非熱等離子體氧化NO脫除實驗研究

丁水蘭，張應洲，謝春雪，余 奇，余 剛

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非熱等離子體氧化NO脫除實驗研究

丁水蘭1，張應洲1，謝春雪1，余 奇2，余 剛1*

（1. 武漢紡織大學 環境工程學院，湖北 武漢 430200; 2. 武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073）

為了研究等離子體反應器中，加入水蒸汽后，對NO的氧化脫除效率的影響，建立了等離子體氧化模擬煙氣NO脫除實驗系統，研究了氧和水蒸汽對該NO脫除方法的影響規律。實驗研究表明：加入水蒸汽對NO的等離子體氧化脫除有促進作用，NO的整體脫除率比不加水時高，提升程度高達7%。

非熱等離子體氧化；水蒸汽；一氧化氮

1 引言

電站鍋爐內煤燃燒所產生的NO（NO占95％以上）是主要煙氣污染物之一，需要對其排放濃度進行控制。目前對于煙氣脫硝，除了主流的選擇性催化還原（SCR）法和選擇性非催化還原（SNCR）法外，還有液體吸收法、微生物吸收法、非選擇性催化還原法、熾熱炭還原法、催化分解法、液膜法、SNRB工藝脫硝技術、反饋式氧化吸收脫硝技術、活性炭吸附法、等離子體法等，但后述的這些方法或已被淘汰，或處于實驗室研究階段，或效率不高，還難以投入大規模工業應用[1]。

從煙氣脫硝方法所采取的主體化學反應來看，主要包括NO還原和NO氧化兩種脫除反應類型。當NO通過還原反應被脫除時，NO被還原成無需再處理的N2；而當NO通過氧化反應被脫除時，NO被氧化為高階氧化物NO2（或者將NO與氧化劑O3、ClO2或KMnO4反應生成NO2[2]，或者NO被氣體激發所產生的O、HO2等活性粒子和自由基氧化為高階氧化物NO2[3-5]），然后通過后續的反應器將NO2進行吸收或者轉化（或者使NO2被水或堿性溶液吸收[2]，或者使NO2與煙氣中的H2O相遇后形成HNO3，在有NH3或其它中和物注入的情況下生成NH4NO3的氣溶膠，最后再由收塵器收集[3－5]）。雖然NO還原脫除與NO氧化脫除相比具有產物無需再次進行處理等優點，但SCR煙氣脫硝方法還是存在投資大和運行費用高等缺點，因此對NO氧化脫除進行研究依然具有重要的意義。

在眾多的煙氣脫硝技術中，非熱等離子體法由于具有設備簡單、投資少、操作簡便、能夠實現多污染物一體化脫除等突出優點，因而備受研究者的關注[6-8]。在等離子體脫除NO過程中，NO還原脫除與NO氧化脫除實際上是客觀共存的兩種脫除類型，當有O2和H2O參與時，NO氧化甚至更占優勢地位[9]，因此可以利用等離子體進行NO氧化脫除。

本文通過建立等離子體氧化脫除NO的實驗系統，在低溫等離子體的基礎上，來研究催化聯合脫硝的特性，進行了氧濃度、水蒸氣濃度和NO初始濃度等參數對等離子體NO氧化的影響規律，從而探究出提高等離子體脫硝的運行條件。

2 實驗裝置和方案

建立如圖1所示的實驗裝置，來研究O2、水蒸汽等多個因素對等離子體氧化脫除NO的影響規律（見圖1）。

圖1 實驗系統示意圖

實驗中采用的是如圖2所示的等離子體反應器。

圖2 等離子體反應器結構圖

等離子體反應器采用同軸結構，石英玻璃圓柱筒總長度為180mm，其內徑15mm，外徑17mm，內電極為一根直徑8mm的銅棒，兩端用塞子封堵使銅棒架空于石英玻璃管內，石英玻璃管外圍纏繞長度為120mm的銅絲網作為外電極。

調壓器型號是TDGC2-1，具有波形不失真、體積小、效率高、可靠性高等特點，其主要參數為：額定電容1kVA，額定頻率50Hz，額定輸入電壓220V，額定輸出電壓0-50kv。

高頻高壓脈沖電源型號為CTP-2000K。

主要氣體濃度測量采用英國KANE(凱恩) KM9106便攜式綜合煙氣分析儀。

3 實驗數據分析

用下式計算NO脫除效率：

3.1 NO的氧化原理

低溫等離子體脫硝技術是利用低溫等離子體放電產生的高能電子、自由基等來激發氣體中的原子和分子，使其離解成離子、電子、自由基等，在一定條件和極短時間內分解和轉化，以達到對氣體中的有害成分進行脫除的目的。

在只有氧氣存在時，氧氣在等離子體反應器中會生成O和O3，NO主要會與這些氧化性物質發生如下反應：

在只有水蒸汽存在時，水蒸汽在等離子體反應器中會激發生成OH，NO主要會與此發生如下反應：，

當有氧氣和水蒸汽同時存在時，除了以上反應以外，等離子體反應器中主要還會發生如下反應：

3.2 水蒸汽對等離子體脫硝的影響

本文在氣流中加入水蒸汽的方法是使從混氣罐流出的氣體流過一個盛有水的鼓泡裝置，經過鼓泡裝置后，混合氣體將帶有少量水蒸氣進入等離子體反應系統，以此研究在含有少量水蒸氣的情況下，低溫等離子體脫硝的效果。

高頻高壓電源的輸入電壓值是200V，輸出電壓頻率是8kHz；混合氣體的總流量為300L/h；分別對NO的初始濃度取1000ppm，2000ppm和3000ppm，用煙氣分析儀測出開等離子體反應器之前和之后NO和NO2的濃度。

圖3 水蒸氣對等離子體NO脫除率和NO2生成量的影響

圖3中，（1）、（3）和（5）是在有無水蒸汽的情況下，NO 脫除率在3種NO初始濃度條件下隨氧氣濃度的變化曲線。

（2）、（4）和（6）是在有無水蒸汽的情況下，NO2生成量在3種NO初始濃度條件下隨氧氣濃度的變化曲線。

對上述實驗結果的分析如下：

（1）在氧氣濃度為0時，主要是N2在電場作用下會生成N；在有水的情況下，主要是H2O在高能電子的作用下，激發生成OH，繼而在等離子體反應器中主要發生反應：

可見，在有水時，等離子體反應器中的NO在被氧化的同時，也在大量地生成。所以，在氧氣為0時，有水的時候會比沒有水的時候的脫硝率低。

（2）隨著氧氣的加入，無論加不加水蒸汽，NO的整體脫除率都呈下降的趨勢，這是因為O2在電場放電的情況下，會生成O和O3，在等離子體反應器中主要發生如下反應：

可見，隨著O2加入量的增加，雖然也促使NO的脫除，但也有越來越多的N2轉化為NO。

（3）當加水蒸汽時，由圖可看到，NO的整體脫除率比不加水時高，最高可提升7%，這是因為等離子體混合器中還主要發生了如下反應：

這些反應促使NO被氧化為NO2，NO2再進一步與OH反應生成HNO3，從而達到脫除NO的目的。

（4）由于NO和O2發生反應是自發進行的，所以，在沒有開等離子體反應器時，NO2的量會隨著氧氣的加入而增加，NO2濃度曲線隨著氧氣的量的增加而呈現上升的趨勢。

由NO2濃度變化曲線可以看出，加入水蒸汽并且開等離子體反應器時，NO2的濃度會明顯比不加水蒸汽開等離子體反應器時的濃度高，最多增加了250ppm，這說明在開等離子體反應器的情況下，加入水蒸汽時，大量的NO被氧化成了NO2。

因此，從整體來看，當加水蒸汽時，隨著O2的加入，會促使更多的NO轉化為NO2，從而促進了NO的氧化脫除。

4 結論

通過以上實驗，我們研究了聯合脫硝的特性，獲得了O2，水蒸汽，NO的初始濃度在聯合脫硝中的相互影響規律，從而探究出等離子體氧化對NO脫除效率的影響。通過實驗分析得到如下的結論：加入水蒸汽時，隨著O2的加入，會促使更多的NO轉化為NO2，從而促進NO的氧化脫除。

[1] 孫克勤, 周長城, 徐海濤．火電廠煙氣脫硝技術及其設備國產化建議[J]．電力環境保護, 2005, 21(1): 27-29.

[2] 高鳳, 楊嘉謨. 燃煤煙氣脫硝技術的應用與進展[J]．環境保護科學, 2007, 33(3): 11-13.

[3] Yu G, Yu Q, Zeng K S. Synergistic removal of nitrogen oxides using non-thermal plasma and catalyst simultaneously[J]． Journal of Environmental Sciences, 2005, 17(5): 846-848.

[4] Phillip Boyle. ECO demonstrates the attractions of multi-pollutant control[J]．Modern Power Systems, 2002, (5): 39-43.

[5] 韓軍，徐明厚．燃煤痕量元素排放的控制研究[J]．動力工程，2003，23(6): 2744-2751.

[6] 張連水, 劉濤, 黨偉, 等． 脈沖電暈放電脫除NO化學反應動力學過程[J]．光譜學與光譜分析, 2007, 27(4): 664-667.

[7] Lin H, Gao X, Luo Z Y, et al.. Removal of NOx with radical injection caused by corona discharge[J]． Fuel, 2004, 83(10): 1349-1355.

[8] Vinogradov J, Rivin B, Sher E. NOx reduction from compression ignition engines with DC corona discharge－An experimental study[J]． Energy, 2007, 32(3): 174-186.

[9] 余奇, 曾克思, 張振偉, 等. 脈沖放電NO脫除過程模擬[J]．化工學報, 2008, 59(1): 195-200.

Experimental Study on NO Removal by Using Non-Thermal Plasma Oxidation

DING Shui-lan1, ZHANG Ying-zhou1, XIE Chun-xue1, YU Qi2, YU Gang1

(1. School of Environment Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

In order to study the efficiency of the oxidation of NO removal in the plasma reactor,while adding water vapor. The plasma oxidation simulating flue gas NO removal experiment system is established and oxygen and water vapor is studied on the influence law of the NO removal method. Experimental study shows that adding water vapor has a promoting effect to plasma oxidation on the NO removal. NO overall removal rate is higher than not adding water, degree of ascension as high as 7%.

Non-Thermal Plasma Oxidation; WaterVapor; Nitric Oxide

余剛（1971-），男，教授，博士，研究方向：大氣污染控制、室內空氣品質控制.

湖北省優秀中青年科技創新團隊計劃項目（T201207）.

X701.3

A

2095－414X(2014)03－0041－05