介質材料對介質阻擋放電脫除NO的影響

汪 濤， 孫保民， 肖海平， 曾菊瑛， 楊 斌， 饒 甦

（1.華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京102206；2.中工國際工程股份有限公司，北京100080）

隨著現代工業的發展，電力需求量大增，火力發電依然占主導地位，但是燃煤發電產生的氮氧化物NOx嚴重危害人類的健康［1－2］.2011年最新發布的《火電廠大氣污染物排放標準》規定，燃煤鍋爐的最大NOx排放質量濃度為200mg／m3，是2003年發布標準（1 500mg／m3）的13.33%.介質阻擋放電法（DBD）作為一種等離子體技術，在脫硝領域越來越受到人們的重視［3－4］.在實際運行中，介質材料是影響DBD脫除NOx的重要因素.

梁文俊等［5］進行了有機玻璃和99陶瓷為介質層時DBD脫除甲苯的試驗，結果表明：介電常數較大的99陶瓷作為介質材料時的脫除效率更好.Golubovskii等［6］采用試驗和理論方法分析了介質材料對DBD運行的影響，結果表明：在介質層表面吸附的電荷形成場強，其方向與外加電場相反.在介質層表面電荷的影響下，介質層被極化，介電常數越大，介質層的極化程度越高，該極化減小了表面電荷形成的電場強度.介質層表面電荷形成的電場強度減小，將更有利于綜合電場強度的增大.Teranishi等［7］認為在放電階段，相同的外加電壓下，反應器的阻抗主要由介質等效電容決定，介質層介電常數越大，反應器的阻抗越小，放電電流越大.Chiper等［8］認為介質層的介電常數越大，則介質層的等效電容越大，導致放電區域的電勢增大.這些研究表明，介質材料影響DBD的放電特性，但是介質材料影響DBD脫除NO的機理尚不清楚.

本文研究重點為：（1）利用軟件模擬不同介質材料時，DBD反應器內電場強度的分布；（2）運用玻爾茲曼方程分析了不同介質材料對電子平均動能和氣體分子離解速率的影響；（3）通過試驗研究不同介質材料對DBD脫除NO的影響.

1 反應器內氣體間隙電場模擬

1.1 簡化假設

為了簡化模擬條件，進行以下假設［9］：（1）線電極上的電勢等于外加電壓；（2）反應器內氣體為氮氣，介電常數εg＝1；介質層為石英管、陶瓷管和剛玉管，介電常數分別為3.75、5.8和9.8；（3）內電極為圓柱體，表面光滑且干凈；（4）只考慮二維場的分布；（5）介質層長530mm、內徑24mm、厚2mm；（6）內電極直徑為10mm，內電極接高電壓，外電極接地，外加電壓峰值為15kV，電源頻率為10kHz.

1.2 邊界條件

由于計算區域的對稱性，僅研究如圖1所示的ABCDEF區域靜電場分布，AB、EF為氣體間隙大小lg，BC、DE 為介質層厚度ld.邊界條件如下［10］：（1）在內電極上，即AF處滿足第一類邊界條件，V＝15kV；（2）CD上滿足第一類邊界條件，V＝0；（3）AB、BC、DE、EF上滿足第二類邊界條件，?V／?n＝0；（4）BE上 滿 足 連 續 性 邊 界 條 件，

圖1 反應器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the reactor

采用二維場域的有限元方法，結合多物理場直接耦合分析軟件進行數值求解，對模擬場域進行三角形網格剖分，輸入場域的邊界條件，就可完成拉普拉斯方程的求解.

1.3 計算結果

為了研究介質材料對靜電場的影響，采用不同介電常數的介質材料進行了模擬計算.圖2為不同介質材料條件下，反應器中沿ABC方向的電場強度分布.由圖2可知，內電極表面電場強度最大，并沿著半徑ABC方向逐漸減小，且反應器中電場強度隨著介質層介電常數的增大而增大.

圖2 不同介質材料下沿半徑ABC方向的電場強度分布Fig.2 Distribution of electric field intensity along radius direction ABCwith different dielectric materials

同軸介質阻擋放電反應器中氣體間隙電場強度分布為［11］：

式中：εd和εg分別為介質和氣體的介電常數；rc為內電極半徑；rd1、rd2分別為介質管的內半徑和外半徑；U為外加電壓.

在不同介電常數條件下，根據式（1）計算所得內電極表面電場強度值和模擬值見表1，計算值與模擬值非常相近，模擬結果可信.

表1 內電極表面電場強度計算值與模擬值的比較Tab.1 Comparison of field intensity on internal electrode between calculated and simulated results

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

本試驗的系統簡圖如圖3所示.試驗氣體通過減壓閥減壓，流經質量流量控制器（MFC），混合后進入DBD反應器，反應后的氣體由堿液吸收.其中DBD反應器出口的氣體成分由煙氣分析儀在線監測，數字示波器主要用于采集放電時的李薩如圖形.

利用NO（體積分數10%，平衡氣體為N2）、高純N2（體積分數99.999%）制備成NO體積分數為5×10－4、平衡氣體為N2的試驗氣體，總氣體流量為10L／min.

試驗主機電源為反應器直接供電電源，輸出的正弦電壓在0～30kV內可調，試驗頻率為10kHz.反應器內放電功率均由李薩如圖形面積計算得到，所有的測量波形均由數字示波器Rigol DS1202CA（實時采樣率2GSa／s，寬帶200MHz）采集，并用Testo 350－Pro煙氣分析儀對反應器出口的煙氣成分進行測量.

圖3 試驗系統簡圖Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2.2 測量方法

定義NO的脫除率為：

式中：ηNO為NO脫除率；cin，NO為進口NO體積分數；cout，NO為出口NO體積分數.

放電功率P的計算公式為：

式中：f為放電功率；Cm為測量電容；kx、ky分別為示波器的靈敏度；k為分壓比；A為李薩如圖所圍成的面積與示波器中界面面積的比值.

能量密度公式為：

式中：ε為能量密度；Q為氣體體積流量.

3 試驗結果

試驗是在20℃室溫、101.3kPa大氣壓下進行的.反應器介質層長530mm、內徑為24mm、厚2 mm，介質管外面包450mm長的銅網（150目）作為外電極，內電極是直徑為10mm的銅棒，內外電極間距為9mm，氣體間隙內電極接高電壓，外電極接地.為了研究介質材料對DBD脫除NO的影響，分別采用石英管、陶瓷管和剛玉管作為介質層，外加電壓范圍為12～15kV，試驗結果如圖4所示.

圖4 NO脫除率與能量密度的關系Fig.4 Relationship between NO removal efficiency and energy density

4 討 論

在介質阻擋放電反應器中，電子的分布函數遵循玻耳茲曼方程［12］：

式中：f（r，u，t）表示在時間t時，空間位置r擁有速度u的分布函數；▽rf（r，u，t）表示位置空間內分布函數的梯度；▽vf（r，u，t）表示速度空間內分布函數的梯度；e和m分別為電子的電荷量和質量；E為外加場強；C［f］c表示電子與其他粒子碰撞變化率.

在碰撞平均自由程內，可以近似認為電場強度和碰撞概率是均勻的，用速度空間的球形坐標表示可得［13］

式中：u為速度的大小；θ為速度與電場方向的夾角；z為沿著速度方向的位置.

根據文獻［11］的理論，用Bolsig軟件對N2下的電子能量分布函數進行求解，計算結果如圖5所示.

圖5 離解速率和電子平均動能與折合場強的關系Fig.5 Calculated ionization rate and electron mean energy vs.E／N

由圖5可知，在折合場強為1×10－15V·cm2時，N2的離解速率為4.91×10－16m3／s，電子平均動能為2.251eV.當折合場強為2×10－15V·cm2時，N2的離解速率為5.69×10－17m3／s，電子平均動能為5.056eV.在壓力和溫度不變的條件下，氣體中重粒子數量密度N不變，當電場強度E增大時，折合場強E／N增大.根據圖2的計算結果可知，介質層為剛玉管的反應器中電場強度大于介質層為石英管和陶瓷管的.所以，在介質層為剛玉管的反應器中，折合場強更大，導致電子平均動能更大，N2分子的離解速率增大，產生更多的活性 N原子［14］.在NO／N2體系中，主要反應為［14］：

式（7）和式（8）是脫除NO最主要的反應，N2分子離解生成的N原子數量決定了NO脫除率［14］.因此，剛玉管作為介質層的反應器更有利于脫除NO.

在DBD反應器中，隨著外加電壓的增大，氣體被擊穿，開始放電.擊穿電壓為［15］：

式中：A、B為常數；p為氣體壓強；d為極間距離；γ為二次電子發射系數，γ值的大小與E／P值有關.

當E／P較大時，正離子在一個平均自由程內獲得的能量隨E／P的增大而增大，則正離子轟擊陰極的平均動能增大，導致二次電子發射得更多，故γ增大［15］.由圖2可知，介電常數越大，電場強度E越大，在氣體壓強不變的情況下，E／P增大，導致γ增大.由式（11）可知，γ增大，擊穿電壓減小.所以，反應器介質層的介電常數越大，越有利于氣體的放電.

在氣體放電時，微流光中的電荷在電場的作用下向兩極運動，由于電子的質量遠小于離子的質量，所以電子被加速到更高的速度，大量的電子比離子更早地到達介質層表面，形成一個與外加電場方向相反的本征電場，并疊加在外加電場上，導致氣體間隙中的電場強度減小，當疊加后的電場強度小于擊穿電場強度時，放電停止.而介質層等效電容cd的大小決定其運輸電荷的能力.放電時，李薩如圖見圖6，較大的梯度為介質層等效電容［16］

式中：xi、yi分別為A，B2點對應的坐標.

圖6 放電功率為82.97W時的V－Q李薩如圖Fig.6 V－QLissajous figure（at discharge power of 82.97W）

計算結果如圖7所示，隨著外加電壓的增大，cd逐漸增大，且剛玉介質層的cd大于石英和陶瓷介質層的cd.這是因為cd與材料介電常數、介質有效面積（帶電粒子覆蓋在介質上的真實面積）成正比，即顯然，εd越大，cd越大；而S與放電強度有關.電壓增大導致DBD放電增強，放電空間絲狀通道的數目也相應增加，因此，介質的有效面積S變大，cd增大.本試驗所用的剛玉、陶瓷和石英的介電常數分別為9.8、5.8和3.75，因此，剛玉管介質層的等效電容傳輸附著在介質層表面的電荷量最多，減小了附著電荷對外加電場的影響［17］.而且在氣體放電時，由于氣體已經擊穿，反應器的阻抗由介質層等效電容決定，介質層等效電容越大，反應器的阻抗越小，放電電流越大［7］.因此，增大反應器介質層的介電常數可以提高NO脫除率.

圖7 不同介質材料下cd與外加電壓的關系Fig.7 Relationships between cdand the applied voltage for different barrier materials

5 結 論

（1）在DBD反應器中，介質材料的介電常數越大，其對應的DBD反應器內氣體間隙的電場強度越大.

（2）在DBD反應器中，運用玻爾茲曼方程求解電子分布函數，結果顯示折合場強增大，電子的平均動能增加，N2分子的離解速率增大.

（3）在相同的外加電壓下，剛玉介質層的等效電容比石英和陶瓷的大，導致剛玉運輸的電荷多，且放電電流增大，提高了NO的脫除率.

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