員工作組會曼谷2009-20132001-20082014-2017?2018。。?！?017年8月16日生效2001年全球汞評估建立全球汞伙伴關(guān)系2016年4月28日國務(wù)院批準公約行業(yè)需求5全球汞排放及我國汞污染排放水平根據(jù)UNEP《2013年度全球汞評估報告》燃煤、小金礦、有色金屬冶煉等是人為大氣汞排放的主要來源；亞洲成為全球人為汞排放最多的地區(qū)；中國是世界最大的汞排放國，占全球汞排放量的50%。行業(yè)需求6主要用汞行業(yè)及汞使用量主要行業(yè)大氣汞排放量涉及公約管控所有領(lǐng)域；存在原生汞生產(chǎn)的國家；唯一采用電石法用汞工藝生產(chǎn)PVC的國家；大氣汞排放量最多。中國應(yīng)優(yōu)先關(guān)注的行業(yè)包括：主要排放源（燃煤、有色金屬冶煉、水泥生產(chǎn)）用汞工藝（VCM生產(chǎn)工藝)添汞產(chǎn)品(電池、醫(yī)療器械、熒光燈生產(chǎn)）汞礦開采和冶煉含汞廢物處理與處置涉汞行業(yè)類型行業(yè)需求7汞污染防治存在的問題123污染嚴重、基礎(chǔ)信息缺乏、基礎(chǔ)研究相對薄弱涉汞行業(yè)技術(shù)單一、不成熟，缺少關(guān)鍵及共性技術(shù)汞污染防治技術(shù)驗證及綜合管理方案體系缺乏不同形態(tài)汞的轉(zhuǎn)化及其毒理—長期的重金屬毒理學(xué)研究基礎(chǔ)；不同環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)下的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律—生物醫(yī)學(xué)研究基礎(chǔ)。氣態(tài)汞（尾氣）的回收缺乏終極技術(shù)；重金屬廢水處理技術(shù)單一；含汞廢物處理技術(shù)依然為技術(shù)難題；汞污染土壤缺乏可行的技術(shù)方案。技術(shù)驗證評價方法及管理體系不健全。行業(yè)需求8Hg0具有高揮發(fā)性和低水溶性，可以在大氣中遠距離輸送且停留時間較長，是最難控制的汞排放形態(tài)之一。Hg0較易吸附在固體表面，可經(jīng)過靜電除塵部分收集。由于Hg0水溶性較低，很難通過電廠濕法脫硫系統(tǒng)進行洗滌。煙氣中Hg2+主要以水溶性和揮發(fā)性較好的HgX2形式存在，其在大氣中停留時間很短，能在釋放點附近聚集。Hg2+易被顆粒物吸附，很容易通過除塵設(shè)施除去。與Hg0不同，Hg2+較易通過濕法脫硫裝置洗滌除去。Hgp在大氣中停留時間也很短，可通過電廠現(xiàn)有除塵、脫硫等煙氣凈化裝置捕集去除。煙氣中的汞

Hg0Hg2+

HgP煙氣中汞的存在形式行業(yè)需求9難點

Hg2+具有較高的水溶性，所以Hg2+可在現(xiàn)有的濕法脫硫裝置（WFGD）等設(shè)施內(nèi)脫除。

Hgp可在現(xiàn)有的除塵裝置（ESP/FF）內(nèi)與煙氣中的飛灰一同被脫除，同時干法脫硫設(shè)施以及濕法脫硫設(shè)施均可去除部分的Hgp。與Hg2+和Hgp相比，Hg0極易揮發(fā)且難溶于水，脫除十分困難。Hg0的高效脫除是當(dāng)今煙氣脫汞技術(shù)研究的關(guān)鍵所在。行業(yè)需求10汞中心的技術(shù)積累理論研究、管理方法技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用氣等離子體集成技術(shù)研發(fā)履約及管理方法構(gòu)建含汞土壤治理與修復(fù)技術(shù)研發(fā)（環(huán)保功能材料）超導(dǎo)磁分離技術(shù)研發(fā)土水資源化綜研中心中國環(huán)科院銀星集團綜研中心高能物理所綜研中心對外合作中心綜研中心環(huán)境多介質(zhì)及環(huán)境管理需求污染物的分析、識別、管理的理論和方法污染物綜合控制技術(shù)含汞廢物資源化回收技術(shù)研發(fā)（濕法冶金）綜研中心沈陽環(huán)科院管理互聯(lián)網(wǎng)+汞產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中科京投綜研中心+其他污染治理綜合服務(wù)平臺行業(yè)需求112技術(shù)研發(fā)12把電能壓縮在一個百納秒時間里釋放出兆瓦級的能量采用低溫等離子體實現(xiàn)大分子破壞及價態(tài)轉(zhuǎn)化實現(xiàn)多污染物協(xié)同控制，并實現(xiàn)資源化在處理二惡英和汞等單一及復(fù)合污染物方面具有獨特功效；有利于解決NOx、SO2、VOCs等污染物的深度凈化技術(shù)難題；有利于在推進污染控制的同時實現(xiàn)廢物無害化和資源化。等離子體集成技術(shù)的特點和優(yōu)勢技術(shù)研發(fā)13在處理汞和二噁英等單一及復(fù)合污染物方面具有獨特功效；有利于解決NOx、SO2、VOCs等污染物的深度凈化技術(shù)難題；運行成本為0.028元/m3，低于同類技術(shù)運行成本，經(jīng)濟性好。等離子體電源研制等離子體反應(yīng)器研制等離子體集成技術(shù)實驗室研發(fā)等離子體電源、反應(yīng)器匹配性研究電源、反應(yīng)器裝置集成環(huán)保功能材料研制環(huán)保功能材料吸附性能表征環(huán)保功能材料再生能力表征環(huán)保功能材料吸附/再生裝置研制高效低成本的含汞廢物處理組合新工藝全濕法提取有價金屬資源再生技術(shù)研發(fā)全濕法提取有價金屬資源再生裝置研發(fā)集成裝置研制廢氣達標排放含汞廢氣低溫等離子體電源研制等離子體反應(yīng)器研制攪拌器霧化器環(huán)保功能材料開發(fā)及再生有價金屬提取低溫?zé)峤馕鲅b置研制低溫等離子體集成技術(shù)研究及示范技術(shù)研發(fā)141324擬解決的關(guān)鍵技術(shù)窄脈沖上升沿等離子體技術(shù)高性能環(huán)保功能材料研制及應(yīng)用等離子體集成技術(shù)裝置研制及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用汞、二噁英深度凈化及材料再生技術(shù)解決的關(guān)鍵技術(shù)低溫等離子體、吸附技術(shù)的集成和實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化開展等離子體技術(shù)處理含汞廢氣機理研究，明確反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)機制，解決等離子體技術(shù)處理汞、二噁英科學(xué)問題環(huán)保功能材料篩選及再生工藝創(chuàng)新點開發(fā)可行的尾氣深度凈化技術(shù)技術(shù)研發(fā)2026/1/315等離子體集成技術(shù)設(shè)計及優(yōu)化-電源開展電源、反應(yīng)器、強化處理等裝置設(shè)計及優(yōu)化開展等離子體技術(shù)處理汞等污染物研究為汞污染控制提供最終解決方案目標電源設(shè)計及優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計及優(yōu)化機理研究實驗驗證成果轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)16實驗平臺搭建汞發(fā)生器水蒸氣發(fā)生器配氣系統(tǒng)：長*寬*高

2.22m×0.54m×1.7m電源、反應(yīng)器、吸附裝置一體：長*寬*高0.85m×0.54m×1.1m反應(yīng)器：高：0.32m直徑：?0.025m吸附裝置：高：0.515m直徑：?0.0175m管式爐：長*寬*高0.7m×0.55m×0.98m俄羅斯Lumex固液相直接汞分析儀（RA915）U形混合器：高：0.5m直徑：?0.10m實驗室裝置包括配氣系統(tǒng)：氣瓶、配氣系統(tǒng)、汞發(fā)生器、水蒸氣發(fā)生器、U形混合器；等離子體反應(yīng)裝置：等離子體電源及反應(yīng)器；吸附系統(tǒng)：陶瓷納米吸附裝置；測試系統(tǒng)：管式爐（除去多余臭氧）、俄羅斯Lumex測汞儀；煙氣尾部處理系統(tǒng)。技術(shù)研發(fā)17中試裝置研發(fā)小試裝置研發(fā)示范裝置研發(fā)油浸模式裝置研發(fā)優(yōu)化方案MARX電路方案考慮對稱結(jié)構(gòu)降低單級電壓組成MARX塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案12kV到35kV3m3/h到500m3/h模塊增多抗干擾性能優(yōu)化方案35kV到40kV500到2000m3/h集成度增大抗干擾性能優(yōu)化方案油浸模式2000-10000m3/h抗潮濕、抗高溫更穩(wěn)定不斷改進、優(yōu)化，研制更佳裝置等離子體集成技術(shù)設(shè)計及優(yōu)化-電源技術(shù)研發(fā)18內(nèi)容電源能耗窄脈寬的優(yōu)勢能量分布電源的能耗電源功率計算輸入電源的電流與之后系統(tǒng)中電流的關(guān)系窄脈寬的優(yōu)勢針對特定污染物，在一定的處理效果下計算單位質(zhì)量污染物氧化所需能量分析窄脈寬的優(yōu)勢在電源整體系統(tǒng)中窄脈寬優(yōu)勢所占的權(quán)重整體電源+反應(yīng)器各階段能量的輸入及輸出分布由380/220V電壓轉(zhuǎn)化至充電電壓充電電壓轉(zhuǎn)化至示波器測定輸出電壓輸出電壓（功率）作用于污染物脈沖低溫等離子體處理含汞廢氣技術(shù)研發(fā)19環(huán)保功能材料特征高選擇性：可鍵合不同的重金屬可重復(fù)使用：多次循環(huán)再生使用而有效降低處理成本安全性：該技術(shù)無毒無害，不造成二次污染技術(shù)研發(fā)20環(huán)保功能材料特征技術(shù)研發(fā)

材料性能對比21功率脈沖低溫等離子體電源及技術(shù)集成以活性炭作吸附材料，在實驗開始階段有較強的吸附能力，后續(xù)逐漸衰減；汞去除率可達98.78%，滿足汞去除率≥98%的約束性指標要求；尾氣中汞的排放濃度0.008-0.038mg/m3，滿足尾氣中汞的排放濃度≤0.01mg/m3約束性指標要求。進氣濃度(mg/m3)出氣濃度(mg/m3)去除率（%）0.3770.0586.740.5540.10381.410.4280.09478.040.4360.11174.540.4960.08982.06反應(yīng)器+活性炭除汞效率（同等濃度實驗，2-3個月）進氣濃度(mg/m3)出氣濃度(mg/m3)去除率（%）0.3340.0197.010.4990.02495.190.6290.016497.390.6450.038594.030.6550.00898.780.6910.01298.26反應(yīng)器+活性炭除汞效率（實驗開始階段-1月內(nèi)）技術(shù)研發(fā)22功率脈沖低溫等離子體電源及技術(shù)集成實際處理規(guī)模為2000-2300m3/h，滿足處理能力為3~2000m3/h約束性指標要求；在脈沖頻率大于500Hz時，汞去除率可達98%以上；陶瓷納米材料可以作為活性炭替代材料用于等離子體技術(shù)的有效結(jié)合。進氣濃度(mg/m3)出氣濃度(mg/m3)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

反應(yīng)器+陶瓷納米材料除汞效率數(shù)據(jù)進氣濃度(mg/m3)出氣濃度(mg/m3)去除率（%）備注0.2560.12650.78100Hz0.1670.08250.90200Hz0.1920.052272.81300Hz0.1240.01984.68400Hz0.2670.00698.63500Hz

反應(yīng)器+陶瓷納米材料除汞效率數(shù)據(jù)（脈沖頻率實驗）技術(shù)研發(fā)233現(xiàn)場測試與驗證24低溫等離子體的潛在優(yōu)勢把電能壓縮在一個ns時間里釋放出MW級的能量采用低溫等離子體實現(xiàn)大分子破壞及價態(tài)轉(zhuǎn)化實現(xiàn)多污染物協(xié)同控制，并實現(xiàn)資源化等離子體電源研制等離子體反應(yīng)器研制等離子體集成技術(shù)實驗室研發(fā)等離子體電源、反應(yīng)器匹配性研究電源、反應(yīng)器裝置集成環(huán)保功能材料研制環(huán)保功能材料吸附性能表征環(huán)保功能材料再生能力表征環(huán)保功能材料吸附/再生裝置研制高效低成本的含汞廢物處理組合新工藝全濕法提取有價金屬資源再生技術(shù)研發(fā)全濕法提取有價金屬資源再生裝置研發(fā)集成裝置研制廢氣達標排放含汞廢氣低溫等離子體電源研制等離子體反應(yīng)器研制攪拌器霧化器環(huán)保功能材料開發(fā)及利用提取有價金屬預(yù)處理系統(tǒng)成鹽裝置現(xiàn)場測試與驗證25熱解析+低溫等離子體處理含汞廢渣、廢汞觸媒熱解析含汞廢渣檢測冷卻煙氣解析渣除塵冷凝低溫等離子反應(yīng)器廢氣汞炱單質(zhì)汞汞鹽冷卻達標排放符合不符合回爐處理渣庫堆存1）探索低溫?zé)峤馕龀^程最佳脫汞的工藝參數(shù)；2）研究熱解析前后廢物汞的形態(tài)及理化性質(zhì)變化；3）低溫等離子體氣體捕集均量均質(zhì)控制技術(shù)研究。4）低溫等離子體深度回收汞鹽技術(shù)。現(xiàn)場測試與驗證單質(zhì)汞26添加氯化鈣和硫化鈣，汞解析效果明顯好于空白樣品，并且氯化鈣效果比硫化鈣效果好，在500℃下汞完全解析現(xiàn)場測試與驗證27低溫等離子體集成技術(shù)處理含汞廢氣示范工程-廢汞觸媒處理過程含汞廢氣現(xiàn)場測試與驗證28廢汞觸媒處理過程含汞尾氣深度凈化示范工程針對貴州某公司含汞廢物/土壤處置過程含汞尾氣達標排放的需求，為企業(yè)提供20×103Nm3/h含汞煙氣低溫等離子凈化+在線監(jiān)控系統(tǒng)，滿足企業(yè)需求，為銅仁汞減排提供技術(shù)支持。-正在進行電源、反應(yīng)器、氧化觸媒床等的設(shè)計與制造-正在開展中試示范，考核設(shè)備運行能力，為工程放大提供支持現(xiàn)場測試與驗證29低溫等離子體集成技術(shù)處理含汞廢氣示范工程貴州重力科技是目前國內(nèi)規(guī)模最大、綜合技術(shù)較為先進的含汞危險固廢綜合回收處置企業(yè)，具有年回收處置56000噸含汞廢物的處理能力，年可回收金屬汞566噸，金屬銅、鋅、硒、銻各380噸。863課題專家現(xiàn)場驗證：主要圍繞低溫等離子體處理含汞廢氣技術(shù)示范現(xiàn)場測試與驗證30低溫等離子體集成技術(shù)處理含汞廢氣技術(shù)示范—北京基于熒光燈管資源化處理過程中的含汞廢氣處理系統(tǒng)，針對普通活性炭吸附處理存在的成本高、造成二次污染等問題，針對熒光燈管資源化過程產(chǎn)生的含汞廢氣資源回收及安全處置的技術(shù)需求，驗證和評價低溫等離子體-環(huán)保材料吸附-資源再生集成技術(shù)處理含汞廢氣的效果。運行時間：8h/d，150-160d/a。運行方式：間歇運行。破碎工段8h/d運行，蒸餾工段視原料量間歇運行。設(shè)計規(guī)模：750萬支熒光燈/年活性炭更換時間：1年，每次更換一級活性炭（4個），1年換完?；钚蕴扛鼡Q量：1t活性炭價格：18萬/t現(xiàn)場測試與驗證31低溫等離子體+靶向吸附系統(tǒng)集成裝置示范：生態(tài)島含汞廢氣量為2000m3/h，采用低溫等離子體集成工藝，實現(xiàn)汞排放濃度小于0.01mg/m3的指標要求。該示范工程已通過中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會組織認證的ETV驗證評價。示范工程

已經(jīng)開展的工作2016年6-12月，在生態(tài)島開展現(xiàn)場實驗研究2016年12月完成現(xiàn)場實驗研究報告2017年1-2月準備技術(shù)驗證評價方案2017年2月開展技術(shù)驗證評價專家會2017年7月開展技術(shù)驗證評價專家驗收會現(xiàn)場測試與驗證32現(xiàn)場測試與驗證研究內(nèi)容系統(tǒng)改造搭建熱解溫度對飛灰汞脫附效率的影響（400℃和500℃熱解析爐處理）；

簡單冷凝（管道溫度2℃）對煙氣中汞的去除率；風(fēng)量大?。?5-35m3/h）對脫汞效率的影響；低溫等離子體不同參數(shù)的脫汞效率；系統(tǒng)不同位置的顆粒態(tài)汞含量檢測；飛灰預(yù)處理及水泥生產(chǎn)過程尾氣深度凈化33現(xiàn)場測試與驗證飛灰預(yù)處理及水泥生產(chǎn)過程尾氣深度凈化工藝系統(tǒng)：熱解析爐、旋風(fēng)除塵器、冷凝系統(tǒng)、等離子體電源及反應(yīng)器、氧化觸媒床、風(fēng)機；測試系統(tǒng)：壓力表、風(fēng)速儀、流量計、濕度計、采樣設(shè)備、價態(tài)活性炭管、Lumex測汞儀等34現(xiàn)場測試與驗證—獲取核心參數(shù)項

目單位參數(shù)指標備注額定值極限值電壓VPP

KV按照單脈沖輸出能量推算電流IPP

A脈沖寬度τa

nS根據(jù)實驗室確定脈沖上升沿τr

nS根據(jù)實驗室確定脈沖重復(fù)率FP

Hz采取前期設(shè)計數(shù)據(jù)單脈沖峰值功率PP

MW根據(jù)電壓電流推算單脈沖輸出能量JJ根據(jù)有效輸出功率推算輸出功率kW根據(jù)生態(tài)島測試數(shù)據(jù)計算分析推算有效輸出功率kW根據(jù)生態(tài)島計算數(shù)據(jù)推算功率脈沖電源354成果轉(zhuǎn)化36正在研發(fā)的方向：燃煤行業(yè)汞及多污染物協(xié)同控制汞觸媒回收過程含汞廢氣深度凈化廢熒光燈管處理過程尾氣深度凈化水泥窯協(xié)同處置飛灰處理尾氣深度凈化廢物焚燒過程汞及二噁英協(xié)同控制高濃度汞污染土壤處理過程尾氣深度凈化