等离子脱硝技术现状及展望

孟磊

摘 要：等离子体脱硝是一种新的脱硝技术，由于其可以解决低温脱硝，成为研究热点之一。本论文主要介绍了等离子脱硝技术原理以及分类，并分析了等离子脱硝技术研究现状，最后给出了等离子脱硝技术存在的问题及下一步研究方向。

关键词：等离子 脱硝 介质阻挡放电

中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0068-02

氮氧化物是一种主要的大气污染物，对于形成雾霾具有重要作用。十二五以来，国家不断提高氮氧化物排放标准，尤其是对于电力行业。目前，电力行业脱硝装置投运率已经达到99%以上。电力行业主流的脱硝技术是SCR脱硝技术，由于其脱硝效率高，运行稳定，应用非常广泛。但是，SCR脱硝技术不能实现低温脱硝，在机组启停以及低负荷情况下不能投入运行[1]。为了解决低温脱硝的问题，国内专家学者进行了广泛研究，等离子脱硝技术成为研究方向之一。

等离子脱硝技术研究起步较晚，目前还未实现工程應用，但是由于其受温度影响小成为解决低温脱硝的一种方法，具有较好的市场前景。本论文主要研究了等离子脱硝技术原理、技术分类以及技术研究现状，通过对现状研究，掌握等离子脱硝技术主要存在的问题以及下一步重点研究方向，为等离子脱硝技术研究提供基础。

1 等离子脱硝技术概述

等离子体（Plasma）一词是在19世纪30年代由Langmuir引入到物理文献中的，用它来表示气体放电中正负电荷相等而呈电中性的区域，由大量相互作用的但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系，是和固态、液态、气态处于同一层次的物质存在的第四态，其含义是由大量带电粒子和中性粒子组成的准电中性气体。

随着等离子体研究的不断深入，人们发现等离子体技术对烟气进行处理，脱除其中的NOx等有害气体具有处理效果好、范围广、能同时处理多种污染物和净化彻底等优点。等离子体技术处理污染物的原理为：在外加电场的作用下，放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物得以降解去除[2]。作为环境污染物处理领域中一项高新技术，等离子体受到了国内外的广泛关注。

2 等离子脱硝技术分类

根据产生等离子体方法不同，等离子体脱硝技术主要分为三种电子束法、脉冲电晕法、阻挡介质放电法，三种技术对比如表1所示。

电子束法等离子体技术的核心设备是高压电子枪，通过高压电子枪产生高能量电子，从而将气体分子电离，产生的活性物质与气体分子发生剧烈反应，实现脱硝的目的。该技术由于工作电压高，设备复杂，并且能耗较高。

电晕放电等离子技术是利用尖端放电原理，将电压通到曲率半径很小的电极上，通过控制电压使电极附近的空气发生电离，从而产生局部放电现象。脉冲电晕放电由于在极短时间内放电从而引发化学反应，能量利用率较高，对其研究较多。

阻挡介质放电是在电极之间加入绝缘介质的一种放电方式，当在电极两端施加足够电压时，气体就会被击穿而形成放电。绝缘介质在放电过程中起到储能作用，使放电表现为持续时间短的微放电并且放电很均匀，放电非常稳定并且抑制火花放电产生。绝缘介质可以放在两个电极之间，也可以覆盖在电极表面。介质材料通常为石英、玻璃、陶瓷等。根据电极和绝缘介质布置的不同，阻挡介质等离子反应器可以是极板式或者圆柱式。另外，根据介质数量不同还可以分为单介质阻挡介质放电或者双介质阻挡放电。在具体应用时，根据不同的应用条件选择合适的反应器。

3 等离子脱硝技术现状

目前，电子束法等离子脱硝技术研究相对较早并且在国内已经开展一些示范工程，但是由于能耗问题以及系统复杂等问题，还未进行工程推广应用。脉冲电晕法等离子脱硝技术研究也较多，并且已经有一些中试规模试验研究。

介质阻挡放电产生低温等离子体直接脱除NO主要有两条途径：一是还原途径，最终产物是N2和O2，此过程化学方程式可以简单表示为N+NO—N2+O2；另一条是氧化途径，即在等离子体作用下，NO被氧化，此过程可以简单的表示为NO—NO2—HNO3。在脱除NOx过程中，气体温度、气体组分、添加剂、气流速度、温度和输入放电能量等都对NOx脱除率有明显的影响[3]。

目前，阻挡介质放电等离子脱硝技术研究处在理论研究和实验室研究阶段，主要研究还原剂和催化剂的选择以及反应器的设计方面，还未有中试规模试验研究。

国内相关学者研究表明，阻挡截至等离子技术可以采用的还原剂有氨气、一氧化碳、以及碳氢化合物。在无催化剂条件下，CO和H2脱硝对反应温度的要求非常高，其脱硝效果在强氧化条件下几乎无效果；在弱氧化和弱还原条件下，脱硝效率约40%左右；在强还原条件下，可以达到90%以上。在有催化剂的条件下，反应温度比较低，大约在60℃～160℃之间[4-5]。近年来，等离子体和催化剂的协同脱硝技术研究非常多，该方法可以提高脱硝效率，但大多均在70%以下，尤其以CO为还原剂，效率仅为46%～62%[6]。

4 结语

通过对等离子脱硝技术研究表明，阻挡介质等离子脱硝技术由于运行成本低、脱硝效率较高，具有广泛的应用前景和较高的研究价值。但是目前大多数研究都停留在小试或者中试试验阶段，还未应用于实际工程中，因此下一步的研究中主要对阻挡介质等离子脱硝技术应用于实际工程需要解决的问题进行重点研究，主要有以下三方面：（1）开展阻挡介质等离子脱硝技术机理研究，掌握低温等离子脱硝技术机理、关键技术参数、运行条件等。（2）阻挡介质等离子技术投资造价问题。由于工程化以后，等离子脱硝技术投资造价直接影响技术推广应用，因此需要对技术进行升级优化降低投资造价。（3）降低等离子脱硝技术运行能耗研究。通过调研发现，低温等离子脱硝存在电耗高的问题，下一步需要研究降低运行电耗的方法，为其推广应用提供基础。

参考文献

[1] 苗强.脱硝技术现状及展望[J].洁净煤技术，2017，23（2）：12-19.

[2] 王东.介质阻挡放电等离子体脱除氮氧化物的实验[D].华北电力大学，2014.

[3] 郑小明，于琴琴，王卉，等.冷等离子体协同催化反应[J].中国科学：化学，2014，44（12）：1923-1930.

[4] 曹晓晓.介质阻挡放电低温等离子体脱除烟气NOx及VOCS实验研究[D].山东大学，2016.

[5] 张旭东.介质阻挡放电冷等离子体去除NO的研究[D].清华大学，2003.

[6] 余刚，余奇，翟晓东，等.等离子体脱硝与等离子体-催化联合脱硝的对比实验研究[J].中国动力工程学报，2005，25（2）：285-288.