双介质低温等离子体空气放电光谱分析及工作参数对NOx生成的影响

王军， 何涛， 李超， 唐炜， 王兴华

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)



双介质低温等离子体空气放电光谱分析及工作参数对NOx生成的影响

王军， 何涛， 李超， 唐炜， 王兴华

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

依据介质阻挡放电原理及低温等离子体转化有害气体的机理，设计了一套双介质阻挡放电型低温等离子体空气放电试验系统。研究了空气流量、激励电压峰峰值(VP-P)及放电频率对空气放电特性及其产生的NO，NO2体积分数变化的影响，并采集了放电区域光谱信息。研究结果表明：当VP-P、空气流量保持恒定时，NO，NO2的体积分数随放电频率的增大而逐渐减小；当放电频率、VP-P保持恒定时，NO，NO2的体积分数均随空气流量的增大而逐渐减小；保持放电频率不变，VP-P从13 kV增大到28 kV过程中，氮气发射特征谱线强度逐渐增大；保持VP-P不变，放电频率从7 kHz增大到11 kHz过程中，氮气特征谱线强度逐渐减小。

介质阻挡放电； 低温等离子体； 反应机理； 频率； 氮氧化物

全球汽车数量持续增加，汽车排气中的NOx和PM已成为大气中主要污染源之一。随着排放法规的日益严格，如何降低柴油机的NOx和PM排放已成为内燃机排放领域的研究重点[1-3]。利用介质阻挡放电(DBD)产生低温等离子体(NTP)技术是一种新型的排放后处理技术，具有成本低，二次污染小，去除效率高等优点。近年来利用该技术处理柴油机NOx和PM排放已成为国内外学者研究的热点[4-7]。

上海交大黄震等利用NTP协同催化技术开展了柴油机模拟排气氧化分解积炭陶瓷小球的试验研究工作，发现NTP在协同催化技术扩大催化剂吸附、分解NOx能力的同时，可有效氧化分解其中的干炭烟成分。日本大阪府立大学Masaaki等，利用空气作为气源，将高能粒子喷到微粒捕集器(DPF)上游，通过监测DPF两端压差及对DPF称重来判断DPF的再生，在250 ℃左右实现了DPF的再生，并指出O3和NO2是氧化PM 的主要物质[8-10]。采用氧化催化器(DOC)能够实现NO的预氧化，但是存在催化剂硫中毒和热失活等问题，通过NTP技术将部分NO预先氧化成NO2，可利用其强氧化性将排放物中的PM氧化为CO2,可以实现柴油机排气环境中DPF的连续再生[11-13]。

本研究利用双介质NTP反应器进行空气放电试验，分析了空气放电产生NOx的化学反应机理及性能，并结合NOx体积分数的变化和放电区域的光谱信息，研究了空气流量、放电频率和激励电压峰峰值(VP-P)对NOx体积分数变化的影响，为NTP技术用于降低柴油机NOx和PM排放的研究提供基础试验依据。

1 试验系统研究

图1示出了试验系统布置示意。试验系统由变压变频NTP反应器电源(CTP-2000K智能电子冲击机，0～25 kV，8～20 kHz可调)、双介质阻挡放电型NTP反应器、TDS 3034B Tektronix示波器、LZB型玻璃转子流量计、TCK P6139A高压探头、MAYA2000-Pro光谱仪(波长范围为20～1 100 nm，分辨率为0.3 nm)、TESTO 350XL气体分析仪(体积分数测量范围:NO，0～3 000×10-6；NO2，0～500×10-6)组成。试验中使用的双介质阻挡放电型NTP反应器具体结构参数：石英玻璃内管内径32 mm，外径36 mm，石英玻璃外管内径40 mm，外径44 mm，不锈钢内电极外径32 mm，紧密包裹于石英玻璃外管外表面的致密铁网外电极长度为200 mm。

试验时，控制空气流量为6 L/min，8 L/min，10 L/min，调节放电频率范围为7～11 kHz，VP-P变化范围为6～32 kV，利用光谱仪实时监测发射光谱强度的变化，利用气体分析仪从反应器下游旁通取气，测量NO，NO2体积分数。

2 试验结果及分析

2.1 NTP压缩空气的化学反应机理

空气放电化学反应机理见式(1)至式(5)[14]，式中M表示亚稳态粒子，上标*表示粒子处在较高能量状态。式(1)～式(4)中，高能电子通过撞击、离解空气中的N2和O2等一系列过程产生N原子和O原子。在O原子、O3分子等活性物质的促进作用下，NTP放电区域发生了式(5)～式(15)一系列化学反应。其中NO主要通过式(9)，式(10)生成，NO2主要通过式(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 放电频率对NOx体积分数的影响

空气流量为6 L/min，不同放电频率时，NO，NO2的体积分数随VP-P的变化规律见图2。由图2可见，当空气流量保持恒定时，放电频率在7～8.5 kHz范围内，NO，NO2的体积分数随VP-P总体上呈线性增长趋势。其原因是随着VP-P的升高，放电间隙两端电压随之增大，导电通道的数量逐渐增加，更多O2和N2被分解，促进了反应(9)～反应(12)的进行。当VP-P、空气流量保持恒定时，放电频率从7 kHz升高到9 kHz，空气中活性成分增加，放电均匀，抑制O生成的反应较强，导致式(9)和式(10)反应生成的NO减少，式(11)和式(12)反应生成的NO2减少，并且随着放电频率的增大，NOx中NO2的占比也增大。

图2 不同放电频率时NOx体积分数随VP-P的变化

2.3 空气流量对NOx体积分数的影响

放电频率为8.5 kHz，不同空气流量时NO与NO2的体积分数随VP-P的变化规律见图3。由图3可见，NO，NO2体积分数随空气流量的增大而减小，这主要是由于空气流量增大时，气体在反应器中滞留时间变短，从而影响反应的进行程度。在相同的VP-P下，减少反应物放电区域的停留时间，相当于降低了输入放电区域的能量密度，从而N2因高能电子碰撞而激发解离的可能性减小，导致NO的生成率降低。对于NO2，NO分子与N分子的碰击概率降低，导致反应(11)、反应(12)中N2O与O原子以及NO与O原子发生反应的概率减小。

图3 不同空气流量时NOx体积分数随VP-P的变化

2.4 放电区域光谱强度变化规律

利用MAYA2000-Pro光谱仪采集反应气体的发射光谱，经光谱分析软件处理后输出数据，发现试验中氮气的发射光谱谱线主要集中在300～450 nm。根据发射光谱诊断原理，发射光谱由活性氮气分子的外层电子跃迁所致，这表明放电空间中存在着活性氮分子。

为研究VP-P对氮气发射谱线强度的影响，试验中保持空气流量为6 L/min，保持放电频率为8.5 kHz，调节VP-P分别为13 kV，17 kV，19 kV，23 kV，25 kV和28 kV，观察氮气发射谱线强度随VP-P的变化规律(见图4)。由图4可见，保持放电频率不变，VP-P从13 kV增大到28 kV过程中，氮气发射特征谱线强度逐渐增大。VP-P升高后，放电功率升高，放电空间内的气体放电更加强烈，高能电子将激发更多的氮气分子形成活性氮气分子，发射光谱因此逐渐加强。

图4 发射光谱强度随VP-P的变化

为研究放电频率对氮气发射谱线强度的影响，试验中保持VP-P为19 kV不变，调节放电频率分别为7 kHz，8 kHz，8.5 kHz，9 kHz，10 kHz和11 kHz，观察氮气发射谱线强度随放电频率的变化规律(见图5)。由图5可以观察到，放电频率从7 kHz增大到11 kHz过程中，特征谱线强度逐渐减小。放电频率升高后，空气整体活性增强，放电均匀，抑制O生成的反应较强，高能电子激发氮气分子形成的活性氮气分子减少，发射光谱强度因此逐渐减小。

图5 发射光谱强度随放电频率的变化

3 结论

a) 当VP-P、空气流量保持恒定时，NO，NO2体积分数随放电频率的增大而逐渐减小，并且NOx中NO2的占比也增大；

b) 当放电频率、VP-P保持恒定时，NO，NO2体积分数均随空气流量的增大而逐渐减小；

c) 保持放电频率不变，VP-P从13 kV增大到28 kV过程中，氮气发射特征谱线强度逐渐增大；放电频率从7 kHz增大到11 kHz过程中，特征谱线强度逐渐减小。

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[编辑： 姜晓博]

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

国家自然科学基金(51306074)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目(10JDG051)

王军(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向为发动机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