臭氧氧化/電場復合臭氧氧化對氣態污染物NOx的凈化效率對比研究

康奕菁，馮肇霖，謝逢俊

(1.廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣東省環境保護中小型靜電除塵與分離技術工程研究開發中心，廣東 廣州 510000）

1 概述

O3作為一種自由基在電子束、脈沖等離子體放電中廣泛存在。臭氧氧化脫硝技術，在大氣治理行業有不少應用，但是因臭氧易逃逸產生二次污染，所以在應用過程中具有爭議性。

例如自2019年山東生態環境廳明確提出“各類鍋爐、爐窯等排放NOx的設施，禁止新上經實踐檢驗效果不滿足要求的臭氧氧化脫硝技術設施。已采用臭氧氧化技術脫硝的，應于2020年11月1日前逐步完成脫硝技術改造，以滿足排放要求”。后因引發廣泛關注后另出文明確提出不再執行，提出使用臭氧氧化法脫硝工藝的，應當達到以下要求：“一是應采用自動控制手段精確控制臭氧和氮氧化物（NOX）最佳混合比例，提高煙道密閉性，嚴格防止臭氧逃逸。二是對臭氧氧化脫硝工藝過程中形成的亞硝酸鹽和硝酸鹽進行有效收集處理，禁止直接排入環境水體”以上要求的提出，體現政府部門對臭氧脫硝引起臭氧逃逸在大氣環境中可能產生影響的擔心，但也表明環保技術的使用和推廣應由市場和標準決定的態度。

本文介紹的電場復合臭氧氧化技術，主要采用介質阻擋等離子體放電技術，結構包含有高壓電極、接地電極及位于兩個電極之間的石英介質管。主要工作流程為：含污染物的混合氣體進入發生器內部，通過均流板被均勻分配到高能等離子體電場反應區域，所形成的高能電場對混合氣體中的污染物及其它產生異味的分子以每秒數千萬次高速轟擊下，直接打斷氣體中有機物分子化學鍵，使復雜大分子污染物轉變為簡單小分子安全物質，或使有毒有害物質轉變成無毒無害或低毒低害的物質，從而使污染物得以降解去除。

其中的作用機理（見圖1）可以簡化為以下流程：

圖1 介質等離子臭氧發生器原理圖

（1）當介質阻擋等離子體放電技術所形成的高能電場直接作用于污染物（甲醛、有機廢氣等）時，在放電通道會被高能電子破壞分子鍵、進而被氧化還原。

（2）當介質阻擋等離子體放電技術所形成的高能電場作用于空氣中的氧分子時，高能離子分解氧分子，產生游離氧，形成臭氧區，釋放大量臭氧在空間內；再以高濃度臭氧對空間污染物進行強氧化分解作用，實現污染物降解去除。

為了更好認識污染物凈化過程中的影響因素，本文就電場復合臭氧氧化技術開展應用試驗，分別開展基于電場復合臭氧（即試驗a）及臭氧氧化（折流式混合、文丘里混合）（即試驗b、c）等不同形式對NOX去除效率的對比試驗，通過比較各種接觸方式、混合方式對脫硝效率的影響，檢驗不同形式對NOX去除效果的影響。

2 試驗過程

2.1 試驗流程

試驗裝置主要由模擬污染系統、氣體流量計量和調節系統、特制等離子體發生器（臭氧發生裝置）、特種高壓電源、氣體混合器、污染物分析儀器、電氣參數測量系統等組成。室溫下，試驗模擬污染組分采用NO和空氣等混合氣體，經減壓閥降低壓力調整后，從流量計進入氣體混合器充分混合，然后與特制等離子體發生器（臭氧發生裝置）產生的高能氣體直接混合或間接混合反應，把氣體中的NO氧化成高價態氮氧化物，最后經液體吸收處理，凈化后的氣體排入大氣。

試驗a的工作流程：在電場復合臭氧脫硝過程中，混合氣體經過特制等離子體發生器（臭氧發生裝置）的電場并進行反應后，尾氣凈洗滌凈化后排放，如圖2所示。

圖2 電場復合臭氧氧化脫硝流程圖

試驗b、c的工作流程：在臭氧氧化脫硝過程中，將少量空氣經過特制等離子體發生器（臭氧發生裝置）生成O3等各種自由基；然后送入混合反應器與各種廢氣混合反應，尾氣經洗滌凈化后排放；其中臭氧（折流式混合）如圖3所示，臭氧（文丘里混合）如圖4所示。

圖3 臭氧（折流式混合）氧化脫硝流程圖

圖4 臭氧（文丘里混合）氧化脫硝流程圖

2.2 試驗裝置、試驗儀器

表1 試驗裝置和試驗儀器

2.3 試驗裝置、試驗儀器實物圖

圖5 試驗過程圖片

圖6 特制等離子體發生器（臭氧發生裝置）、特種高壓電源實物圖

3 試驗結果

表2 臭氧、電場復合臭氧兩作用形式對污染物NOx去除效率的對比試驗

4 結論與討論

（1）試驗研究了臭氧與NOx的不同接觸方式、不同混合方式對脫硝效率的影響。在同一試驗系統中，電場復合臭氧脫硝與臭氧脫硝的最佳效率相差不大，證明臭氧脫硝過程中，等離子體發生器電場的參與并不能大幅增效。

（2）從試驗（一）到（六）可知，a、b、c試驗裝置對污染物NOx去除效率的對比，在電源處理功率為440 W時效果最佳，再提高功率，則有下降的趨勢。

（3）臭氧與NOx的混合方式對凈化效率影響比較大，臭氧（文丘里混合）比臭氧（折流式混合）的脫硝效果更好，對NOx的去除效率更高。在同等情況下，電源出力為280 W～550 W，對NOx的凈化效率提高為25.17%～45.57%。從混合器結構來分析，文丘里混合器可起到快速發生化學反應作用，增加分子間的有效碰撞，從而提高了反應速率；而等折流式混合器因混合管道較長導致停留時間長反而消耗了電場產生的高能電子、離子和自由基等活性粒子[1-4]，導致減少與NOx的接觸，從而影響脫硝效率。

（4）從a、b、c試驗來看，臭氧技術對于氮氧化物的凈化效果較為明顯。臭氧（文丘里混合）對污染物NOx去除效率最佳，最高可達77.45%的凈化效率。證明選擇合適的混合方式，可以大幅提高臭氧對污染物NOx的凈化效率。

（5）針對含氮氧化物煙氣進行超凈排放的技術要求，臭氧脫硝作為性價比較高的工藝，可以作為SNCR、NCR等脫硝工藝的補充，具有對系統的改動少，投資小，效果佳的性能。通過以上實驗室試驗，可以參考電源功率比例及混合方式，在工程執行過程中采用自動控制手段可控制臭氧和氮氧化物（NOX）的最佳混合比例，提高煙道密閉性，可避免臭氧逃逸帶來二次污染。