丁水蘭，張應(yīng)洲，謝春雪，余 奇，余 剛

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非熱等離子體氧化NO脫除實(shí)驗(yàn)研究

丁水蘭1，張應(yīng)洲1，謝春雪1，余 奇2，余 剛1*

（1. 武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430200; 2. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

為了研究等離子體反應(yīng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了氧和水蒸汽對該NO脫除方法的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究表明：加入水蒸汽對NO的等離子體氧化脫除有促進(jìn)作用，NO的整體脫除率比不加水時(shí)高，提升程度高達(dá)7%。

非熱等離子體氧化；水蒸汽；一氧化氮

1 引言

電站鍋爐內(nèi)煤燃燒所產(chǎn)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(jìn)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(shù)、反饋式氧化吸收脫硝技術(shù)、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(shí)驗(yàn)室研究階段，或效率不高，還難以投入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用[1]。

從煙氣脫硝方法所采取的主體化學(xué)反應(yīng)來看，主要包括NO還原和NO氧化兩種脫除反應(yīng)類型。當(dāng)NO通過還原反應(yīng)被脫除時(shí)，NO被還原成無需再處理的N2；而當(dāng)NO通過氧化反應(yīng)被脫除時(shí)，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(yīng)生成NO2[2]，或者NO被氣體激發(fā)所產(chǎn)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(xù)的反應(yīng)器將NO2進(jìn)行吸收或者轉(zhuǎn)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(chǎn)物無需再次進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn)，但SCR煙氣脫硝方法還是存在投資大和運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)，因此對NO氧化脫除進(jìn)行研究依然具有重要的意義。

在眾多的煙氣脫硝技術(shù)中，非熱等離子體法由于具有設(shè)備簡單、投資少、操作簡便、能夠?qū)崿F(xiàn)多污染物一體化脫除等突出優(yōu)點(diǎn)，因而備受研究者的關(guān)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(shí)際上是客觀共存的兩種脫除類型，當(dāng)有O2和H2O參與時(shí)，NO氧化甚至更占優(yōu)勢地位[9]，因此可以利用等離子體進(jìn)行NO氧化脫除。

本文通過建立等離子體氧化脫除NO的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在低溫等離子體的基礎(chǔ)上，來研究催化聯(lián)合脫硝的特性，進(jìn)行了氧濃度、水蒸氣濃度和NO初始濃度等參數(shù)對等離子體NO氧化的影響規(guī)律，從而探究出提高等離子體脫硝的運(yùn)行條件。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方案

建立如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，來研究O2、水蒸汽等多個(gè)因素對等離子體氧化脫除NO的影響規(guī)律（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用的是如圖2所示的等離子體反應(yīng)器。

圖2 等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

等離子體反應(yīng)器采用同軸結(jié)構(gòu)，石英玻璃圓柱筒總長度為180mm，其內(nèi)徑15mm，外徑17mm，內(nèi)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(nèi)，石英玻璃管外圍纏繞長度為120mm的銅絲網(wǎng)作為外電極。

調(diào)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(diǎn)，其主要參數(shù)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?dú)怏w濃度測量采用英國KANE(凱恩) KM9106便攜式綜合煙氣分析儀。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用下式計(jì)算NO脫除效率：

3.1 NO的氧化原理

低溫等離子體脫硝技術(shù)是利用低溫等離子體放電產(chǎn)生的高能電子、自由基等來激發(fā)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(shí)間內(nèi)分解和轉(zhuǎn)化，以達(dá)到對氣體中的有害成分進(jìn)行脫除的目的。

在只有氧氣存在時(shí)，氧氣在等離子體反應(yīng)器中會(huì)生成O和O3，NO主要會(huì)與這些氧化性物質(zhì)發(fā)生如下反應(yīng)：

在只有水蒸汽存在時(shí)，水蒸汽在等離子體反應(yīng)器中會(huì)激發(fā)生成OH，NO主要會(huì)與此發(fā)生如下反應(yīng)：，

當(dāng)有氧氣和水蒸汽同時(shí)存在時(shí)，除了以上反應(yīng)以外，等離子體反應(yīng)器中主要還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

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(gè)盛有水的鼓泡裝置，經(jīng)過鼓泡裝置后，混合氣體將帶有少量水蒸氣進(jìn)入等離子體反應(yīng)系統(tǒng)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析如下：

（1）在氧氣濃度為0時(shí)，主要是N2在電場作用下會(huì)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(fā)生成OH，繼而在等離子體反應(yīng)器中主要發(fā)生反應(yīng)：

可見，在有水時(shí)，等離子體反應(yīng)器中的NO在被氧化的同時(shí)，也在大量地生成。所以，在氧氣為0時(shí)，有水的時(shí)候會(huì)比沒有水的時(shí)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?yàn)镺2在電場放電的情況下，會(huì)生成O和O3，在等離子體反應(yīng)器中主要發(fā)生如下反應(yīng)：

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(zhuǎn)化為NO。

（3）當(dāng)加水蒸汽時(shí)，由圖可看到，NO的整體脫除率比不加水時(shí)高，最高可提升7%，這是因?yàn)榈入x子體混合器中還主要發(fā)生了如下反應(yīng)：

這些反應(yīng)促使NO被氧化為NO2，NO2再進(jìn)一步與OH反應(yīng)生成HNO3，從而達(dá)到脫除NO的目的。

（4）由于NO和O2發(fā)生反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的，所以，在沒有開等離子體反應(yīng)器時(shí)，NO2的量會(huì)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(xiàn)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(yīng)器時(shí)，NO2的濃度會(huì)明顯比不加水蒸汽開等離子體反應(yīng)器時(shí)的濃度高，最多增加了250ppm，這說明在開等離子體反應(yīng)器的情況下，加入水蒸汽時(shí)，大量的NO被氧化成了NO2。

因此，從整體來看，當(dāng)加水蒸汽時(shí)，隨著O2的加入，會(huì)促使更多的NO轉(zhuǎn)化為NO2，從而促進(jìn)了NO的氧化脫除。

4 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，我們研究了聯(lián)合脫硝的特性，獲得了O2，水蒸汽，NO的初始濃度在聯(lián)合脫硝中的相互影響規(guī)律，從而探究出等離子體氧化對NO脫除效率的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析得到如下的結(jié)論：加入水蒸汽時(shí)，隨著O2的加入，會(huì)促使更多的NO轉(zhuǎn)化為NO2，從而促進(jìn)NO的氧化脫除。

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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(nèi)空氣品質(zhì)控制.

湖北省優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（T201207）.

X701.3

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2095－414X(2014)03－0041－05