流向變換等離子體催化系統(tǒng)去除甲苯

梁文俊,孫慧頻,朱玉雪,李 堅(jiān)

流向變換等離子體催化系統(tǒng)去除甲苯

梁文俊*,孫慧頻,朱玉雪,李 堅(jiān)

(北京工業(yè)大學(xué)區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

將低溫等離子體、催化和流向變換技術(shù)相結(jié)合,以反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)(接地極方式、反應(yīng)管壁厚)和電源參數(shù)(電壓、頻率)為影響因素,探究了上述因素對(duì)系統(tǒng)溫度升高(?)、放電能量密度(SED)和能量效率(EE)的影響,考察了不同條件對(duì)甲苯的去除效果()和反應(yīng)產(chǎn)物的影響. 結(jié)果表明:流向變換低溫等離子體協(xié)同催化系統(tǒng)中,甲苯去除效果最好,能量利用率最高,為3.76g/(kW·h).連續(xù)升壓時(shí),3種接地條件下的溫度升高?差距不明顯;鋁箔接地時(shí),O3濃度最高、甲苯去除率、SED和EE最高;增加反應(yīng)管壁厚,系統(tǒng)?、、SED和EE減小. 3種技術(shù)結(jié)合時(shí),NO2生成濃度低、有機(jī)副產(chǎn)物生成種類較少,CO2選擇性高,甲苯礦化率最高. 固定頻率,改變電壓時(shí),?、、SED與電壓值呈正比,EE則相反,鋁箔接地時(shí),17kV時(shí)?達(dá)到110.7℃,達(dá)到74.05%;副產(chǎn)物O3濃度先上升后下降,最終趨于0mg/m3;固定電壓,改變頻率時(shí),變化規(guī)律一致.

低溫等離子體；流向變換；催化；甲苯

低溫等離子體技術(shù)是國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染治理研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一[1-2],具有適用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單和占地少的特點(diǎn)[3].單一等離子體技術(shù)存在能量效率低、易生成有害副產(chǎn)物和選擇性差等不足[4].為避免這些不足,該技術(shù)的聯(lián)合技術(shù)尤其是低溫等離子體協(xié)同催化技術(shù)成為目前的研究熱點(diǎn)之一[5-7].

流向變換低溫等離子體協(xié)同催化反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過流向變換技術(shù)周期性改變氣流的方向,將等離子體放電和催化反應(yīng)所釋放出的熱量蓄積在蓄熱體中,使反應(yīng)所釋放熱量形成的主要溫度段留在反應(yīng)器中間的催化劑床層[8-9],避免其被氣流吹出反應(yīng)器中,造成能量浪費(fèi).目前,將流向變換技術(shù)和低溫等離子體技術(shù)聯(lián)用的報(bào)道較少.梁文俊等[10-11]將低溫等離子體與流向變換技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,從工藝和運(yùn)行參數(shù)的角度探究了該技術(shù)應(yīng)用的可行性,并將催化劑引入反應(yīng)系統(tǒng),在電壓為17kV,頻率為150Hz時(shí),甲苯降解率可達(dá)到65%.但是催化劑的引入對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)溫度升高、污染物降解率、能量效率以及副產(chǎn)物生成的影響都有待更深入的研究.

本文比較了等離子體、流向變換等離子體和流向變換等離子體協(xié)同催化3種技術(shù)在甲苯降解方面的性能.將低溫等離子體、催化和流向變換技術(shù)相結(jié)合降解甲苯.通過監(jiān)測(cè)反應(yīng)系統(tǒng)溫度、甲苯濃度、副產(chǎn)物濃度,考察反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)(接地極方式、反應(yīng)管壁厚)和電源參數(shù)(電壓、頻率)對(duì)系統(tǒng)溫度升高和熱量分布、甲苯去除率、產(chǎn)物生成濃度和能量效率的影響,探究較優(yōu)的工藝條件和運(yùn)行參數(shù),為進(jìn)一步應(yīng)用流向變換技術(shù)提高系統(tǒng)能量利用率奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

流向變換等離子體協(xié)同催化系統(tǒng)包括配氣裝置、流向變換裝置、反應(yīng)裝置和檢測(cè)裝置(圖1).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.空氣壓縮機(jī);2.質(zhì)量流量計(jì);3.甲苯發(fā)生瓶;4.水浴鍋;5.緩沖瓶;6.電磁閥;7.反應(yīng)器;8.高壓電源;9.臭氧分析儀;10.氣相色譜儀

配氣裝置將甲苯純?nèi)芤汉銣厮?通過空氣吹掃使其飽和蒸汽進(jìn)入混氣瓶,混合好的氣體通過質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)濃度后進(jìn)入流向變換裝置.

流向變換裝置通過a、b、c、d 4個(gè)電磁閥控制管路開閉,當(dāng)電磁閥a、c打開時(shí),氣體由左至右通過反應(yīng)器,當(dāng)電磁閥b、d打開時(shí),氣體由右至左通過反應(yīng)器,最終由出氣口排出,從而控制氣體流向.

反應(yīng)裝置如圖2所示,反應(yīng)器為長(zhǎng)度400mm的石英玻璃管,其中有效放電區(qū)間長(zhǎng)度為50mm,高壓放電極選用1.5mm鎢絲,采用鐵絲、鋁箔和鐵絲網(wǎng)纏繞3種接地方式.反應(yīng)管內(nèi)部包括蓄熱段和放電段(催化段)兩部分,蓄熱段位于催化段的兩側(cè),由堇青石作為蓄熱體,長(zhǎng)度為80mm,催化段位于反應(yīng)管中間位置,長(zhǎng)度為50mm,實(shí)驗(yàn)中所使用的催化劑為7.5wt%Mn/堇青石催化劑.反應(yīng)器外部采用保溫棉纏繞保溫.本實(shí)驗(yàn)使用變頻變壓交流電源,調(diào)壓范圍0~100kV,調(diào)頻范圍50~3000Hz.

檢測(cè)裝置由氣相色譜儀監(jiān)測(cè)甲苯濃度的變化,由臭氧分析儀監(jiān)測(cè)反應(yīng)系統(tǒng)中臭氧濃度的實(shí)時(shí)變化情況,由熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)溫度的變化,測(cè)溫點(diǎn)O點(diǎn)位于催化段中間位置,P、Q兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別位于兩側(cè)蓄熱段中間位置.

圖2 反應(yīng)裝置示意

1.石英管;2.氣體管路;3.電磁閥;4.高壓極;5.絕緣塞;6.接地極;7.放電區(qū);8.蓄熱段;9.蓄熱體;10.保溫棉;11.總進(jìn)氣口;12.總出氣口;13.反應(yīng)器進(jìn)(出)氣口;14.反應(yīng)器出(進(jìn))氣口;15.熱電偶;16.調(diào)頻調(diào)壓電源

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)條件(接地極方式、反應(yīng)管壁厚)和電源參數(shù)條件(電壓、頻率)對(duì)系統(tǒng)中甲苯降解率、溫度、臭氧產(chǎn)生量、放電能量密度(SED)和能量效率(EE)的影響.通過氣相色譜儀(6890N, Agilent)測(cè)定甲苯濃度,熱電偶(K型,北京盛德瑞科技有限公司)反映溫度的變化,臭氧分析儀(106-M, 2B Technology)監(jiān)測(cè)尾氣中臭氧的含量,萬用表(UT61D,上海儀表廠)測(cè)量系統(tǒng)電流.使用煙氣分析儀(Testo 350,Testo)檢測(cè)氣態(tài)產(chǎn)物的生成情況,通過氣-質(zhì)聯(lián)用儀(Trace-DSQ,Thermo Fisher)分析產(chǎn)物的種類.實(shí)驗(yàn)過程中,氣體預(yù)先通過干燥管,避免濕度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響.

催化劑是以堇青石蜂窩陶瓷(400目,29mm,=12.5mm)為載體,用浸漬法將經(jīng)過預(yù)處理的載體置于前驅(qū)體漿液中,60℃下超聲攪拌6h,110℃下烘干2h,在馬弗爐中180℃下焙燒1h,500℃下焙燒3h,制備所得的7.5wt%Mn/堇青石催化劑[12].

根據(jù)氣相色譜儀測(cè)定出的甲苯濃度值,采用表示甲苯去除率,%.采用SED來表示注入單位反應(yīng)氣體中的放電能量密度,J/L.采用能量效率EE來表示單位能耗所去除的污染物的量,g/(kW·h),作為甲苯降解能耗的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13].

各計(jì)算公式如下:

式中:為實(shí)時(shí)溫度值,℃;0為初始溫度值,℃;12分別表示甲苯進(jìn)出口的濃度值,mg/m3;為氣體流量,L/min;max為電壓峰值,kV;為二次電流值,mA.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)比

連續(xù)升高電壓12~16kV,頻率為100Hz,升壓速率為30min/kV,接地極采用鋁箔接地,反應(yīng)管壁厚為1.5mm,氣體流速為15cm/s,流向變換周期為10min條件下,比較單一等離子體(系統(tǒng)1)、流向變換等離子體(系統(tǒng)2)和流向變換等離子體協(xié)同催化(系統(tǒng)3)3種系統(tǒng)下對(duì)?、O3濃度、和EE的影響.

從圖3可以看出,單一等離子體技術(shù)處理甲苯時(shí),隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)和放電電壓的升高,在電場(chǎng)的激發(fā)下,高能粒子數(shù)量增加,放電產(chǎn)生的能量增加,其中部分能量以熱量的形式散發(fā)出來,表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部溫度逐漸升高,其中催化段測(cè)溫點(diǎn)O點(diǎn)的溫度上升最快.引入流向變換技術(shù)后,由于蓄熱段床層的存在,氣流由左側(cè)蓄熱段流向右側(cè)蓄熱段時(shí),隨時(shí)間增長(zhǎng)右側(cè)蓄熱段溫度逐漸上升;當(dāng)氣流方向改變,氣體經(jīng)過右側(cè)蓄熱段時(shí)被加熱,帶走部分熱量,Q點(diǎn)溫度回落,P點(diǎn)溫度升高,最終表現(xiàn)為蓄熱段P點(diǎn)和Q點(diǎn)溫度呈交替上升趨勢(shì),電壓達(dá)到16kV后,放電區(qū)溫度升高可達(dá)到84.7℃,較單一等離子體高20.1℃.相比未引入流向變換技術(shù)時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部整體溫度得到提高,有效減少了系統(tǒng)能量的浪費(fèi).將等離子體技術(shù)、流向變換技術(shù)和催化氧化技術(shù)三者相結(jié)合,等離子體放電產(chǎn)生的熱量和催化氧化放出的熱量使得系統(tǒng)溫度得到進(jìn)一步提高,16kV條件下,放電區(qū)溫度升高可達(dá)到105.8℃,此時(shí)由流向變換技術(shù)所帶來的熱量在系統(tǒng)內(nèi)部來回振蕩的現(xiàn)象,對(duì)催化劑實(shí)現(xiàn)了有效激活,利于提高對(duì)甲苯的催化氧化效率.

系統(tǒng)1為等離子體系統(tǒng),系統(tǒng)2為流向變換等離子體系統(tǒng),系統(tǒng)3為流向變換等離子體協(xié)同催化系統(tǒng)

3種條件下,放電初期電壓越高,自由電子數(shù)量增加,含氧等離子體的數(shù)量和能量水平增加[14],O3濃度隨電壓升高呈現(xiàn)階梯式上升;放電電壓進(jìn)一步升高,高能活性粒子增多,O3被分解,濃度降低,同時(shí)O3隨著系統(tǒng)溫度的升高,逐漸受熱分解,最終在電場(chǎng)和溫度升高的雙重作用下,O3濃度趨于零.其中引入流向變換技術(shù)時(shí),O3濃度隨流向的改變呈現(xiàn)出振蕩性改變的趨勢(shì),與溫度的變化相對(duì)應(yīng).經(jīng)比較,流向變換等離子體技術(shù)條件下O3濃度最高可達(dá)到185.98mg/m3,流向變換等離子體協(xié)同催化技術(shù)次之(117.46)mg/m3,單一低溫等離子體技術(shù)達(dá)到57.8mg/m3.

由圖3可以發(fā)現(xiàn),隨電壓的升高,甲苯降解率逐漸升高,其中流向變換等離子體協(xié)同催化技術(shù)條件下最高,16kV下可達(dá)到42.13%,較流向變換等離子體技術(shù)高10.49%,較單一低溫等離子體技術(shù)高11.32%.電壓越高,放電區(qū)的高能電子數(shù)量增多,能量水平更高,其與甲苯氣體分子發(fā)生碰撞的幾率變高,甲苯去除率隨電壓升高逐漸升高,而高能電子與氣體分子和其本身之間的碰撞所帶來的能量使得系統(tǒng)內(nèi)部熱量增加,能量效率EE值降低,表明系統(tǒng)內(nèi)能量的利用率越低,大部分能量以熱量的形式體現(xiàn),表現(xiàn)為系統(tǒng)溫度升高不斷變大.流向變換技術(shù)的引入小幅提高了系統(tǒng)能量效率,而催化劑的引入使得能量效率得到進(jìn)一步提高.

2.2 系統(tǒng)參數(shù)影響

2.2.1 不同接地方式 考察了連續(xù)升高電壓12~16kV,頻率為100Hz,升壓速率為30min/kV,接地極分別為鐵絲、鋁箔和鐵絲網(wǎng),反應(yīng)管壁厚為1.5mm,氣體流速為15cm/s,流向變換周期為10min條件下,改變接地方式對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中?、O3濃度、、SED和EE的影響.

圖4 3種接地條件下,?T和O3濃度的變化

從圖4可以看出,同種接地方式下,催化段O點(diǎn)的?最高,Q點(diǎn)次之,P點(diǎn)最低,P點(diǎn)和Q點(diǎn)的?變化趨勢(shì)隨流向的改變而改變,呈周期性上升趨勢(shì).催化段的?變化受流向變換的影響不明顯,保持平穩(wěn)上升的趨勢(shì).比較3種接地形式下溫度變化,可以發(fā)現(xiàn)鋁箔接地時(shí)催化段和蓄熱段的溫度升高都最高,鐵絲接地其次,鐵絲網(wǎng)接地最低.鋁箔接地時(shí)催化段的溫度升高最高,達(dá)到134.7℃,比鐵絲接地時(shí)高4.6℃,比鐵絲網(wǎng)接地時(shí)高16.9℃.這表明,隨著電壓升高,鋁箔接地時(shí)所產(chǎn)生的相對(duì)均勻的電場(chǎng)激發(fā)更多的高能粒子數(shù)量,提高能量水平[15],促進(jìn)了甲苯的降解,使得系統(tǒng)產(chǎn)熱增加,溫度升高;而鐵絲網(wǎng)接地時(shí),由于鐵絲網(wǎng)存在尖端,局部電暈放電[16]現(xiàn)象明顯,使得部分能量被浪費(fèi),產(chǎn)熱相對(duì)較少,溫度升高較低.

同一換向周期內(nèi),O3濃度隨氣體流向的改變而發(fā)生周期性變化,放電初期電壓越高,O3濃度呈周期性上升趨勢(shì);隨電壓升高,除受熱分解外,高能活性粒子增多,O3被分解;電壓進(jìn)一步升高,系統(tǒng)內(nèi)O3濃度最終趨于0mg/m3.鋁箔接地時(shí)O3濃度最高可達(dá)到117.46mg/m3,比鐵絲網(wǎng)接地時(shí)高18.37mg/m3,比鐵絲接地時(shí)高19.76mg/m3.這是由于采用鋁箔接地時(shí),電場(chǎng)分布更為均勻密集,使得在低電壓時(shí),反應(yīng)相對(duì)更為劇烈,溫度升高更高,O3濃度更高.

a. 對(duì)的影響;b. 對(duì)SED和EE的影響

連續(xù)升壓條件下,甲苯去除率隨電壓增加逐漸升高,12~15kV時(shí),上升趨勢(shì)較為明顯,電壓大于15kV時(shí),甲苯去除率上升趨勢(shì)減緩.由圖5可知,鋁箔作為接地極時(shí),甲苯去除率最高,鐵絲網(wǎng)接地次之,鐵絲接地時(shí)最低.電壓升高至16kV之后,鋁箔接地時(shí)的甲苯降解率較鐵絲網(wǎng)接地時(shí)要高12.9%,較鐵絲接地時(shí)高15.13%.3種接地形式下的SED隨電壓升高而升高.在電壓12~14kV時(shí),鋁箔接地的SED最高,鐵絲網(wǎng)接地其次,鐵絲接地最低;電壓高于14kV后,3種接地條件下電源輸入電流值逐漸高于3mA,系統(tǒng)內(nèi)二次電流值出現(xiàn)激增現(xiàn)象且高于5000μA,反應(yīng)管內(nèi)出現(xiàn)局部電弧[17],此時(shí)極易出現(xiàn)反應(yīng)管擊穿的現(xiàn)象.電壓越高,能量效率EE值越低,表明系統(tǒng)內(nèi)能量的利用率越低,按EE高低排列為鋁箔接地、鐵絲網(wǎng)接地和鐵絲接地.隨電壓升高,放電能量密度升高,3種接地條件下的EE值降低,差距逐漸減小,最終都小于5g/(kW·h).

2.2.2 不同反應(yīng)管壁厚 考察了連續(xù)升高電壓12~ 18kV,頻率為100Hz,升壓速率為30min/kV,接地極為鋁箔接地,反應(yīng)管壁厚分別為1.5,2mm,氣體流速為15cm/s,流向變換周期為10min,催化段為7.5wt%Mn/堇青石催化劑條件下,改變反應(yīng)管壁厚對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中?、O3濃度、、SED和EE的影響.

a. 對(duì)?和O3濃度的影響;b.對(duì)、SED和EE的影響

從圖6中可以看出,反應(yīng)管壁厚為2mm時(shí),P、O、Q 3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的?和O3濃度的變化規(guī)律與壁厚為1.5mm時(shí)變化規(guī)律一致.與壁厚為1.5mm時(shí)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)連續(xù)升壓至16kV后,壁厚為2mm時(shí)最高溫度點(diǎn)O點(diǎn)的?較之前低60℃以上,升壓至18kV之后,O點(diǎn)溫度升高到120℃以上,與之前升壓至16kV溫度水平一致;甲苯去除率相對(duì)變低,16kV時(shí)去除率達(dá)到40.99%,較之前下降1.14%;放電能量密度SED的上升趨勢(shì)和能量效率EE的下降趨勢(shì)都更為緩慢;O3濃度最高值提高,增加了一倍.隨電壓升高O3分解,濃度降低,壁厚為2mm時(shí),升壓至15kV之后,O3濃度開始下降,于17kV時(shí)下降趨于0mg/m3,相比壁厚為1.5mm時(shí),需要達(dá)到的電壓值更高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明管壁的增厚,相當(dāng)于介質(zhì)阻擋放電的介質(zhì)層加厚,放電間隙的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)減弱[18],系統(tǒng)內(nèi)的高能粒子數(shù)量相對(duì)較少,放電電流減小,能量密度變小,溫度升高緩慢,使得系統(tǒng)升壓范圍增大,出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的次數(shù)減少.

2.3 電源參數(shù)影響

2.3.1 不同電壓 考察了電壓分別為12,13,14,15, 16,17kV,頻率為100Hz,接地極分別為鐵絲、鋁箔和鐵絲網(wǎng),反應(yīng)管壁厚為1.5mm,氣體流速為15cm/s,換向周期為8min,催化段為7.5wt%Mn/堇青石催化劑時(shí),電壓對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中?、O3濃度、、SED和EE的影響.

a. 對(duì)?的影響;b. 對(duì)和O3濃度的影響;c. 對(duì)SED和EE的影響

由圖7可知,反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)?隨著電壓升高而升高.催化段O點(diǎn)的?最高,Q點(diǎn)次之,P點(diǎn)最低.同一電壓下,鋁箔接地時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)?比鐵絲網(wǎng)和鐵絲接地時(shí)高,鐵絲接地和鐵絲網(wǎng)接地時(shí)的?差距較小.隨著電壓升高,甲苯去除率逐漸升高,鋁箔接地時(shí),去除率最高,17kV時(shí)達(dá)到74.05%,鐵絲接地時(shí)甲苯去除率為68.07%,鐵絲網(wǎng)接地時(shí)為53.17%.這是由于電壓升高使得系統(tǒng)放電能量密度逐漸升高,電暈放電區(qū)域擴(kuò)大,填料被極化區(qū)域擴(kuò)大[19],高能電子數(shù)量增多,與甲苯氣體分子之間的碰撞幾率提高,系統(tǒng)內(nèi)部熱量增加,甲苯去除率逐漸升高,系統(tǒng)溫度逐漸上升,且由于流向變換的作用以及蓄熱體的存在,使得這些熱量除部分被氣流帶出反應(yīng)管外,其余熱量在管路內(nèi)部集聚,表現(xiàn)為蓄熱區(qū)的溫度也逐漸升高.電壓值小于等于13kV時(shí),電壓較低, O3濃度隨電壓升高逐漸升高;電壓值大于13kV時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度增大,系統(tǒng)內(nèi)部高能粒子數(shù)量與水平升高,溫度升高更快,生成的O3受熱分解,最終濃度逐漸趨于0mg/m3.

鐵絲網(wǎng)作為接地極時(shí)隨著電壓升高,放電能量密度更高,但尖端放電現(xiàn)象更為明顯,甲苯去除率較低,能量效率不高.電壓達(dá)到16kV之后,放電末期,一次電流和二次電流出現(xiàn)激增現(xiàn)象,處于擊穿的臨界狀態(tài),導(dǎo)致其放電能量密度激增,能量效率下降速率較其他兩種接地方式更快.

2.3.2 不同頻率 考察了頻率分別為50,75,100Hz,電壓為16kV,接地極分別為鐵絲、鋁箔和鐵絲網(wǎng),反應(yīng)管壁厚為1.5mm,氣體流速為15cm/s,換向周期為8min,催化段為7.5wt%Mn/堇青石催化劑時(shí),頻率對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中?、O3濃度、、SED和EE的影響.

圖8 改變頻率對(duì)溫度升高(?T)的影響

表1 不同頻率下的?T、O3濃度、η、SED和EE

從圖8和表1中可以發(fā)現(xiàn),各測(cè)溫點(diǎn)?、、SED隨放電頻率的升高逐漸升高,EE則相反,O3濃度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),在高頻放電時(shí),其最終濃度趨于0mg/m3.同一放電頻率同種接地形式下,O點(diǎn)溫度最高,Q點(diǎn)次之,P點(diǎn)最低.隨著頻率的上升,同種接地方式下,3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度差逐漸增大.研究表明,放電過程中,只改變頻率這一電源參數(shù)時(shí),頻率越高,系統(tǒng)放電區(qū)內(nèi)電場(chǎng)改變方向的頻率升高,帶電高能粒子隨之振蕩的頻率升高,粒子與甲苯氣體分子發(fā)生碰撞的幾率變大,表現(xiàn)為與頻率呈正相關(guān)關(guān)系,由碰撞產(chǎn)生的更多的熱量在蓄熱段集聚,表現(xiàn)為系統(tǒng)催化段和蓄熱段的溫度上升[20].頻率升高,使得系統(tǒng)放電能量密度SED升高,高能粒子之間的碰撞增多,導(dǎo)致能量的部分浪費(fèi),頻率越高,浪費(fèi)的能量越多,表現(xiàn)為EE隨頻率升高而下降.

2.4 甲苯降解產(chǎn)物分析

在電壓為16kV,頻率為100Hz,反應(yīng)管壁厚為1.5mm,氣速為15cm/s,接地極為鋁箔,流向變換周期為8min的反應(yīng)條件下,比較了等離子體和流向變換等離子體協(xié)同催化兩類反應(yīng)系統(tǒng)中甲苯降解產(chǎn)物的生成情況.

圖9 不同系統(tǒng)下產(chǎn)物生成情況

在兩個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中都未檢出NO,反應(yīng)系統(tǒng)中存在的主要氮氧化物為NO2.當(dāng)采用流向變換等離子體協(xié)同催化系統(tǒng)處理甲苯時(shí),生成NO2濃度為88.99mg/m3,較單一等離子體系統(tǒng)減少155.6mg/m3, CO2選擇性為16.52%,提高了3.37%,甲苯礦化率為11.56%,單一等離子體系統(tǒng)為4.41%(圖9).表明催化劑的引入促使電子向高能量水平轉(zhuǎn)移,使等離子體能夠產(chǎn)生更多的氧活性原子[21-22],促進(jìn)了有機(jī)碳向無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化,利于甲苯的降解,提高了能量效率.對(duì)比圖10中的GC-MS圖,兩個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)條件下都檢測(cè)到苯乙酸、丙酮、丁酮等物質(zhì),單獨(dú)等離子體系統(tǒng)中還檢測(cè)到乙酸乙酯、戊酸、丁腈、庚醇等物質(zhì).這說明流向變換等離子體協(xié)同催化條件下所產(chǎn)生的有機(jī)副產(chǎn)物種類較少,催化及流向變換技術(shù)的引入促進(jìn)了甲苯降解,提高了礦化率,減少了有機(jī)副產(chǎn)物的生成[23-24].

3 結(jié)論

3.1 相比于單一低溫等離子體技術(shù)和流向變換低溫等離子體技術(shù),流向變換低溫等離子體協(xié)同催化條件下,系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高最高,甲苯去除效果最好,礦化率最高,能量利用率最高,NO2生成濃度低、有機(jī)副產(chǎn)物生成種類較少,CO2選擇性高.單一低溫等離子體技術(shù)對(duì)甲苯的降解率低,能量利用率低;引入流向變換技術(shù)后放電所產(chǎn)生的熱量得到利用,甲苯降解率提高,系統(tǒng)能量利用率更高;結(jié)合催化技術(shù)之后,甲苯降解率進(jìn)一步提高,系統(tǒng)溫度升高更為明顯,能量利用率更高.

3.2 連續(xù)升高電壓時(shí),3種接地條件下臭氧濃度先升后降,在16kV時(shí)趨于0,其中鋁箔接地時(shí)效果最好,最高,EE最高.增加反應(yīng)管壁厚,?上升趨勢(shì)減緩,臭氧產(chǎn)量增加,、系統(tǒng)SED和EE減小.改變電源參數(shù)時(shí),?、、SED與電壓和頻率值呈正比,EE則相反.在低壓或低頻條件下,臭氧產(chǎn)量逐漸上升,隨著電壓或頻率的進(jìn)一步升高而下降.當(dāng)電壓為17kV,頻率為100Hz時(shí),甲苯去除率最高可達(dá)到74.05%.

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Removal of toluene with a reverse flow non-thermal plasma-catalytic reaction system.

LIANG Wen-jun*, SUN Hui-pin, ZHU Yu-xue, LI Jian

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2019,39(12)：4974~4981

Combined with NTP, catalysis and reverse-flow technology, the effects on the temperature rise (?), specific energy density (SED) and energy efficiency (EE) of the system were investigated under the influence of different reaction system (grounding mode, wall thickness) and power supply (voltage and frequency). The effects of toluene removal () and products were also analyzed. The results showed that the reverse flow non-thermal plasma-catalytic reaction system had the bestand EE, which was 3.76g/(kW·h). The differences in ?under three grounding conditions were not significant when voltage was increased continuously. The concentrations of O3,, SED and EE were the highest when the aluminum foil was grounded. The ?,, SED and EE decreased with the increase of wall thickness. When three technologies were combined, NO2was less generated, fewer types of organic by-products were produced, the CO2selectivity was high and the toluene mineralization rate were highest. When the frequency was fixed, the ?,, SED were positively proportional to the voltage as voltage increased, while the EE showed the opposite correlation with voltage. When aluminum foil was grounded, the ?achieved 110.7℃ and thewas 74.05%. The concentration of the byproduct (O3) increased in the beginning, then decreased, and finally became 0mg/m3. When the frequency changed while the voltage was fixed, the change rules were the same.

non-thermal plasma；reverse flow；catalytic；toluene

X511

A

1000-6923(2019)12-4974-08

梁文俊(1978-),男,山西太原人,教授,博士,主要從事大氣污染控制研究.發(fā)表論文50余篇.

2019-05-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0204300);北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8162009)

* 責(zé)任作者, 教授, liangwenj@bjut.edu.cn