2005/07/20
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- 千 单
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1 2005/07/20
2 plasma At the beginning of this talk, let s be sure what plasma is. 2
3 Plasma Non-Thermal Plasma (NTP) 3
4 PLASMA IS EVERYWHERE. PLASMA TECHNOLOGY Environmental Application 4
5 5
6 Initiation Cosmic Rays e - O 2, N 2 + e - e - O 2 + O 2 + e - e - Electron impact ionization (require E t ) Secondary electron emission e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - Electron avalanche etc. 6
7 e + pollutant products e + O 2 O( 1 D) + O + e e + H 2 O OH + H + e e + M M + + 2e O, O( 1 D), OH, M + + pollutant products O( 1 D) + H 2 O OH + OH O + O 2 + M O 3 + M O 3 + pollutant products 7
8 The gas stream contains 7% CO 2, 8% O 2, 6% H 2 O, 400 ppm CO, 260 ppm NO, 133 ppm H 2, ppm C 3 H 6 and N 2 as balanced gas.
9 (Thermal Plasmas) ( ) (Non-Thermal Plasmas, NTP) >> ( ) (Cold Plasmas) 9
10 etching, cleaning, PECVD, surface modification, plasma polymerization ESP is a well known plasma technology. The mainstream technology used for ozone synthesis. Be suitable for air and wastewater treatments. 10
11 11
12 * COD * (NO x,so 2 ) * (VOCs) * (H 2 S) (CO * 2,CH 4 ) (PFCs) / * (ODS) ( ) (Hg 0 ) # # UV * * / * * # 12
13 Plasma Reactors 13
14 1. (electron beam, E-beam) 2. (corona discharge) 3. (dielectric barrier discharge, DBD) 14
15 (e-beam) X-ray
16 X Y 16
17 (corona discharge) 1980 (pulsed corona discharge) 2000 NO x SO x 17
18 18
19 (dielectric barrier discharge, DBD) DBD 19
20 DBD DBD 2. DBD
21 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (a) (b) (c) (d) (e) (f) 21
22 22
23 NO X SO X NO x NO NO 2 NO 2 HNO x NO 2 HNO x NH 3 NH 4 NO 3(s) (ESPBag-House) 23
24 NO x NO NO, NO2 conc. (ppm) (2). (3~8%) 1.0E E E E-02 (1). NO NO 2 NO>90% NO NO 2 1.0E Temp. (K ) 24
25 NO X SO X NOxSOx 1 NH 3 NH 3 25
26 NO X SO X NOxSOx 2 NTP Hg 0 An integrated air pollution control technology named ECO system is currently in field demonstration testing in a 1-2 MW slipstream unit at FirstEnergy's R.E. Burger Plant since February It achieves great reductions in four primary air pollutants of concern from coal-fired power plants, specifically 98% reduction of sulfur dioxide (SO 2 ) emissions, 90% of nitrogen oxide (NO x ) emissions, 80-90% of mercury (Hg) emissions, and 95% of fine particulate matter (PM2.5) emissions. 26
27 Simultaneous Removal of NO/NO /SO from Gas Streams 2 2 by Combined Plasma Scrubbing (CPS) Technology Chang M.B., Lee H.M., Wu F.L., and Lai C.R. "Simultaneous Removal of NO/NO 2 /SO 2 from Gas Streams by Combined Plasma Scrubbing Technology," Journal of Air & Waste Management Association (2004). (accepted for publication)
28 Illustration of NO x /SO 2 removals with CPS t dry gas streams NO + SO 2 N 2 NO 2 /HNO 3 SO 2 /H 2 SO 4 NO O NO 2 NO O 3 NO 2 O 2 NO OH HNO 2 NO 2 OH HNO 3 NO N N 2 + O Additive Plasmas NO 2 + SO 2 wet gas streams NaS 2 /Na 2 SO 3 Na 2 SO 4 absorbers residuals Scrubber NO 2 NO 2(aq) Exhaust NO 2(aq) + 2Na 2 SO 3(aq) 1/2 N 2 + 2Na 2 SO 4(aq 2 NO 2(aq) Na 2 S N 2 Na 2 SO 4 SO 2 SO 2(aq) SO 2(aq) + Na 2 SO 3(aq) + H 2 O 2 NaHSO 3(aq) HNO 2 HNO 2(aq) HNO 3 HNO 3(aq) HSO 3 HSO 3(aq) H 2 SO 4 H 2 SO 4(aq)
29 Treatment of diesel exhaust with CPS. Exhaust High-Voltage ac Power Supply Power Meter A Oscilloscope V A side flow of 3.5 lpm was pumped into the CPS system. Pump Rotameter Compositions of diesel exhaust were: 17.6% O 2, 64 ppm NO, 18 ppm NO 2, 385 ppm CO, 11 ppm SO 2, and 1.9% H 2 O (g). DBD Exhaust Gas Analyzers FT-IR Testo-350 Wet Scrubbing Combined Plasma Scrubbing (CPS) Diesel Engine The diesel generator tested was a four-cylinder engine with a compression ratio of 16 and electric power output of 37.5 kw.
30 Treatment of diesel exhaust with CPS. ependence of NO, NO 2, NO x and SO 2 concentrations on applied voltage DBDs only CPS system Concentrations (ppmv) NOx NO NO2 HNOx SO2 Concentrations (ppmv) NOx NO NO2 HNOx SO Applied voltage (kv) Applied voltage (kv) EXPERIMENT: The tested diesel generator (Perkins Series) was a four-cylinder engine with a compression ratio of 16 and electric power output of 37.5 kw. Typical compositions of its exhaust were 17.6% O 2, 64 ppm NO, 18 ppm NO 2, 385 ppm CO, 11 ppm SO 2 and 1.9% H 2 O (g). A side flow of 3.5 lpm was pumped into the CPS system.
31 A (1) NH 3 ) B (2) NH 3 ) C (1) D (2) NH 3 ) NH 3 ) smaller space needed. 31
32 Destruction of VOCs and PFCs with Nonthermal Plasma Technologies Lee, H.M. and Chang, M.B., "Destruction of VOCs via Silent Discharge Plasmas," Chemical Engineering and Technology, 21(12), (1998). Lee H.M. and Chang M.B., "Gas-Phase Removal of Acetaldehyde via Packed-Bed Dielectric Barrier Discharge Reactor," Plasma Chemistry and Plasma Processing, 21(3), (2001). Lee H.M. and Chang M.B., "Removal of Gaseous Acetaldehyde via a Silent Discharge Reactor Packed with Al 2 O 3 Beads," Journal of Advanced Oxidation Technologies, 6(1), (2003). Lee H.M. and Chang M.B. "Abatement of Gas-phase p-xylene via Dielectric Barrier Discharges," Plasma Chemistry and Plasma Processing, 23(3), (2003).
33 33
34 VOCs & PFCs Global warming PFCs, CH 4 Ozone depletion CFCs, Halons Building & Material Human health 34
35 VOCs & PFCs Main Mechanisms for VOC Removals VOCs + (e, ion, O, OH, HO 2, O 3 ) CO 2 + H 2 O Main Mechanisms for PFC Removals PFCs + (e, ion) C-F fragments C-F fragments + (O, OH, HO 2, O 3 ) CO 2 + HF/F 2 + H 2 O C-F fragments + C-F fragments PFCs 35
36 VOCs VOCs + (e, ion, O, OH, HO 2, O 3 ) CO 2 + H 2 O (g) 1. CO and/or HCs 1. E/N 2. NO x and/or PMs 2. E/N
37 Effect of Additives O 2 H 2 O Removal Efficiency (%) kv 22 kv 20 kv 18 kv 16 kv 14 kv Removal Efficiency (%) kv 16 kv 13 kv Oxygen (%) H 2 O concentration (%) as streams contained 500 ppmv p-xylene, selected xygen concentrations and balanced N 2 with a total as flow rate of 0.5 slpm. Gas streams contained 500 ppmv p-xylene and selected water vapor concentrations in N 2 with a total gas flow rate of 1.0 slpm. Lee H.M. and Chang M.B. "Abatement of Gas-phase p-xylene via Dielectric Barrier Discharges," Plasma Chemistry and Plasma Processing, 23(3), (2003). 37
38 Removal Efficiency (%) Applied Voltage (kv) Removal Efficiency (%) Applied Voltage (kv) 5 mm Al 2 O 3 5 mm glass non-packed 5 mm Al 2 O 3 3 mm Al 2 O 3 2 mm Al 2 O 3 Enhancing E e by Packing Dielectric Materials within DBD Conditions: [CH 3 CHO]=1000 ppmv [O 2 ]=5% N 2 as carrier gas T = 303 K Q 1.0 splm Lee H.M. and Chang M.B., "Removal of Gaseous Acetaldehyde via a Silent Discharge Reactor Packed with Al 2 O 3 Beads," Journal of Advanced Oxidation Technologies, 6(1), (2003). 38
39 . VOCs
40 40
41 (Gas) [] (Atmospheric Lifetime) (GWP 100 ) CO CH 4 12±3 21 N 2 O HFC-23 (CHF 3 ) ,700 HFC HFC ,800 HFC ,300 HFC ,800 PFCs HFC HFC ,900 HFC ,300 HFC ,300 CF 4 50,000 6,500 C 2 F 6 10,000 9,200 C 4 F 10 2,600 7,000 C 6 F 14 3,200 7,400 SF 6 3,200 23,900 GHG Greenhouse Gases 41
42 PFCs PFCs + (e, ion) C-F fragments C-F fragments + (O, OH, HO 2, O 3 ) CO 2 + HF/F 2 + H 2 O C-F fragments + C-F fragments PFCs E/NInert gases 2. Additives 3. Combined Plasma Catalysis, CPC 42
43 PFCs (Point-of-Use, POU) (End-of-Pipe) Deposition! 43
44 Enhancing PFC Abatement by Catalysts --- Combined Plasma Catalysis (CPC) 44
45 Combined Plasma Catalysis (CPC) influent dielectric outer electrode teflon inner electrode packed materials effluent Combined Plasma Catalysis, CPC Cu/Zn Catalyst Chemical Compositions (wt.%) CuO 64 ZnO 24 Al 2 O 3 10 MgO 2 45
46 CF 4 Abatement by Catalysis, DBD, and CPC 70 CF4 Abatement (%) Catalysis DBD CPC only only The inlet gas streams contain 300 ppm CF 4, 40% Ar, 20% O 2, and N 2 as balance. The gas flow rate is kept at 600 sccm. For CPC and DBD, applied voltage and frequency are 15 kv and 240 Hz, respectively. hang M.B. and Lee H.M. "Abatement of Perfluorocarbons with Combined Plasma Catalysis in Atmospheric-Pressure Environment," Catalysis Today, 89, , (200 46
47 Abatement of PFCs with Combined Plasma Catalysis (CPC) 100 PFC Abatement (%) NF3 3 SF6 6 C2F6 2 F 6 CF Applied Frequency (Hz) The inlet gas streams contain 300 ppm PFCs, 40% Ar, 20% O 2, and balanced N 2. The gas flow rate is kept at 600 sccm. The applied voltage is kept at 15 kv. hang M.B. and Lee H.M. "Abatement of Perfluorocarbons with Combined Plasma Catalysis in Atmospheric-Pressure Environment," Catalysis Today, 89, , (200 47
48 Products Selectivity for PFC Abatements by DBD and CPC CF 4 C 2 F DBD CPC (a) 100 DBD CPC (b) Selectivity (%) Selectivity (%) CO2 2 CO COF2 2 CF4 4 0 CO2 2 CO COF2 2 CF4 4 The inlet gas streams contain 300 ppm CF 4 or C 2 F 6, 40% Ar, 20% O 2, and balanced N 2. The gas flow rate is kept at 600 sccm. The applied voltage and frequency are kept at 21 kv and 60 Hz, respectively. hang M.B. and Lee H.M. "Abatement of Perfluorocarbons with Combined Plasma Catalysis in Atmospheric-Pressure Environment," Catalysis Today, 89, , (200 48
49 49
50 Dioxins the highest toxicant Introduction: Dioxins the highest toxicant dioxin formation potential in flue gas NTPs <200 o C dioxin formation temperature window 250~450 o C T ( o C) Close to the typical operation temperature of SCR. Catalysis working at low T might avoid dioxin formation. 50
51 Gas-phase Dioxin Control Technologies Traditional Fast quenching DSI + FF Adsorption bed Catalysis Novel Non-thermal plasmas UV/TiO 2 Low-temp. catalysis Inhibitors How about a technology combining them together? 51
52 Introduction: Combined Plasma Catalysis (CPC) Plasmas Catalysts High Efficiency Low Temp. CPC High Selectivity Middle Temp. high efficiency, high selectivity, low temperature high efficiency, high selectivity, low temperature...
53 CPC Reactors influent dielectric outer electrode teflon inner electrode influent dielectric outer electrode teflon inner electrode effluent Dielectric Barrier Discharge, DBD packed materials effluent Combined Plasma Catalysis, CPC TiO 2 Catalyst Chemical Compositons (wt.%) Al 2 O 3 88 TiO 2 12 Cu/Zn Catalyst Chemical Compositions (wt.%) CuO 64 ZnO 24 Al 2 O 3 10 MgO 2 53
54 Process / Sampling Location Demonstration Pilot Test Position Stack sampling point SCR inlet S li i 54
55 Experimental Conditions the flue gas characteristics the CPC characteristics Sampling Location between ESP & SCR Temperature () 100±3 CO 2 (%) 5.1 O 2 (%) 15.5 H 2 O (g) (%) 12.9 Particulate matters (mg/nm 3 ) 19.7 Diameter of Inner Electrode Dielectric Thickness Dielectric Material Discharge Gap Discharge Length Gas Temp. Gas Flow Rate Mass of Weight Voltage Frequency 0.6 cm 0.2 cm quartz 1 cm 20 cm C 10 LPM Cu/Zn 15 g TiO 2 25 g 15 kv 60 Hz 55
56 PCDD/F Congener Removal TiO2 catalyst Cu/Zn catalyst 56 1,2,3,7,8-PeCDD 1,2,3,4,7,8-HxCDD 1,2,3,6,7,8-HxCDD 1,2,3,7,8,9-HxCDD 1,2,3,4,6,7,8-HpCDD OCDD 2,3,7,8-TCDF 1,2,3,7,8-PeCDF 2,3,4,7,8-PeCDF 1,2,3,4,7,8,-HxCDF 1,2,3,6,7,8-HxCDF 1,2,3,7,8,9-HxCDF 2,3,4,6,7,8-HxCDF 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF 1,2,3,4,7,8,9-HpCDF 2,3,7,8-TCDD OCDF Removal Efficiency (%)
57 Comparison of Dioxin Removals with CPC and Catalysis PCDDs 2,3,7,8-TeCDD 1 1,2,3,7,8-PeCDD 0.5 1,2,3,4,7,8-HxCDD 0.1 1,2,3,6,7,8-HxCDD 0.1 1,2,3,7,8,9-HxCDD 0.1 1,2,3,4,6,7,8-HpCDD 0.01 OCDD PCDFs 2,3,7,8-TeCDF 0.1 1,2,3,7,8-PeCDF ,3,4,7,8-PeCDF 0.5 1,2,3,4,7,8-HxCDF 0.1 1,2,3,6,7,8-HxCDF 0.1 1,2,3,7,8,9-HxCDF 0.1 2,3,4,6,7,8-HxCDF 0.1 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF ,2,3,4,7,8,9-HpCDF 0.01 OCDF PCDD/F removal efficiency (%) CPC Catalysis 2,3,7,8-TeCDD 1,2,3,7,8-PeCDD 1,2,3,4,7,8-HxCDD 1,2,3,6,7,8-HxCDD 1,2,3,7,8,9-HxCDD,2,3,4,6,7,8-HpCDD OCDD 2,3,7,8-TeCDF 1,2,3,7,8-PeCDF 2,3,4,7,8-PeCDF 1,2,3,4,7,8-HxCDF 1,2,3,6,7,8-HxCDF 1,2,3,7,8,9-HxCDF 2,3,4,6,7,8-HxCDF CPC (TiO2 catalyst) CPC (Cu/Zn catalyst) Catalysis (Ti/V/W) 57 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF 1,2,3,4,7,8,9-HpCDF OCDF
58 Comparison of Dioxin Removals with CPC and Catalysis Trend for Catalysis Removal Efficiency Trend for CPC Trend for Dioxin TEFs lowly chloridated highly chloridated Dioxin Congeners 58
59 PCB Congener Removal CPC (TiO2 catalyst) CPC (Cu/Zn catalyst) ,3,4,4 -TCB # 77 3,4,4,5-TCB # 81 2,3,3,4,4 -PeCB # 105 2,3,4,4,5-PeCB # 114 2,3,4,4,5-PeCB # 118 2,3,4,4,5-PeCB # 123 3,3,4,4,5-PeCB # 126 2,3,3,4,4,5-HxCB # 156 2,3,3,4,4,5 -HxCB # 157 3,3,4,4,5,5 -HxCB # 169 2,3,4,4,5,5 -HxCB # 167 2,3,3,4,4,5,5 -HpCB # 189 Removal Efficiency (%) Removal Efficiency (%)
60 Summary of Simultaneous Removal of Dioxins & PCBs 100 De-PCDD/Fs De-PCBs Removal Efficiency (%) > 90% can be achieved!!! CPC (TiO2 catalyst) CPC (Cu/Zn catalyst) 60
61 61
62 SO 2 /NO x Electron Beam (EB) 62
63 E-beam Results of Industrial Pilot Plants 63
64 ( 1998) 64
65 ( 1999) (Mok et al., 1999) NH 3 HCs +DCHV -DCHV (Corona (EP) Discharge) De-SOx > 90% NOx 65
66 SO 2 /NO x --Korea 66
67 SO 2 /NO x --Korea 67
68 SO 2 /NO x --Korea Without C 2 H 4 With C 2 H ppm 68
69 --ECO 69
70 --ECO 70
71 --ECO 71
72 --ECO 72
73 73
74 NO 2 HC N 2 CO 2 NOHC NO 2 HC NO NO 2 HC HC + HC NO 2 + HC N 2 + CO 2 + H 2 O (g) 74
75 (conti.) (CPC) / Combined Plasma Catalysis 75
76 de-nox ( ) Item Value Unit Configuration Conversion (%) NO 260 ppm Plasma 26 CO 400 ppm Plasma+Cu-ZSM 5 H ppm Plasma+"A" 50 Ar 1 % Plasma+"A"+Cu-ZSM 46 O 2 8 % CO 2 7 % C 3 H ppm C 3 H ppm H 2 O 7 % N 2 balance Temperature 180 Flow Rate 2 slpm Specific Energy 30 J/L DBD test device of Ford Motor Co. The device consists of a pair of alumina plates, 18 mm wide by 90 mm long. Gap = 1.3 mm. Catalyst materials have been coated on cordierite monoliths placed downstream of the plasma device. Two proprietary catalysts are used: Cu-ZSM is a copper zeolite formulation provided by a catalyst supplier. Test piece is 25 mm long by 25 mm diameter. A is a proprietary catalyst formulation developed by the CRADA partners. Two pieces used are 25 mm long by 25 mm diameter. 76
77 de-nox ( ) Source: SEMATECH,
78 A lean, low-emission machine Delphi Automotive of Troy, Mich., and Pacific Northwest National Laboratory have teamed to develop a new technology that greatly reduces emissions from lean-burn engines, such as diesels. Their durable, compact and energy-efficient technology can be incorporated into a vehicle s existing exhaust system to break apart and convert environmentally harmful oxides-of-nitrogen (NO x ) and particulate matter in auto emissions, to nitrogen, water and carbon dioxide. Initial tests of this nonthermal plasma (NTP) and selective catalytic reduction (SCR) technology on a diesel engine showed a reduction of NO x by 55% without the need to add hydrocarbons to the exhaust. This technology received the Financial Times Global Automotive Award in late 1999 as a technical development with the greatest potential to improve efficiency, safety, comfort, environmental performance or cost structure of motor vehicles and their associated services. 78
79 NOxSOx VOCs 79
80 80
以低溫電漿技術處理空氣污染物現況評析
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