雙介質低溫等離子體空氣放電光譜分析及工作參數對NOx生成的影響

王軍， 何濤， 李超， 唐煒， 王興華

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

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雙介質低溫等離子體空氣放電光譜分析及工作參數對NOx生成的影響

王軍， 何濤， 李超， 唐煒， 王興華

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

依據介質阻擋放電原理及低溫等離子體轉化有害氣體的機理，設計了一套雙介質阻擋放電型低溫等離子體空氣放電試驗系統。研究了空氣流量、激勵電壓峰峰值(VP-P)及放電頻率對空氣放電特性及其產生的NO，NO2體積分數變化的影響，并采集了放電區域光譜信息。研究結果表明：當VP-P、空氣流量保持恒定時，NO，NO2的體積分數隨放電頻率的增大而逐漸減小；當放電頻率、VP-P保持恒定時，NO，NO2的體積分數均隨空氣流量的增大而逐漸減小；保持放電頻率不變，VP-P從13 kV增大到28 kV過程中，氮氣發射特征譜線強度逐漸增大；保持VP-P不變，放電頻率從7 kHz增大到11 kHz過程中，氮氣特征譜線強度逐漸減小。

介質阻擋放電； 低溫等離子體； 反應機理； 頻率； 氮氧化物

全球汽車數量持續增加，汽車排氣中的NOx和PM已成為大氣中主要污染源之一。隨著排放法規的日益嚴格，如何降低柴油機的NOx和PM排放已成為內燃機排放領域的研究重點[1-3]。利用介質阻擋放電(DBD)產生低溫等離子體(NTP)技術是一種新型的排放后處理技術，具有成本低，二次污染小，去除效率高等優點。近年來利用該技術處理柴油機NOx和PM排放已成為國內外學者研究的熱點[4-7]。

上海交大黃震等利用NTP協同催化技術開展了柴油機模擬排氣氧化分解積炭陶瓷小球的試驗研究工作，發現NTP在協同催化技術擴大催化劑吸附、分解NOx能力的同時，可有效氧化分解其中的干炭煙成分。日本大阪府立大學Masaaki等，利用空氣作為氣源，將高能粒子噴到微粒捕集器(DPF)上游，通過監測DPF兩端壓差及對DPF稱重來判斷DPF的再生，在250 ℃左右實現了DPF的再生，并指出O3和NO2是氧化PM 的主要物質[8-10]。采用氧化催化器(DOC)能夠實現NO的預氧化，但是存在催化劑硫中毒和熱失活等問題，通過NTP技術將部分NO預先氧化成NO2，可利用其強氧化性將排放物中的PM氧化為CO2,可以實現柴油機排氣環境中DPF的連續再生[11-13]。

本研究利用雙介質NTP反應器進行空氣放電試驗，分析了空氣放電產生NOx的化學反應機理及性能，并結合NOx體積分數的變化和放電區域的光譜信息，研究了空氣流量、放電頻率和激勵電壓峰峰值(VP-P)對NOx體積分數變化的影響，為NTP技術用于降低柴油機NOx和PM排放的研究提供基礎試驗依據。

1 試驗系統研究

圖1示出了試驗系統布置示意。試驗系統由變壓變頻NTP反應器電源(CTP-2000K智能電子沖擊機，0～25 kV，8～20 kHz可調)、雙介質阻擋放電型NTP反應器、TDS 3034B Tektronix示波器、LZB型玻璃轉子流量計、TCK P6139A高壓探頭、MAYA2000-Pro光譜儀(波長范圍為20～1 100 nm，分辨率為0.3 nm)、TESTO 350XL氣體分析儀(體積分數測量范圍:NO，0～3 000×10-6；NO2，0～500×10-6)組成。試驗中使用的雙介質阻擋放電型NTP反應器具體結構參數：石英玻璃內管內徑32 mm，外徑36 mm，石英玻璃外管內徑40 mm，外徑44 mm，不銹鋼內電極外徑32 mm，緊密包裹于石英玻璃外管外表面的致密鐵網外電極長度為200 mm。

試驗時，控制空氣流量為6 L/min，8 L/min，10 L/min，調節放電頻率范圍為7～11 kHz，VP-P變化范圍為6～32 kV，利用光譜儀實時監測發射光譜強度的變化，利用氣體分析儀從反應器下游旁通取氣，測量NO，NO2體積分數。

2 試驗結果及分析

2.1 NTP壓縮空氣的化學反應機理

空氣放電化學反應機理見式(1)至式(5)[14]，式中M表示亞穩態粒子，上標*表示粒子處在較高能量狀態。式(1)～式(4)中，高能電子通過撞擊、離解空氣中的N2和O2等一系列過程產生N原子和O原子。在O原子、O3分子等活性物質的促進作用下，NTP放電區域發生了式(5)～式(15)一系列化學反應。其中NO主要通過式(9)，式(10)生成，NO2主要通過式(11)和式(12)生成[15-16]。

e+O(3p)+O(3p),

(1)

e+O(3p)+O(1D),

(2)

e+N2(C3∏u),

(3)

e+N(4S)+N(4S，2D),

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2.2 放電頻率對NOx體積分數的影響

空氣流量為6 L/min，不同放電頻率時，NO，NO2的體積分數隨VP-P的變化規律見圖2。由圖2可見，當空氣流量保持恒定時，放電頻率在7～8.5 kHz范圍內，NO，NO2的體積分數隨VP-P總體上呈線性增長趨勢。其原因是隨著VP-P的升高，放電間隙兩端電壓隨之增大，導電通道的數量逐漸增加，更多O2和N2被分解，促進了反應(9)～反應(12)的進行。當VP-P、空氣流量保持恒定時，放電頻率從7 kHz升高到9 kHz，空氣中活性成分增加，放電均勻，抑制O生成的反應較強，導致式(9)和式(10)反應生成的NO減少，式(11)和式(12)反應生成的NO2減少，并且隨著放電頻率的增大，NOx中NO2的占比也增大。

圖2 不同放電頻率時NOx體積分數隨VP-P的變化

2.3 空氣流量對NOx體積分數的影響

放電頻率為8.5 kHz，不同空氣流量時NO與NO2的體積分數隨VP-P的變化規律見圖3。由圖3可見，NO，NO2體積分數隨空氣流量的增大而減小，這主要是由于空氣流量增大時，氣體在反應器中滯留時間變短，從而影響反應的進行程度。在相同的VP-P下，減少反應物放電區域的停留時間，相當于降低了輸入放電區域的能量密度，從而N2因高能電子碰撞而激發解離的可能性減小，導致NO的生成率降低。對于NO2，NO分子與N分子的碰擊概率降低，導致反應(11)、反應(12)中N2O與O原子以及NO與O原子發生反應的概率減小。

圖3 不同空氣流量時NOx體積分數隨VP-P的變化

2.4 放電區域光譜強度變化規律

利用MAYA2000-Pro光譜儀采集反應氣體的發射光譜，經光譜分析軟件處理后輸出數據，發現試驗中氮氣的發射光譜譜線主要集中在300～450 nm。根據發射光譜診斷原理，發射光譜由活性氮氣分子的外層電子躍遷所致，這表明放電空間中存在著活性氮分子。

為研究VP-P對氮氣發射譜線強度的影響，試驗中保持空氣流量為6 L/min，保持放電頻率為8.5 kHz，調節VP-P分別為13 kV，17 kV，19 kV，23 kV，25 kV和28 kV，觀察氮氣發射譜線強度隨VP-P的變化規律(見圖4)。由圖4可見，保持放電頻率不變，VP-P從13 kV增大到28 kV過程中，氮氣發射特征譜線強度逐漸增大。VP-P升高后，放電功率升高，放電空間內的氣體放電更加強烈，高能電子將激發更多的氮氣分子形成活性氮氣分子，發射光譜因此逐漸加強。

圖4 發射光譜強度隨VP-P的變化

為研究放電頻率對氮氣發射譜線強度的影響，試驗中保持VP-P為19 kV不變，調節放電頻率分別為7 kHz，8 kHz，8.5 kHz，9 kHz，10 kHz和11 kHz，觀察氮氣發射譜線強度隨放電頻率的變化規律(見圖5)。由圖5可以觀察到，放電頻率從7 kHz增大到11 kHz過程中，特征譜線強度逐漸減小。放電頻率升高后，空氣整體活性增強，放電均勻，抑制O生成的反應較強，高能電子激發氮氣分子形成的活性氮氣分子減少，發射光譜強度因此逐漸減小。

圖5 發射光譜強度隨放電頻率的變化

3 結論

a) 當VP-P、空氣流量保持恒定時，NO，NO2體積分數隨放電頻率的增大而逐漸減小，并且NOx中NO2的占比也增大；

b) 當放電頻率、VP-P保持恒定時，NO，NO2體積分數均隨空氣流量的增大而逐漸減小；

c) 保持放電頻率不變，VP-P從13 kV增大到28 kV過程中，氮氣發射特征譜線強度逐漸增大；放電頻率從7 kHz增大到11 kHz過程中，特征譜線強度逐漸減小。

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[編輯： 姜曉博]

Spectral Analysis of Air Discharge and Effect of Working Parameters on NOxGeneration for Double-dielectric Non-thermal Plasma Reactor

WANG Jun, HE Tao, LI Chao, TANG Wei, WANG Xinghua

(School of Automotive and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

A set of air discharge test system for double-dielectric non-thermal plasma reactor was designed according to the principle of dielectric barrier discharge and the conversion mechanism of harmful gas for non-thermal plasma. The effects of air flow, discharge voltage peak-peak valueVP-Pand discharge frequency on air discharge characteristics and volume fractions of NO and NO2were studied and the spectral information of discharge area was collected at the same time. The results showed that the volume fractions of NO and NO2decreased with the increase of discharge frequency and air flow respectively when the other two parameters kept constant. In addition, the intensity of nitrogen characteristic spectrum increased when the discharge voltage peak-peak value increased to 28 kV from 13 kV under the constant discharge frequency and decreased when the discharge frequency increased to 11 kHz from 7 kHz under the constant discharge voltage peak-peak value.

dielectric barrier discharge； non-thermal plasma； reaction mechanism； frequency; nitrogen oxide

2015-09-09；

2015-10-21

國家自然科學基金(51306074)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)；江蘇大學高級專業人才科研啟動基金項目(10JDG051)

王軍(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向為發動機工作工程及排放控制；qcwjun@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.009

TK421.5

B

1001-2222(2016)02-0046-04