常压微波等离子体微波功率对硫化氢分解效率的影响

汪建华，徐 尧，高建保，薛垂庆

（1.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北 武汉 430074；2.中国石油大学（北京）化学工程学院，北京 102249）

0 引 言

随着中国工业现代化的不断进步和发展，石油的需求量也逐渐增加，而石油加工过程中所产生的尾气包含大量的有毒气体硫化氢（H2S）［1］.若直接排放则会造成大气污染，同时也危害人的身体健康.为了达到环保要求，必须对其进行分解处理.目前，分解硫化氢气体的方法有很多，大多炼油厂采用传统的克劳斯工艺处理含H2S的尾气［1－2］.但该方法不能回收有利用价值的氢气［2］.而等离子体技术作为一种新兴的污染物处理技术，具有流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点［3］.因此，其处理各类环境污染物已成为当前国内外的热门研究之一.本研究利用常压微波等离子体射流设备分解H2S，不仅可以得到单质S，而且可以回收氢气.该设备成本低、效果好、操作简单，不需要昂贵的真空设备，且能长时间的持续进行气体处理［4－5］.所以微波等离子体法分解H2S比克劳斯法更加有优势、也更加经济［6－8］.

本文利用自制的常压微波等离子体设备，分别在纯氩（99.999%）、纯二氧化碳（99.8%）及氩气与二氧化碳混合气体三种载气条件下，探讨了微波功率对H2S分解效率的影响.

1 实 验

1.1 实验设备与流程

实验采用自制的常压微波等离子体射流（MPJ）装置进行气体处理的研究.该设备在前人基础上进行了改进.其主要由微波源（磁控管）、波导管、环形器、水负载、谐振腔、耦合天线、短路活塞及冷却水系统连接而成，外接3kW微波电源，如图1所示.微波源工作频率为2.45GHz.波导管采用BJ26型.输出功率从0～3kW可调.采用气相色谱仪（GC9890A）检测.图2为实验流程示意图.

图1 常压微波等离子体射流装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of atmospheric pressure microwave plasma jet apparatus

图2 实验流程示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.2 实验工作原理及方法

打开水冷系统，开启MPJ设备，调节功率，打开气源.一定流量的源气经过等离子体谐振腔到达喷嘴处，当微波功率达到足够大时，喷嘴尖端处的微波能量能够激发该区域的气体放电，形成等离子体射流.图3所示为氩等离子体射流照片.气体被处理过后得到的固体物质单质硫将储存于分离系统的产物瓶中.产生的气体物质通过干燥器之后，一部分通过气相色谱仪进行检测，另一部分气体和检测后的气体均通入到装有三氯化铁和二氯化铜的吸收瓶中.使未被处理的H2S与吸收瓶中的三氯化铁和二氯化铜发生化学反应而被吸收，避免直接排放造成环境污染.

图3 氩等离子体射流图Fig.3 Visual view of the plasma jet in pure argon

2 结果与讨论

图4为总流量均为1000mL／min的不同载气等离子体射流长度随微波功率的变化.其中曲线（1）为纯Ar载气；曲线（2）为纯CO2载气；曲线（3）为CO2与Ar的混合载气.从图中可以发现，随着微波功率的增大，3种等离子体射流长度均不断增大.产生这一现象的原因是当微波功率较低时，喷嘴尖端电场强度较小，不能完全激发通过喷嘴的气体，而且功率较低时，有时会产生拉弧放电现象，因此射流长度较小，如图5所示.当功率继续增大时，喷嘴处的电场强度随之增大，气体电离度增加，射流长度相应变大.当射流长度不再变化时，说明产生的能量足以完全电离喷嘴处的气体，而继续增大微波功率，射流长度将不再发生变化.

图4 微波功率对等离子体射流长度的影响Fig.4 The influence of microwave power on the length of plasma jet

图5 微波功率500W时CO2等离子体射流Fig.5 CO2plasma jet with 500Wmicrowave power

图6是在总流量均为1000mL／min的不同载气类型条件下，微波功率对H2S转化率的影响.其中曲线（1）为纯Ar载气的条件下，流量比Ar∶H2S为9∶1；曲线（2）以纯CO2为载气，流量比CO2∶H2S为9∶1；曲线（3）载气流量比为CO2∶Ar∶H2S为8∶1∶1.比较图6和图4发现曲线变化趋势相近，随着微波功率的增加，H2S转化率呈先上升后略下降或不变的趋势，且当功率一定时，载气中加入CO2之后，H2S转换率变大.

出现以上现象的原因是当功率较低时，产生的微波能量较少，提供给激发气体的能量不足，使得气体电离程度较低，导致部分H2S气体未被分解.而随着微波功率的增加，提供给激发气体的能量也逐渐增大，气体电离程度也增加，所以H2S转化率增大.当功率继续增大时，在纯氩载气的条件下，功率的继续增加会产生额外的能量使得喷嘴周围局部温度升高，由于H2S的分解反应是可逆反应，在等离子体作用下，一定高温时会产生逆反应，于是H2S转化率会有所下降.而对于纯二氧化碳载气，部分CO2气体与H2S分解得到的H2发生反应，阻碍了H2S分解反应的逆反应，促进其正反应，使得其转化率继续增大，最后几乎不变或者下降趋势不明显.比较曲线（2）与（3）可推出，氩气与二氧化碳的混合气体更加有利于H2S的分解.由于氩气的理论击穿电场强度比二氧化碳要低许多，氩气更容易被激发.

数据显示当功率为1300W，流量比CO2∶Ar∶H2S为8∶1∶1，气流总量为1000mL／min时，H2S分解率最高为98.64%.而同样的载气条件下，功率为900、1100、1500W 时，H2S分解率分别为97.89%、98.45%、98.53%.虽然功率从900W增加至1500W时H2S分解率有所提高，但提高幅度并不大.从节能上考虑，实际应用中功率大小选择可选900W.

图6 微波功率对H2S分解效率的影响Fig.6 The influence of microwave power on the decomposition efficiency of H2S

本研究也存在一些不足之处.考虑到实用性和经济性，在后续实验研究中需要加入气体循环系统，充分利用源料气，使H2S分解更加充分.

3 结 语

a.常压微波等离子体能有效处理H2S气体.一定范围内增加微波功率有利于提高H2S的分解效率，当微波功率继续增加时，不同的载气（纯Ar、纯CO2、Ar与CO2混合气体）条件下，其分解效率变化趋势不同.在纯氩载气条件下，微波功率继续增加，H2S的分解效率会下降；载气中含有CO2时，H2S的分解效率随微波的继续增加而不变.

b.CO2载气有利于促进H2S的分解，提高其分解效率.相同微波功率条件下，载气为氩和二氧化碳混合气体时，H2S分解效率最高.且当微波功率为1300W，气体流量比CO2∶Ar∶H2S为8∶1∶1，总流量为1000mL／min时，H2S转化率最高达98.64%.而从节能方面考虑，在实际应用过程中，微波功率选择900W即可.

［1］吴丹，白雪峰.硫化氢分解制取氢气和硫的技术进展［J］.石油与天然气化工，2006，35（4）：276－279.

［2］董永治，王涵慧，俞稼镛.微波等离子体方法分解H2S制氢［J］.太阳能学报，1997，18（2）：142－145.

［3］刘长林，汪建华，熊礼威，等.大气微波等离子体炬装置设计及实验研究［J］.低温物理学报，2011，33（3）：112－115.

［4］刘繁，汪建华，王秋良，等.常压微波等离子体炬装置的模拟与设计［J］.强激光与粒子束，2011，23（6）：1504－1508.

［5］何艾华，吴利峰，汪建华，等.常压微波等离子射流脱碳处理有机工业废气［J］.武汉工程大学学报，2008，30（1）：51－54.

［6］Claire Tendero，Christelle Tixier，Pascal Tristant，et al.Atmospheric pressure plasmas：A review［J］.Spectrochimica Acta Part B，2006，61（1）：2－30.

［7］Gutsol K，Nunnally T，Rabinovich A，et al.Plasma assisted dissociation of hydrogen sulfide ［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（2）：1335－1347.

［8］Linga Reddy E，Biju V M，Subrahmanyam Ch.Production of hydrogen and sulfur from hydrogen sulfide assisted by nonthermal plasma［J］.Applied Energy，2012，95（7）：87－92.