郭若軍 依成武 王慧娟 徐欣 彭鴻彬

摘 要：針對(duì)目前低溫等離子體技術(shù)煙氣脫硝效率低的問(wèn)題，采用O3協(xié)同強(qiáng)電離放電的方法進(jìn)行了模擬煙氣中NOx的脫除研究，考察了外加電壓、初始濃度、氧含量、含水率等參數(shù)對(duì)脫硝效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著外加電壓的升高，脫硝效率先增加再降低，在2.4kV左右達(dá)最高值；隨著初始濃度的增加，脫硝效率逐漸降低；隨著含氧量的增加，脫硝效率先增加再降低，在含氧量1.6%左右達(dá)到最高效率；隨著含水率的增加，脫硝效率呈上升趨勢(shì)；模擬煙氣總流量為4L/min，含水率和含氧量分別為2.2%和20%，O3濃度為186ppm，NOX初始濃度為300ppm，外加電壓為2.4kV時(shí)，脫硝效率最高可達(dá)90%以上。

關(guān)鍵詞：臭氧；強(qiáng)電離放電；脫硝；氧活性粒子

1.引言

近年來(lái)，大氣污染物的排放日益嚴(yán)重，其中作為主要污染物之一的NOx，不僅會(huì)導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧，還危害著人類的健康[1]。我國(guó)新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB-13223-2011）中嚴(yán)格規(guī)定NOX的排放要求控制在100mg/m3以下[2]。這使得很多火力發(fā)電廠和企業(yè)的NOX排放達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，因此必須在理論和技術(shù)上加大研究，力爭(zhēng)取得新的突破。目前煙氣脫硝技術(shù)主要包括選擇性催化還原（SCR）、非選擇性催化還原（NSCR）和選擇性非催化還原法（SNCR），但其存在還原劑易泄露、二次污染以及催化劑易中毒失活等缺點(diǎn)。近年來(lái)，低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于煙氣治理領(lǐng)域逐漸引起科研人員的關(guān)注。該方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理效率高、投資少、占地面積小以及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的應(yīng)用前景和巨大的潛力[3]。本文采用強(qiáng)電離放電法制取高級(jí)氧化劑O3并將其與模擬煙氣混合通入等離子體反應(yīng)器，在 O3與強(qiáng)電離放電產(chǎn)生的活性粒子的協(xié)同作用下進(jìn)行NOx的氧化脫除，產(chǎn)生資源化的HNO3。通過(guò)試驗(yàn)確定了臭氧協(xié)同強(qiáng)電離放電脫硝的重要影響因素，并結(jié)合機(jī)理分析了外加電壓、初始濃度、氧含量、水含量對(duì)脫硝效果的影響。

2.實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

臭氧協(xié)同強(qiáng)電離放電脫除NOx試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 臭氧協(xié)同強(qiáng)電離放電脫硫脫硝試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)采用一套強(qiáng)電離放電等離子體資源化模擬煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行NOx的脫除，通過(guò)減壓閥和氣體流量計(jì)控制模擬煙氣流量配比（控制模擬煙氣總流量為4L/min），模擬煙氣在煙道中充分混合。強(qiáng)電離放電生成的大量高能電子通過(guò)非彈性碰撞將能量（平均高達(dá)10eV以上）傳遞給氣體分子，使氣體分子激發(fā)解離生成O（3P）、O（1D）、N、N2（A）、N（2D）、·OH等活性粒子，這些活性粒子與氣體中的NOX發(fā)生反應(yīng)生成HNO3。反應(yīng)后的酸霧通過(guò)產(chǎn)物收集裝置冷凝收集，試驗(yàn)過(guò)程中的尾氣經(jīng)堿液吸收后排到室外。

2.2 分析測(cè)量?jī)x器

本試驗(yàn)所使用的主要分析測(cè)量?jī)x器主要為：NOVA5003-S型便攜式綜合煙氣分析儀；CENTER314型手持式溫濕度儀；KZ810型溫度控制儀；Q3型電壓表等。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1外加電壓對(duì)脫硝效率的影響

模擬煙氣總流量為4L/min，其中O2、H2O的體積濃度分別為20.9%、1.8%，O3的體積濃度為186×10-6（V/V），NO初始濃度控制在426×10-6（V/V）～435×10-6（V/V），其余氣體為N2。煙氣溫度控制在30℃，放電頻率設(shè)置為5.15kHz，不同外加電壓對(duì)脫硫效率的影響如圖2所示。

從圖中可以看出，不同初始濃度條件下，脫硝率隨外加電壓的變化趨勢(shì)是完全相同的，且O3協(xié)同強(qiáng)電離放電脫硝效率隨著反應(yīng)器外加電壓的增加先增加再降低。由于N2、O2、H2O氣體分子與高能電子碰撞激發(fā)所需要的能量依次降低，當(dāng)外加電壓在1.8kV至2.4kV之間時(shí)，強(qiáng)電離放電電場(chǎng)加速的電子能量不夠高，還不足以大量離解N2分子。此時(shí)，隨著外加電壓的增加，高能電子濃度不斷增加， H2O、O2分子被離解生成·OH、O等氧活性粒子，加劇了NO的氧化脫除，脫硝效率提高。當(dāng)繼續(xù)提高外加電壓，超過(guò)2.4kV后強(qiáng)電離放電電場(chǎng)內(nèi)高能電子的能量增加，越來(lái)越多的N2分子被離解、電離產(chǎn)生N、N（2D）、N2（A）等。但由于反應(yīng)器內(nèi)含有大量的·OH、O等氧活性粒子，他們會(huì)迅速與N、N（2D）、N2（A）發(fā)生反應(yīng)生成NOX[4]。

圖2 外加電壓對(duì)脫硝率的影響 圖3 NO初始濃度對(duì)脫硝率的影響

3.2 NO初始濃度對(duì)脫硝效率的影響

模擬煙氣總流量為4L/min，其中O2、H2O的體積濃度分別為21.1%、1.8%，O3的體積濃度為186×10-6（V/V），其余氣體為N2。煙氣溫度控制在30℃，放電頻率設(shè)置為5.15kHz，NO初始濃度控制在300×10-6（V/V）～800×10-6（V/V）范圍內(nèi)，當(dāng)外加電壓分別為2.4kV時(shí)，NO初始濃度對(duì)脫硝效率的影響如圖3所示。從圖中可以看出，隨NO初始濃度的增大，NO脫除量的大小符合一元二次多項(xiàng)式。當(dāng)NO初始濃度較小時(shí)，NO脫除量隨其初始濃度的增加而增加，當(dāng)NO初始濃度達(dá)到500ppm左右時(shí)，NO脫除量約為315ppm，此時(shí)NO的脫除量已接近飽和。因?yàn)楫?dāng)氣體濃度很高時(shí)，放電電場(chǎng)被極限加強(qiáng)，在同一外加電壓下，輸入的能量達(dá)到了飽和，因而高能電子所產(chǎn)生的？OH等氧活性粒子數(shù)量就不再增加，NO脫除率會(huì)不斷下降。所以當(dāng)外加電壓設(shè)為2.4kV，O3濃度為186ppm，含水率控制在2.2%左右含氧率控制在20%左右時(shí)，臭氧協(xié)同脫硝效果較優(yōu)，對(duì)于NOX初始濃度400ppm左右時(shí)，脫除效率可達(dá)80%以上。

3.3含水率對(duì)脫硝效率的影響

模擬煙氣總流量為4L/min，其中O2的體積濃度為20.9%，O3的體積濃度為186×10-6（V/V），NO初始濃度控制在426×10-6（V/V）～435×10-6（V/V），其余氣體為N2。煙氣溫度控制在30℃，放電頻率為5.15kHz，當(dāng)外加電壓為3.2kV時(shí)，不同含水率對(duì)脫硝效率的影響如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)含水率小于1.6%時(shí)，脫硝效率隨著含水率的增加而減少，這是因?yàn)楫?dāng)含水率小于1.6%時(shí)，主要通過(guò)反應(yīng)器產(chǎn)生大量高能電子把N2離解、電離，產(chǎn)生大量N等還原性粒子，脫硝效果以還原為主[5]。

因此，將含水率控制在2.0%～2.4%之間可獲得較好的脫除效率，同時(shí)可防止強(qiáng)電離放電區(qū)域濕度過(guò)高導(dǎo)致反應(yīng)器擊穿或短路，有助于延長(zhǎng)反應(yīng)器的使用壽命。

3.4含氧量對(duì)脫硝效率的影響

模擬煙氣總流量為4L/min，其中H2O的體積濃度為1.8%，O3的體積濃度為186×10-6（V/V），NO初始濃度控制在245×10-6（V/V）～255×10-6（V/V），其余氣體為N2。煙氣溫度控制在30℃，放電頻率為5.15kHz，當(dāng)外加電壓分別為2.4kV、2.8kV和3.2kV時(shí)，不同含氧量對(duì)脫硝效率的影響如圖5所示。從圖中可以看出，不同外加電壓條件下脫硝率隨含氧量的變化趨勢(shì)是完全相同的。由于臭氧的存在，盡管含氧量為0，放電依然會(huì)產(chǎn)生一定量的氧活性粒子，反應(yīng)體系中仍是氧化性脫除占主導(dǎo)，使得NO被氧化成NO2、NO3等，最終轉(zhuǎn)化為HNO3。

結(jié)論

（1）采用臭氧協(xié)同強(qiáng)電離放電產(chǎn)生高濃度活性粒子，整個(gè)脫除過(guò)程以氧化反應(yīng)為主，大大提高NOx的脫除效率。有效解決了常規(guī)等離子體放電法存在的電子能量低、投資費(fèi)用大以及脫除效率低等問(wèn)題。

（2）在最佳試驗(yàn)條件下：當(dāng)模擬煙氣總流量為4L/min，含水率控制在2.2%左右，含氧率控制在20%左右，O3濃度為186ppm，NOX初始濃度300ppm，其余氣體為N2，外加電壓設(shè)為2.4kV時(shí)，脫硝效率最高可達(dá)90%以上。

（3）臭氧協(xié)同強(qiáng)電離放電試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的活性粒子濃度高、氧化性極強(qiáng)。因此本研究具有資源化、綠色無(wú)污染、高效率等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] Moreno Saavedra H， Pacheco M P， Pacheco-Sotelo J O， et al. Modeling and Experimental Study on Nitric Oxide Treatment Using Dielectric Barrier Discharge[J]. Plasma Science IEEE Transactions on， 2007， 35（5）：1533-1540.

[5] Zhang L， Wang X， Lai W， et al. Removal Dynamics of Nitric Oxide （NO） Pollutant Gas by Pulse-discharged Plasma Technique.[J]. Scientific World Journal， 2014， （1）：171-192.

作者簡(jiǎn)介：

郭若軍（1976-）男，漢族，遼寧，副總經(jīng)理，黨員，高級(jí)工程師碩士，研究方向：主要從事環(huán)保能源生產(chǎn)管理和技術(shù)研究。

*項(xiàng)目：鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目-強(qiáng)電離放電羥基自由基有機(jī)廢氣防治技術(shù)應(yīng)用研究，SH2017056