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中国环境科学2017,37(8)：2905~2914ChinaEnvironmentalScience采用辉光放电等离子体的烟气处理技术研究刘文正1*,赵帅1,柴茂林1,牛江奇1,赵强1,李静波2(1.北京交通大学电气工程学院,北京100044；2.北京睿昱达科技有限公司,北京100176)摘要：基于大气压空气辉光放电等离子体技术,采用多层网状接触式电极结构在烟道中形成大面积均匀稳定的辉光放电.利用放电过程中产生的强氧化活性粒子(·OH、O、O3)氧化脱除烟气中的SO2和NOx.探讨接触式电极下辉光放电等离子体的生成特性和脱硫脱硝反应机制,分析不同电极层数、氧气浓度和待处理气体初始浓度等实验条件下的烟气处理效果.结果表明,在6层网状电极,氧气浓度为8%,烟气停留时间为1.2s的实验条件下,脱硫率在96.3%以上,NO氧化率为91.2%,脱硝率为36.7%.辉光放电等离子体以其高密度的带电粒子特性在烟气处理中显示出良好的能量利用效率.关键词：大气压空气辉光放电；接触式电极；脱硫脱硝中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)08-2905-10Technologyoffluegastreatmentwithglowdischargeplasma.LIUWen-zheng1*,ZHAOShuai1,CHAIMao-lin1,NIUJiang-qi1,ZHAOQiang1,LIJing-bo2(1.SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing,100044,China；2.BeijingRuiyudaTechnologyCorporationLimited,Beijing,100176).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(8)：2905~2914Abstract：Basedonthetechnologyofatmosphericpressureglowdischargeplasmainair,amultilayermesh-likecontacttypeelectrodestructurewasusedtoformalarge-area,uniformandstableglowdischargeintheflue.Duringthedischargeprocess,particleswithhighoxidativeactivity(·OH,O,O3)weregeneratedtoremovetheSO2andNOxinfluegas.Thecharacteristicsofglowdischargeplasmaandthemechanismofdesulfurizationanddenitrificationwiththecontactelectrodewerediscussed.Theeffectscausedbydifferentelectrodelayernumbers,oxygenconcentrationsandinitialconcentrationsofgastobetreatedwerealsoanalyzed.Theresultsshowedthatremovalratesof96.3%forSO2,36.7%forNOx,andoxidationrateof91.2%forNOwereobtainedinthefollowingexperimentalconditions:thelayernumberofmesh-likeelectrodeswas6;theconcentrationofoxygenwas8%;thereactiontimeoffluegaswas1.2s.Withitshighdensityofchargedparticles,theglowdischargeplasmashowedgoodenergyutilizationefficiencyinthefluegastreatment.Keywords：atmosphericpressureglowdischargeplasmainair；contactelectrode；desulfurizationanddenitrificationSO2和NOx作为燃煤电厂排放烟气中的主要污染物,严重危害空气质量和人体健康[1].目前工程实际中,多数采用湿式石灰石-石膏脱硫工艺(WFGD)和选择性催化还原法(SCR)分别脱除烟气中的SO2和NOx[2-5].虽具有较高的脱除率,但却面临占地面积大、投资和运行成本高、系统复杂等诸多问题[6].因此,探讨采用相同手段脱除燃煤烟气中的SO2和NOx成为近些年烟气处理技术的研究热点,而其重点则集中在解决NO的氧化问题上(燃煤电厂的NOx中90%以上为NO).NO可氧化为易溶于水的NO2、HNO2和HNO3等产物,再经过碱液吸收即可实现大部分NOx的脱除.Yamamoto等[7]单独依靠将O3注入烟道,只能将NO氧化为大部分NO2和少量的N2N5、NO3,难以减少NOx的总量.且高价态的NOx生成越少,则越依赖于其它添加剂.近年来,低温等离子体以其强氧化性和快速反应的特点成为气相氧化脱硫脱硝的高效手段.利用放电过程生成的高能粒子和强氧化自收稿日期：2017-01-12基金项目：北京市科技计划专项(Z15010101478)*责任作者,教授,[e-mail]2906中国环境科学37卷由基可以将SO2和NO氧化为高价态的氧化物.低温等离子体的生成方式有很多种,例如脉冲电晕放电、电子束辐射和介质性阻挡放电(DBD)等[8-10].但电极形式和放电形态的不同直接影响放电空间带电粒子的数量和能量,进而影响脱除效果和能量注入成本.Huang等[11]单独使用脉冲电晕放电的方法,在无吸收剂情况下,SO2和NO脱除率仅有20%和30%.这是因为电晕放电属于局部非均匀放电,放电空间带电粒子密度较小,主要集中在电极尖端,扩散性较差.且电子能量较低,多数能量消耗在较大放电空间内的N2的激励上[12].所能激发的活性粒子数量和能量也受到很大限制,因此单独使用无法得到较高的烟气脱除率.电子束辐射法中平均电子能量虽然能达到33eV,也解决了电子密度较小的问题,模拟工业实验中脱除率能达85%~95%[13].但Chang等[14]指出此方法因真空设备和系统的投资费用很高,且存在辐射,使其在环境治理上难以有较大的发挥空间.因此,探寻一种在较低的设备投入和注入功率下生成较高密度的低温等离子体的方式是有效提高脱硫脱硝效率的关键.本研究基于非均匀电场特性提出了一种网状接触式的介质阻挡电极结构,利用此结构在大气压空气条件下生成的辉光放电等离子体对烟气进行处理,并探究不同影响因素下SO2和NOx的脱除效果.辉光放电具有放电均匀性好、等离子体密度大、能耗低等优点[15],应用于烟气处理中,能够有效提高处理效率,节约能源.然而辉光放电在大气压空气中难以形成,且易于向电弧转化[16].虽然等离子体烟气净化已有很多相关研究[17-19],但是将辉光等离子体应用于烟气处理中的报道却很少,因此对其作用效果的研究具有重要的意义.依托此结构下的辉光放电应用于烟气处理,主要优势有:1)电极接触点及其附近形成稳定辉光放电,生成的带电粒子浓度较高,扩散性较好,能有效增加强氧化活性粒子(如·OH、O、O3等)的数量以及扩散面积,这些粒子具有高氧化性电位和高反应速率,能促进SO2和NO被氧化为高价态;2)由于带电粒子密度高,扩散性好,在相同的能量注入下能实现更高的脱除率,也即具有较高的能量利用效率;3)若在较高湿度下,通入NH3进行中和还能得到相应铵盐,供回收利用;4)此过程无需添加催化剂,有效避免了由催化剂的加入引发的一系列问题(如催化剂中毒);5)电极直接布置在烟道中,减小了设备投资以及占地面积;6)接触式的电极结构能有效增强在潮湿、粉尘等复杂的烟道环境下的放电稳定性.1材料与方法1.1实验装置与实验流程实际烟道中,烟气的主要成分为N2和O2,烟气中主要污染物为SO2和NO.考虑到实际燃煤电厂烟气环境中SO2浓度为(700~1000)×10-6,NOx为(200~400)×10-6[20-21],我们在此浓度区间附近进行了烟气处理实验.MFCMFCMFCMFCMFC混气室烟气检测仪NH3截止阀电源排入大气中SO2NOO2N2碱液图1烟气处理实验流程Fig.1Experimentsystemforfluegastreatment8期刘文正等：采用辉光放电等离子体的烟气处理技术研究2907实验中,通过质量流量控制器控制各气体组分的通入量以达到配比要求,并使各成分在混气室中混合均匀,通入模拟烟道中,经等离子体处理后进行烟气分析,再经尾气吸收排入大气中.烟气处理实验的工作流程如图1所示.等离子体发生电源采用频率为20kHz的正弦波电源,输出幅值为0~10kV可调.采用泰克P6015A高压探头测量放电电极两端的放电电压,通过在回路中串联100Ω的测量电阻RM得到放电电流,电压电流信号在泰克数字示波器TDS1012B-SC中显示.通过控制各气体的通入量以及气体总量,以模拟实际烟道气体环境.其中,SO2和NO采用型号为D08-3F的质量流量控制器,N2和O2采用型号为LF400-S的质量流量控制器.烟气分析环节则采用德国益康制造的型号为EN-2的精密烟气检测仪,实时显示被处理后的各气体含量.采用海洋光学型号为QE65000的光谱仪对等离子体的发光光谱进行测量,用以分析在空气放电过程中各气体成分的激发、电离情况.1.2网状放电电极及辉光等离子体的产生图2单点接触式电极的结构示意和放电效果Fig.2Thestructurediagramandthedischargephenomenonofsinglepointcontactelectrode1.高压电极;2.接地电极;3.PTFE绝缘介质等离子体生成电极采用0.2mm厚度的聚四氟乙烯(PTFE)材料作为绝缘层,导体材料采用的是镀锌铜线.单点接触式电极的结构示意图以及放电效果如图2所示.当外施电压后,空间带电粒子在电场作用下加速运动形成电子崩,交叉点的微小间隙处由于场强最大而首先实现放电[22],并为周围空间提供种子电子而引发附近区域的放电过程,从而表现出具有一定扩散区域的稳定的辉光现象.其肉眼可见的等离子体等效生成面积大约为2mm×2mm.与传统的间隙型放电相比,接触式电极结构的放电空间形成的是贯穿性的通道,比局部电晕具有更高的等离子体生成密度.同时由于间隙相对较短,抑制了电子崩发展,也即抑制了收缩态的丝状放电的形成,表现出良好的均匀性和扩散性.(a)电极的电场分布(b)电极放电现象-40-206420-2-4-6150100500-50-100-150时间(µs)电压(kV)电流(mA)UI02040(c)放电的电压电流波形图3网状接触式电极的电场分布、放电现象和电压电流特性Fig.3Theelectricfielddistribution,thedischargephenomenonandthedischargewavesofthemesh-likecontactelectrode2908中国环境科学37卷从电场仿真和实际放电效果来看,采用十字交叉接触式的网状电极结构,有利于增加等离子体的生成面积,同时增大了气体通透性.考虑到辉光放电等离子体在大气压空气中的扩展面积,采用6mm×6mm大小的网孔有效避免了等离子体生成区域的交叉浪费.从波形图可以看出,电流幅值为mA量级,属于辉光放电范畴.1.3功率测量方法与计算在DBD条件下的放电功率的计算一般可采用对Lissajous图形分析的方法.将等离子体电气测量回路中的测量电阻RM替换成容值为0.01μF的测量电容CM,可获得放电的Lissajous图形.图4给出了典型的Lissajous图形,并按照公式(1)可以算