臭氧協同強電離放電模擬煙氣中脫除NOx實驗研究

郭若軍 依成武 王慧娟 徐欣 彭鴻彬

摘 要：針對目前低溫等離子體技術煙氣脫硝效率低的問題，采用O3協同強電離放電的方法進行了模擬煙氣中NOx的脫除研究，考察了外加電壓、初始濃度、氧含量、含水率等參數對脫硝效率的影響規律。結果表明：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%左右達到最高效率；隨著含水率的增加，脫硝效率呈上升趨勢；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，脫硝效率最高可達90%以上。

關鍵詞：臭氧；強電離放電；脫硝；氧活性粒子

1.引言

近年來，大氣污染物的排放日益嚴重，其中作為主要污染物之一的NOx，不僅會導致酸雨和光化學煙霧，還危害著人類的健康[1]。我國新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB-13223-2011）中嚴格規定NOX的排放要求控制在100mg/m3以下[2]。這使得很多火力發電廠和企業的NOX排放達不到標準，因此必須在理論和技術上加大研究，力爭取得新的突破。目前煙氣脫硝技術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。近年來，低溫等離子體技術應用于煙氣治理領域逐漸引起科研人員的關注。該方法具有系統結構簡單、處理效率高、投資少、占地面積小以及運行費用低等優點，因此具有良好的應用前景和巨大的潛力[3]。本文采用強電離放電法制取高級氧化劑O3并將其與模擬煙氣混合通入等離子體反應器，在 O3與強電離放電產生的活性粒子的協同作用下進行NOx的氧化脫除，產生資源化的HNO3。通過試驗確定了臭氧協同強電離放電脫硝的重要影響因素，并結合機理分析了外加電壓、初始濃度、氧含量、水含量對脫硝效果的影響。

2.實驗部分

2.1 實驗裝置

臭氧協同強電離放電脫除NOx試驗流程如圖1所示。

圖1 臭氧協同強電離放電脫硫脫硝試驗流程圖

試驗采用一套強電離放電等離子體資源化模擬煙氣脫硝系統進行NOx的脫除，通過減壓閥和氣體流量計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。強電離放電生成的大量高能電子通過非彈性碰撞將能量（平均高達10eV以上）傳遞給氣體分子，使氣體分子激發解離生成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發生反應生成HNO3。反應后的酸霧通過產物收集裝置冷凝收集，試驗過程中的尾氣經堿液吸收后排到室外。

2.2 分析測量儀器

本試驗所使用的主要分析測量儀器主要為：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.實驗結果與討論

3.1外加電壓對脫硝效率的影響

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℃，放電頻率設置為5.15kHz，不同外加電壓對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是完全相同的，且O3協同強電離放電脫硝效率隨著反應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所需要的能量依次降低，當外加電壓在1.8kV至2.4kV之間時，強電離放電電場加速的電子能量不夠高，還不足以大量離解N2分子。此時，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。當繼續提高外加電壓，超過2.4kV后強電離放電電場內高能電子的能量增加，越來越多的N2分子被離解、電離產生N、N（2D）、N2（A）等。但由于反應器內含有大量的·OH、O等氧活性粒子，他們會迅速與N、N（2D）、N2（A）發生反應生成NOX[4]。

圖2 外加電壓對脫硝率的影響 圖3 NO初始濃度對脫硝率的影響

3.2 NO初始濃度對脫硝效率的影響

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，當外加電壓分別為2.4kV時，NO初始濃度對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式。當NO初始濃度較小時，NO脫除量隨其初始濃度的增加而增加，當NO初始濃度達到500ppm左右時，NO脫除量約為315ppm，此時NO的脫除量已接近飽和。因為當氣體濃度很高時，放電電場被極限加強，在同一外加電壓下，輸入的能量達到了飽和，因而高能電子所產生的？OH等氧活性粒子數量就不再增加，NO脫除率會不斷下降。所以當外加電壓設為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，臭氧協同脫硝效果較優，對于NOX初始濃度400ppm左右時，脫除效率可達80%以上。

3.3含水率對脫硝效率的影響

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，當外加電壓為3.2kV時，不同含水率對脫硝效率的影響如圖4所示。

從圖中可以看出，當含水率小于1.6%時，脫硝效率隨著含水率的增加而減少，這是因為當含水率小于1.6%時，主要通過反應器產生大量高能電子把N2離解、電離，產生大量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，同時可防止強電離放電區域濕度過高導致反應器擊穿或短路，有助于延長反應器的使用壽命。

3.4含氧量對脫硝效率的影響

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，當外加電壓分別為2.4kV、2.8kV和3.2kV時，不同含氧量對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，放電依然會產生一定量的氧活性粒子，反應體系中仍是氧化性脫除占主導，使得NO被氧化成NO2、NO3等，最終轉化為HNO3。

結論

（1）采用臭氧協同強電離放電產生高濃度活性粒子，整個脫除過程以氧化反應為主，大大提高NOx的脫除效率。有效解決了常規等離子體放電法存在的電子能量低、投資費用大以及脫除效率低等問題。

（2）在最佳試驗條件下：當模擬煙氣總流量為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，外加電壓設為2.4kV時，脫硝效率最高可達90%以上。

（3）臭氧協同強電離放電試驗系統產生的活性粒子濃度高、氧化性極強。因此本研究具有資源化、綠色無污染、高效率等特點。

參考文獻：

[1] Gaffney J S， Marley N A. The Impacts of Combustion Emissions on Air Quality and Climate- From Coal to Biofuels and Beyond[J]. Atmospheric Environment， 2009， 43（1）：23-36.

[2] GB-13223-2011.火電廠大氣污染物排放標準[S]. 北京：國家環境保護總局，2011：1-5

[3] 杜旭， 孫保民， 肖海平，等. 介質阻擋放電條件下添加乙烯對NO氧化影響的試驗研究[J]. 動力工程學報， 2011， 31（11）：882-886.

[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.

作者簡介：

郭若軍（1976-）男，漢族，遼寧，副總經理，黨員，高級工程師碩士，研究方向：主要從事環保能源生產管理和技術研究。

*項目：鎮江市重點研發項目-強電離放電羥基自由基有機廢氣防治技術應用研究，SH2017056