等離子脫硝技術(shù)現(xiàn)狀及展望

孟磊

摘 要：等離子體脫硝是一種新的脫硝技術(shù)，由于其可以解決低溫脫硝，成為研究熱點之一。本論文主要介紹了等離子脫硝技術(shù)原理以及分類，并分析了等離子脫硝技術(shù)研究現(xiàn)狀，最后給出了等離子脫硝技術(shù)存在的問題及下一步研究方向。

關(guān)鍵詞：等離子 脫硝 介質(zhì)阻擋放電

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0068-02

氮氧化物是一種主要的大氣污染物，對于形成霧霾具有重要作用。十二五以來，國家不斷提高氮氧化物排放標準，尤其是對于電力行業(yè)。目前，電力行業(yè)脫硝裝置投運率已經(jīng)達到99%以上。電力行業(yè)主流的脫硝技術(shù)是SCR脫硝技術(shù)，由于其脫硝效率高，運行穩(wěn)定，應(yīng)用非常廣泛。但是，SCR脫硝技術(shù)不能實現(xiàn)低溫脫硝，在機組啟停以及低負荷情況下不能投入運行[1]。為了解決低溫脫硝的問題，國內(nèi)專家學(xué)者進行了廣泛研究，等離子脫硝技術(shù)成為研究方向之一。

等離子脫硝技術(shù)研究起步較晚，目前還未實現(xiàn)工程應(yīng)用，但是由于其受溫度影響小成為解決低溫脫硝的一種方法，具有較好的市場前景。本論文主要研究了等離子脫硝技術(shù)原理、技術(shù)分類以及技術(shù)研究現(xiàn)狀，通過對現(xiàn)狀研究，掌握等離子脫硝技術(shù)主要存在的問題以及下一步重點研究方向，為等離子脫硝技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。

1 等離子脫硝技術(shù)概述

等離子體（Plasma）一詞是在19世紀30年代由Langmuir引入到物理文獻中的，用它來表示氣體放電中正負電荷相等而呈電中性的區(qū)域，由大量相互作用的但仍處于非束縛狀態(tài)下的帶電粒子組成的宏觀體系，是和固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)處于同一層次的物質(zhì)存在的第四態(tài)，其含義是由大量帶電粒子和中性粒子組成的準電中性氣體。

隨著等離子體研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)等離子體技術(shù)對煙氣進行處理，脫除其中的NOx等有害氣體具有處理效果好、范圍廣、能同時處理多種污染物和凈化徹底等優(yōu)點。等離子體技術(shù)處理污染物的原理為：在外加電場的作用下，放電產(chǎn)生的大量攜能電子轟擊污染物分子，使其電離、解離和激發(fā)，然后便引發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)雜大分子污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵涡》肿影踩镔|(zhì)，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害或低毒低害物質(zhì)，從而使污染物得以降解去除[2]。作為環(huán)境污染物處理領(lǐng)域中一項高新技術(shù)，等離子體受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2 等離子脫硝技術(shù)分類

根據(jù)產(chǎn)生等離子體方法不同，等離子體脫硝技術(shù)主要分為三種電子束法、脈沖電暈法、阻擋介質(zhì)放電法，三種技術(shù)對比如表1所示。

電子束法等離子體技術(shù)的核心設(shè)備是高壓電子槍，通過高壓電子槍產(chǎn)生高能量電子，從而將氣體分子電離，產(chǎn)生的活性物質(zhì)與氣體分子發(fā)生劇烈反應(yīng)，實現(xiàn)脫硝的目的。該技術(shù)由于工作電壓高，設(shè)備復(fù)雜，并且能耗較高。

電暈放電等離子技術(shù)是利用尖端放電原理，將電壓通到曲率半徑很小的電極上，通過控制電壓使電極附近的空氣發(fā)生電離，從而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。脈沖電暈放電由于在極短時間內(nèi)放電從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，能量利用率較高，對其研究較多。

阻擋介質(zhì)放電是在電極之間加入絕緣介質(zhì)的一種放電方式，當在電極兩端施加足夠電壓時，氣體就會被擊穿而形成放電。絕緣介質(zhì)在放電過程中起到儲能作用，使放電表現(xiàn)為持續(xù)時間短的微放電并且放電很均勻，放電非常穩(wěn)定并且抑制火花放電產(chǎn)生。絕緣介質(zhì)可以放在兩個電極之間，也可以覆蓋在電極表面。介質(zhì)材料通常為石英、玻璃、陶瓷等。根據(jù)電極和絕緣介質(zhì)布置的不同，阻擋介質(zhì)等離子反應(yīng)器可以是極板式或者圓柱式。另外，根據(jù)介質(zhì)數(shù)量不同還可以分為單介質(zhì)阻擋介質(zhì)放電或者雙介質(zhì)阻擋放電。在具體應(yīng)用時，根據(jù)不同的應(yīng)用條件選擇合適的反應(yīng)器。

3 等離子脫硝技術(shù)現(xiàn)狀

目前，電子束法等離子脫硝技術(shù)研究相對較早并且在國內(nèi)已經(jīng)開展一些示范工程，但是由于能耗問題以及系統(tǒng)復(fù)雜等問題，還未進行工程推廣應(yīng)用。脈沖電暈法等離子脫硝技術(shù)研究也較多，并且已經(jīng)有一些中試規(guī)模試驗研究。

介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體直接脫除NO主要有兩條途徑：一是還原途徑，最終產(chǎn)物是N2和O2，此過程化學(xué)方程式可以簡單表示為N+NO—N2+O2；另一條是氧化途徑，即在等離子體作用下，NO被氧化，此過程可以簡單的表示為NO—NO2—HNO3。在脫除NOx過程中，氣體溫度、氣體組分、添加劑、氣流速度、溫度和輸入放電能量等都對NOx脫除率有明顯的影響[3]。

目前，阻擋介質(zhì)放電等離子脫硝技術(shù)研究處在理論研究和實驗室研究階段，主要研究還原劑和催化劑的選擇以及反應(yīng)器的設(shè)計方面，還未有中試規(guī)模試驗研究。

國內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究表明，阻擋截至等離子技術(shù)可以采用的還原劑有氨氣、一氧化碳、以及碳氫化合物。在無催化劑條件下，CO和H2脫硝對反應(yīng)溫度的要求非常高，其脫硝效果在強氧化條件下幾乎無效果；在弱氧化和弱還原條件下，脫硝效率約40%左右；在強還原條件下，可以達到90%以上。在有催化劑的條件下，反應(yīng)溫度比較低，大約在60℃～160℃之間[4-5]。近年來，等離子體和催化劑的協(xié)同脫硝技術(shù)研究非常多，該方法可以提高脫硝效率，但大多均在70%以下，尤其以CO為還原劑，效率僅為46%～62%[6]。

4 結(jié)語

通過對等離子脫硝技術(shù)研究表明，阻擋介質(zhì)等離子脫硝技術(shù)由于運行成本低、脫硝效率較高，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的研究價值。但是目前大多數(shù)研究都停留在小試或者中試試驗階段，還未應(yīng)用于實際工程中，因此下一步的研究中主要對阻擋介質(zhì)等離子脫硝技術(shù)應(yīng)用于實際工程需要解決的問題進行重點研究，主要有以下三方面：（1）開展阻擋介質(zhì)等離子脫硝技術(shù)機理研究，掌握低溫等離子脫硝技術(shù)機理、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、運行條件等。（2）阻擋介質(zhì)等離子技術(shù)投資造價問題。由于工程化以后，等離子脫硝技術(shù)投資造價直接影響技術(shù)推廣應(yīng)用，因此需要對技術(shù)進行升級優(yōu)化降低投資造價。（3）降低等離子脫硝技術(shù)運行能耗研究。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，低溫等離子脫硝存在電耗高的問題，下一步需要研究降低運行電耗的方法，為其推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 苗強.脫硝技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].潔凈煤技術(shù)，2017，23（2）：12-19.

[2] 王東.介質(zhì)阻擋放電等離子體脫除氮氧化物的實驗[D].華北電力大學(xué)，2014.

[3] 鄭小明，于琴琴，王卉，等.冷等離子體協(xié)同催化反應(yīng)[J].中國科學(xué)：化學(xué)，2014，44（12）：1923-1930.

[4] 曹曉曉.介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體脫除煙氣NOx及VOCS實驗研究[D].山東大學(xué)，2016.

[5] 張旭東.介質(zhì)阻擋放電冷等離子體去除NO的研究[D].清華大學(xué)，2003.

[6] 余剛，余奇，翟曉東，等.等離子體脫硝與等離子體-催化聯(lián)合脫硝的對比實驗研究[J].中國動力工程學(xué)報，2005，25（2）：285-288.