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    等離子體去除氮氧化物的研究進展

    返回列表 來源:天眾環保 發布日期:2018-09-25

    等離子體去除氮氧化物的研究進展

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    化石燃料的燃燒是人為 NOx的主要污染源,形成方式為高溫燃燒時,燃料中含氮的有機物發生熱解或是空氣中的原子氧和氮之間的化學反應等[1]。中國作為一個能源消費大國,卻是世界貧油富煤的國家,煤炭的開采量和消費量均居世界首位。由于中國處于經濟騰飛的時期,需要消耗大量的能源,而中國能源分布又煤多油少,且燃煤經濟效益高,故在將來還是以煤能源為主。為了使我們生活環境變得更美好,空氣質量得到質的提升,需要我們對去除氮氧化物的方法展開積極研究,找到可以大規模應用到工程中的新技術。低溫等離子體技術是一項綠色環保的新發展出來的技術,涉及眾多領域。其形成的等離子體中含有很高的能量,能夠為許多很難發生的反應提供足夠多反應所需的活化能。應用在脫硝處理上,能夠有效的去除氮氧化物[2]。同時低溫等離子體技術具有良好的經濟性,無二次污染等優點。

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    1 低溫等離子體去除氮氧化物的研究進展

    1.1 介質阻擋放電介質阻擋放電(DBD)也稱為無聲放電,是兩個電極之間的放電,它施加高壓交流電并由至少一個絕緣介質隔開。經常使用的絕緣介質是耐熱玻璃,石英玻璃,氧化鋁,陶瓷材料等低介電損耗和高擊穿強度的材料。DBD反應器中使用的絕緣介質具有穩定放電,消除電極腐蝕和腐蝕以及抑制火花放電形成的作用。其他低溫等離子體(NTP)技術相比,DBD 具有技術成熟度高,放電均勻穩定和等離子體空間分布均勻的特征。因此,介質阻擋放電是等離子體法中研究應用的比較多的一種放電方法。Yoon 等[3]研究了介質阻擋放電產生等離子體分別與γ-Al2O3和 NaY 耦合脫除 NOx。結果發現,催化劑為 NaY 時,在 180-230℃ 時 NO 脫除率為 50%;在 225℃ 時 NO2脫除率為 55%。催化劑為γ-Al2O3時,在340℃時NO轉化為N2的轉化率達80%。山東大學曹曉曉[4]等利用介質阻擋放電與NO發生反應,去除率能達到60% 左右。DBD 的優點在于放電均勻,接觸面積大,能在很寬的放電頻率下工作,要求簡單,易于控制,不過缺點也明顯,在其放電過程中會產生大量的熱,有20%左右的電能變成熱能,經濟性有待提高。

     

    1.2 電子束法電子束照射是一種典型的使用電離輻射原理的NTP生成方法。電子加速器發射的高能電子束引起放射區煙氣分子的放射分解反應,最終導致NTP的形成。在電子束照射過程中,不同煙氣成分吸收的輻射能量與其質量分數成正比。在高能級(300-800 keV)下,電子束可通過與煙氣分子的輻解反應誘發大量離子物質。電子加速器是電子束照射裝置的關鍵處理部件。到目前為止,用于工業規模電子束煙氣處理的最合適的高功率電子加速器是直接電力線變壓器加速器[5]。還有其他一些類型的電子加速器,如大功率緊湊型變壓器電子加速器,高重復脈沖加速器,耦合倍增器加速器,單腔共振加速器等。對于電子束煙氣處理技術的試點或工業應用,電子加速器應滿足高電子能量(0.8-1.5 MeV),遠光功率,高電效率,高可靠性,高可用性,高電流密度,低電子束成本和低損耗窗口。由于電子具有很高的能量,照射待處理煙氣可以激發原子間的鍵能,形成一些自由基等活性基團,去氧化二氧化硫和氮氧化物等污染物,最終實現去除污染物的效果。但電子束脫硫技術也存在著一些問題[6]:(1)會產生X射線,必須建有防輻射的裝置;(2)由于高能電子沒有選擇性,所以也會電離煙氣中其他氣體如氮氣,導致浪費能量;(3)整個電子束發生裝置價格昂貴,結構復雜。無錫市天眾環保設備有限公司??? 133 8289 4218

     

    1.3 電暈放電電暈放電是施加高電壓的電極附近的局部放電。電暈放電等離子體反應器的放電電極,例如細線型電極,針狀電極,刀口電極等通常具有非常小的曲率半徑,可能導致高電位梯度。在這種情況下,當連接高電壓時,煙氣瓦解并首先在放電電極周圍形成低溫等離子體。電暈放電發生時,會出現微弱的輝光,并發出咝咝聲,是一種相對穩定的放電方式。

     

    1.3.1 脈沖電暈放電上世紀80年代,日本學者率先提出利用脈沖電暈去除煙氣中的氮氧化物,利用放電產生各種自由基、O3等活性粒子去氧化它們,形成硝酸加以利用。由于該技術綠色環保,成本低廉,國內外都在積極研究探索,作為目前最有發展潛力的脫硫脫硝技術,正慢慢轉入實現工業化應用。Malik M A, Kolb J F[7]等在基于脈沖電暈放電的表面等離子體和體積等離子體反應器中NO去除的比較研究文章中,發現表面等離子這種類型的能量成本更低,而且去除效果也比體積等離子體型的脈沖電暈更高,并且它的能量效率幾乎與電能量的【第一作者】汪國棟(1992-),男,浙江工業大學碩士研究生,研究方向:大氣污染及控制。沉積無關。Yan P, Fujiwara M[8]等在脈沖電暈放電發光及脫硝的研究中,提出脈沖寬度越長,脫除氮氧化物的效率越低,注入功率越大,能量效率越低。Wang W, Zhao Z[9]等在脈沖電暈放電煙氣和水蒸汽煙氣中 NO / NOx的去除研究中指出,當水蒸氣濃度為15%,煙氣停留時間為5.9 s,輸入能量為4 Wh/Nm3左右時,脫除NO的效率能夠達到42%,NOx的去除率為29%。脈沖電暈的優點在于以下幾個方面:(1)脈沖電壓的峰值很高,可以產生大量的活性自由基;(2)脈沖放電時容易獲得能量更高的電子,提供強大的瞬時能量;(3)放電產生的電流趨于均勻分布,以致產生的活性粒子在空間上均勻擴展。

     

    1.3.2 直流電暈放電在直流電暈放電等離子體反應器中,基于流量穩定放電原理的直流電暈自由基淋浴系統在煙氣凈化領域也有許多應用。雖然直流電暈放電有一定的局限性,但直流電源穩定可靠,使用壽命較長,而且更加經濟,這對于脈沖電暈研究來說,提供了一個很好的補充。

    Vinogradov J,Rivin B[10]等采用直流電暈放電壓燃式發動機減少氮氧化物的實驗研究中,當氮氧化物的停留時間大于1秒,電極間距小于 30 mm,能夠得到 18% 的去除效率和 50% 的清潔效率。Fujii T, Aoki Y[11]等在直流電暈反應器用水除去NOx的文章中提到,分別在含水和不含水的反應器中去除氮氧化物廢氣,含水的去除率遠遠超過不含水的去除率,不含水的情況下脫出效率很低,證明有水的存在對直流電暈來說提供了良好的條件。Ohkubo 等人[12]通過將電暈炬反應器的中空管狀電極轉變成具有一些噴嘴的管電極來開發了電暈自由基淋浴系統。在電暈自由基淋浴系統中,電暈區形成在噴嘴的尖端,附加的氣體將從噴嘴電極注入電暈區并隨后分解成各種自由基。浙江大學魏恩宗[13]采用直流電暈氧化結合化學吸收煙氣脫硝實驗,結果表明氧氣濃度對NOx脫除效率及能耗影響重大,在高能量電子轟擊下,大量氧氣分解產生臭氧等氧化劑氧化氮氧化物,還發現煙氣濕度增加,氮氧化物的去除率及能量效率均提高。無錫市天眾環保設備有限公司??? 133 8289 4218 www.por-soft.com

    2 與SCR/SNCR脫硝技術的比較表1表示直流放電等離子體法與SCR、SNCR法的特點之間的比較從表中可以看出各種方法的優缺點及適用對象。表1 幾種處理技術的特點比較技術名稱特點適用對象缺點直流等離子體投資小,運行費用低,維護簡單,無需專人看守低風量,中小鍋爐企業對大風量氣體處理不充分;絕緣系統重要SCR方法成熟,去除效率高選擇性、穩定性好大風量,火力發電廠過量或未反應的NH3易導致二次污染;催化劑價格昂貴SNCR不需要催化劑作用,系統結構較為簡單,投資運行費用相對較低小型電廠;一般作低氮燃燒技術的補充脫硝效率相對較低;反應溫度要求較高且范圍較窄從表1中可以看出直流電暈等離子體法的能耗較小,沒有氨的二次污染,這里等離子體技術的優勢就體現出來了。在能耗方面,現在正在研究更優化的反應器,更好的放電形式,以及更好的工作參數。在投資方面,等離子體技術有絕對的優勢,設備簡單,維護也簡單,隨著國產高性能的高壓直流電源的研發,性能會進一步提升,價格也會繼續下降。

     

    3 結語

    隨著政府對環境保護越來越重視,對氮氧化物的排放標準日益嚴苛,低溫等離子體法去除氮氧化物的應用前景將會越來越寬廣,對于一些中小鍋爐企業來說其成本低廉,運行維護簡單,是一種非常好的選擇。不過由于現在此種技術工業化尚不成熟,而且等離子體法去除氮氧化物的機理也不是很清楚,需要科研人員進行更深入的研究。

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