气体参数对介质阻挡放电脱除NO的影响研究

气体参数对介质阻挡放电脱除NO的影响研究1、引言随着我国经济的飞速发展，对能源的消耗也在逐年增加。我国一次能源主要以煤炭为主，超过一半以上的煤炭用于火力发电。我国的电力装机容量从1978年的5712万千瓦增加到2009年底的8.6亿千瓦，高居世界第二，年投产装机容量居世界第一。煤燃烧会产生大量的污染物，包括可吸入颗粒物、SO2、氮氧化物（NOx）、CO、挥发性有机物、重金属等。NOx是大气中的主要污染物之一，会导致酸雨和光化学烟雾等污染，对环境和人类健康造成严重危害。目前应用最多脱硝技术是分别是选择性催化还原方法（SCR）。相对于传统方法，低温等离子体法因其具有运行费用低、占地面积小、无二次污染、能同时脱除多种污染物等优点而成为研究热点。通常认为低温等离子体中氮氧化物脱除的主要途径是：（1）电子离解氮气生成还原性物质比如N原子，进而把NO还原成N2[1]。介质阻挡放电方法（DBD）[2-4]是在放电空间中插入绝缘介质从而得到均匀、漫散、稳定的一种非平衡放电，是常温常压下产生低温等离子体的主要途径之一。国内外对DBD反应器已经进行了大量有益的研究。JeongHoonByeon[5]等人利用自制的DBD反应器进行甲苯脱除实验，结果表明：在给定的参数范围内，甲苯的脱除效率随着电压（频率在1KHz）和频率的升高（电压在8.5kV）而提高。美国的Powerspan公司设计的电催化氧化（ECO）方法以介质阻挡放电作为主要的工艺技术，可以同时脱除多种污染物，其中对SO2和NOx的脱除率分别达到98%和90%[6]。牛金海[7]等人将In/HZSM-5催化剂填充于介质阻挡放电反应器中，考察了甲烷参与下NOx的脱除及其脱除产物。结果表明，在200℃-350℃间，等离子体与催化剂共同作用时NOx的转化率明显高于等离子体或催化剂单独作用时NOx的转化率。气体温度是放电气体中的一个重要参数，在不同的等离子体应用中，气体温度也各不相同。而处理气体流量过低则是制约等离子体工业化应用的一大限制。本文通过实验来研究气体温度和气体流量对DBD脱除NO的影响。2、实验装置实验系统如图1所示。1、2、3、4号气瓶中分别装有NO、SO2、O2、N2。气瓶中的气体经过减压阀后通过转子流量计来得到气体反应所需的浓度，若在实验中需要H2O时，则通过水浴加湿器获到常温常压下的H2O含量，如果不需要H2O参加反应时，则使气体通过干燥剂从而脱除气体中携带的H2O。将各种气体成分通入混气瓶混合得到模拟烟气。混气瓶与DBD反应器相连，使得烟气通入反应器，在外加电压作用下，在放电间隙中产生等离子体与烟气中的SO2和NO反应，反应后的烟气经过尾气处理后排到大气中。本实验使用的高压电源电压调节范围为0-30kV，频率是0-20kHz,中心频率为10kHz。实验中的电流电压波形采用数字示波器（Tektronix，TDS2024）记录。利用Q-V李萨如图测得反应功率。DBD反应器使用的是定制的柱筒式等离子体反应器。中心不锈钢低压电极直径为34mm。电极采用的是齿状管，齿高1mm，齿宽2mm，介质管采用厚度为2mm的刚玉，直径为40mm，长度为500mm。高压电极则是紧贴在管外的长度为300mm的不锈钢网。采用德国的Testo公司生产的350Pro型烟气分析仪对进出口的烟气进行在线测量，可以直接在显示面板上得到NO、NO2、SO2等的浓度。1—NO气瓶；2—SO2气瓶；3—O2气瓶；4—N2气瓶；5—减压阀；6—流量计；7—截止阀；8—干燥器；9—水浴加湿；10—混气瓶；11—取样；12—DBD反应器；13—高压电源；14—数字示波器；15—温度控制器；16—烟气分析仪；17—尾气处理。图1实验装置示意图[8]将NO的脱除率定义为：η=（Cin-Cout）/Cin×100%(1)其中，η-脱除率，Cin-进口浓度（μL/L），Cout-出口浓度(μL/L)。输入能流密度定义为：ε=P/V(2)其中，ε-能流密度（J/L），P-输入功率(J/s)，V-气体流量(L/s)。气体在反应器的停留时间为：T=L*A/V(3)其中，L-反应器长度（cm），A-反应器放电空间横截面积(cm2)，V-气体流量(cm3/s)。纯NO脱除量为:CNO=η*Cin*V(4)其中，η-脱除率，Cin-进口浓度（μL/L），V-气体流量(L/min)。3实验结果3.1气温对NO脱除率的影响在大气压力下，采用2L/min流量的SO2/NO/N2混合气体，通过转子流量计控制各种气体浓度，其中，SO2浓度为800ppm，NO浓度为500ppm,其余为氮气。通过温度控制器控制温度在100℃和130℃两种工况。通过变压器改变电压值。通过李萨如法测得放电功率。放电功率随着放电电压升高而增加。当放电电压为5.28kV时，放电功率为90W，当放电电压为7.12kV时，放电功率为130W。如图2所示：5612712348101113141516179图2100℃下放电功率随放电电压的变化由图2可得，放电功率与放电电压不存在一个简单的线性关系。在这两种工况下，NO脱除率随着放电电压的升高而增加。气体温度为100℃时，当放电电压为5.28kV时，NO脱除率为11.11%，当放电电压为7.12kV时，NO脱除率达到90.94%。气体温度为130℃时，当放电电压为5.35kV时，NO脱除率为24.26%，当放电电压为6.64kV时，NO脱除率达到了62.24%。如图3所示：图3不同温度下，放电电压对NO脱除率的影响由图3可以得出以下结论：随着放电电压升高，NO的脱除率会升高。在放电电压相同的情况下，对比两个工况：当放电电压较小时，高气温下NO脱除效率高于低气温下NO脱除率；而当放电电压较大时，情况恰好相反。3.2气体流量对NO脱除率的影响。固定反应器输入参数，其中输入功率32.5W，电源电流0.26A，采用NO/N2/Ar混合气体，其中NO浓度2000ppm，Ar浓度5%。改变气体流量以考察流量对NO脱除率的影响。利用公式（3），已知气体流量、反应器长度和反应器放电间隙横截面积，容易得到气体在反应器的停留时间T。当气体流量为2.4L/min（即气体停留时间为1.973s）时，NO脱除率为86.5%。当气体流量为1.4L/min（即气体停留时间为3.383s）时，NO脱除率为98.2%。如图4所示：图4气体停留时间对NO脱除率的影响由图4可知，气体停留时间越长，则NO脱除率越高。由于在本组实验中，输入功率保持不变，所以由公式（2）和（3）可知：气体停留时间与输入能流密度成正比。即气体停留时间越长，输入能流密度越大，NO脱除效率越高。利用公式（4），容易得到在1min内，当气体流量改变时，脱除的纯NO的体积。当气体流量为1.4L时，纯NO的脱除量为2.750mL；当气体流量为2.4L时，纯NO的脱除量为4.152mL。如图5所示：图5不同气体流量下纯NO的脱除量由图5可知，在实验的气体流量范围内，气体流量与纯NO脱除量成近似线性关系。因此，该反应器还可以处理更大流量的烟气。4.分析与讨论文献[9-10]给出了低温等离子体去除NO的主要反应机理：e+N2→N+N+e(5)N+NO→N2+O(6)O+NO+M→NO2+M(7)（6）式中的M可以是氮气或者器壁等[11]。在低温等离子体脱除NO的过程中，首先进行的是高能电子与氮气分子发生非弹性碰撞，生成化学活性极强的N原子。N原子使NO还原成N2，从而去除了烟气中的NO。由于本实验是在还原气氛下进行，所以（7）式的作用可以忽略不计。由上述分析可知，生成高能电子数越多，越有利于NO的脱除。对于实验3.1，当放电电压越高，NO脱除率升高。这是因为放电电压升高，能有效延长放电时间，产生更多的高能电子跟NO反应。在3.1实验中，还发现温度较高时，NO脱除率曲线较为平缓，如：在初始放电时，130℃时的脱除率高于100℃时的脱除率，而在放电电压较高时，则刚好相反。这是因为：在放电气体中的电子存在着扩散运动和迁移运动，扩散运动是粒子无规则的热运动引起的，跟温度有关；而迁移运动则是带电粒子在电场力作用下所发生的运动。所以出现上述现象的可能原因是：在放电初始阶段，温度较高时，气体中的自由电子的平均动能更大，因此，高能电子的数量会相应的增多。电子在电场作用下发生迁移，与更多的氮气分子发生碰撞，从而产生更多地活性氮原子与NO反应，使得NO脱除率提高。而当放电电压较高时，温度越高，电子的扩散运动越强，对电子碰撞电离过程有一定的限制作用，总的来说，温度对于气体放电有两个作用：（1）由于温度较高，使得电子平均动能增大，得到高能电子的几率增加，从而有利于NO脱除；（2）由于温度较高，无规则的电子的扩散作用增强，对于电子的定向迁移产生的碰撞电离有限制作用，不利于NO的脱除。在3.2实验中，利用公式（3），得出了气体流量与反应器停留时间的对应关系。且由于在本实验中，输入功率保持不变，所以，由公式（2）和（3）可得：能流密度与气体停留时间成正比。气体停留时间越长，也就是注入的能流密度越高，则NO脱除率越高。而单位体积注入的能量越多，则能产生更多的活性基分子，有利于NO的脱除。但停留时间也不是越长越好。在给定的反应器下，当输入功率不变时，气体停留时间越长，则消耗的能量越多，而且停留时间越长，说明气体的流量越少，处理的烟气量减小，不利于工业化应用。5.结论在低温等离子体脱除NO的过程中，生成高能电子数越多，通过电子碰撞电离得到的活性基分子越多，对NO的脱除越有利。（1）气体温度对于介质阻挡放电脱除NO有一定的影响。在放电初期，高温对NO的脱除有促进作用。而随着放电电压升高到一定阶段后，高温会限制等离子体对NO的脱除。（2）在给定的反应器条件下，应有一个合适的流量值区间。当流量太小时，则消耗的能量过多，且处理的烟气量太少；而当流量太大时，则使得NO的脱除率过低，达不到有效脱除污染物的效果。在本实验3.2中，可以处理的气体流量大于2.4L/min。