本發(fā)明屬于火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，本發(fā)明還涉及利用氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置進行脫除氮氧化物的方法。

背景技術(shù)：

火力發(fā)電是重要的能源工業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對國家經(jīng)濟、社會發(fā)展以及人民生活水平的提高都具有非常重要的作用；同時火力發(fā)電也是主要的排污行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計，火力發(fā)電行業(yè)中氮氧化物排放量占全國排放總量的40％以上。因此，有效控制火力發(fā)電廠污染物的排放對火力發(fā)電行業(yè)的持續(xù)性發(fā)展有著重要意義。

目前，應(yīng)用較為廣泛的去除氮氧化物(NOx)的方法是選擇性催化還原法(簡稱：SCR)。但是，催化還原法在實際的應(yīng)用中存在一些缺陷，如：成本過高及容易引起二次污染及氨泄漏等。

近年來，低溫等離子體處理氮氧化物(NOx)是研究熱點，而最常用的產(chǎn)生低溫等離子體的方法是介質(zhì)阻擋放電。介質(zhì)阻擋放電是一種強電離放電，它具有放電均勻穩(wěn)定、容易控制、利用率高及適用于化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點，因此適用于廢氣處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，采用氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體來去除氮氧化物(NOx)，該方法對低溫等離子處理氮氧化物(NOx)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

本發(fā)明的另一目的在于提供利用氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置脫除氮氧化物的方法。

本發(fā)明所采用第一種的技術(shù)方案是，氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，包括有等離子體反應(yīng)器，等離子體反應(yīng)器設(shè)置有兩個放電電極，一個放電電極為柱狀銅電極，另一個放電電極為液相水電極；液相水電極外壁貼附有絲網(wǎng)，且液相水電極連接接地不銹鋼棒，以保證實驗過程中液相接地；柱狀銅電極外壁上貼附有阻擋介質(zhì)，且阻擋介質(zhì)為石英板，柱狀銅電極的頂部焊接有不銹鋼棒，用以連接低溫等離子體實驗電源，低溫等離子體實驗電源分別連接示波器、調(diào)壓器，示波器用來對峰值電壓、電流信號進行測量，調(diào)壓器用來調(diào)節(jié)峰值電壓；示波器、調(diào)壓器均與電源連接；在柱狀銅電極和液相水電極之間形成放電區(qū)域，放電區(qū)域一側(cè)設(shè)置有光譜儀的光纖探頭，光譜儀與計算機連接；等離子體反應(yīng)器通過氣體導(dǎo)管a與緩沖瓶連接，氣體導(dǎo)入管a通過氣體導(dǎo)入管b連接煙氣分析儀，且氣體導(dǎo)入管a上設(shè)置有閥門aF，氣體導(dǎo)入管b上設(shè)置有閥門bF；緩沖瓶通過兩根氣管分別連接兩個儲氣罐，且每根氣管上設(shè)置一個流量計；等離子體反應(yīng)器還通過煙氣管與氣體導(dǎo)入管b連接，且在煙氣管上設(shè)置有循環(huán)泵。

本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點還在于：

計算機內(nèi)預(yù)設(shè)有Morpho2011軟件。

光譜儀的參數(shù)為：FX400+，CCD：TCD1304DG-UV，光柵：600L/250nm。

石英板的厚度為0.5mm～1.5mm。

低溫等離子體實驗電源的型號為CTP-2000K。

示波器采用ADS1102數(shù)字型示波器。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、打開兩個儲氣罐，使N₂、NO和O₂、濕氣在緩沖瓶內(nèi)混合均勻，形成混合氣體；打開閥門a以及閥門b，緩沖瓶內(nèi)的混合氣體經(jīng)氣體導(dǎo)入管a流入等離子體反應(yīng)器中，同時緩沖瓶內(nèi)的混合氣體也經(jīng)氣體導(dǎo)入管b進入煙氣分析儀中，由煙氣分析儀觀測混合氣體成分，在這一過程中要調(diào)節(jié)流量計并觀察煙氣分析儀顯示的數(shù)據(jù)變化，以得到氮氧化物NOx的起始濃度；

步驟2、待步驟1完成后，關(guān)閉閥門a以及閥門b，打開循環(huán)泵，使緩沖瓶內(nèi)混合均勻的混合氣體流入等離子體反應(yīng)器內(nèi)，并使其在等離子體反應(yīng)器內(nèi)保持流動狀態(tài)；

步驟3、待步驟1和步驟2完成后，打開低溫等離子體實驗電源和示波器，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器，示波器上所顯示的峰值電壓數(shù)值也在變化，當達到所要求的峰值電壓時停止調(diào)節(jié)，峰值電壓為18kV～21kV，并觀察示波器顯示數(shù)據(jù)；

在得到峰值電壓的同時開始進行計時，以便于觀察不同的放電時間對處理效果的影響，將時間控制在30s～60s；

步驟4、待步驟3完成后，利用光譜儀的光纖探頭觀測OH自由基的光譜強度，并將得到的OH自由基的光譜強度傳送于計算機中；利用計算機內(nèi)嵌的Morpho2011軟件對OH自由基的光譜強度進行處理，能得到在放電期間，OH自由基的光譜強度變化。

步驟5、經(jīng)步驟4，待氣體處理30s后，打開閥門b；

通過煙氣分析儀采樣分析NO和NO2的濃度變化，以得到處理后的氣體成分；

步驟6、將經(jīng)步驟5得到的數(shù)據(jù)與經(jīng)步驟1得到的氮氧化物NOx的起始濃度進行對比，經(jīng)計算后，即得到氮氧化物NOx處理效率，具體算法如下：

式中：C(NO_X0)為處理前NO和NO₂的總體積濃度，C(NO_X)為處理后NO和NO₂的總體積濃度。

本發(fā)明第二中技術(shù)方案的特點還在于：

在步驟2中，混合氣體在等離子體反應(yīng)器內(nèi)的流速主要由循環(huán)泵來控制，將流速控制為1L/min～4L/min。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置結(jié)構(gòu)簡單且容易操作，非常適合推廣使用。

(2)本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置在應(yīng)用中，采用氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體去除氮氧化物(NOx)，該研究成果對低溫等離子處理氮氧化物(NOx)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

(3)利用本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，其結(jié)果表明：氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的OH自由基光譜強度遠遠大于板板電極的，更有利于氮氧化物(NOx)的去除；提高峰值電壓、氣體停留時間，有利于氮氧化物(NOx)的脫除；增加氣體流速和氮氧化物(NOx)起始濃度抑制氮氧化物(NOx)的去除。

(4)本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置在實際應(yīng)用中，對于火力發(fā)電廠尾氣中的氮氧化物(NOx)能夠進行有效的去除，在一定程度上緩解了火力發(fā)電廠污染大的缺陷，具有較好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是經(jīng)測量得到的板板電極DBD與氣-液兩相DBD光譜特性圖；

圖3是氮氧化物(NOx)去除率與峰值電壓的關(guān)系圖譜；

圖4是氮氧化物(NOx)去除率與氣體停留時間的關(guān)系圖譜；

圖5是氮氧化物(NOx)去除率與氣體流速的關(guān)系圖譜；

圖6是氮氧化物(NOx)去除率與起始濃度的關(guān)系圖譜。

圖中，1.流量計，2.緩沖瓶，3.計算機，4.光譜儀，5.煙氣分析儀，6.等離子體實驗電源，7.示波器，8.調(diào)壓器，9.電源，10.循環(huán)泵，11.氣體導(dǎo)管a，12.絲網(wǎng)，13.接地不銹鋼棒，14.阻擋介質(zhì)，15.柱狀銅電極，16.放電區(qū)域，17.液相水電極，18.儲氣罐，19.氣體導(dǎo)管b，20.光纖探頭，F(xiàn)1.閥門a，F(xiàn)2.閥門b。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

利用等離子體處理廢氣，其機理在于：等離子體中包含大量的高能電子，它們和進入到放電空間的部分廢氣分子、水分子發(fā)生碰撞結(jié)合等反應(yīng)，在這一反應(yīng)進行的過程中能生成大量的OH自由基、HO₂、O等活性自由基和具有強氧化性的臭氧O₃，它們能與有害氣體分子發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，最后生成無害小分子物質(zhì)，以NO為例，其中涉及的化學(xué)反應(yīng)式具體如下：

O₂+e→e+O+O (1)；

O+O₂→O₃ (2)；

O+HO→2OH (3)；

H₂O+e→e+H+OH (4)；

NO+O→NO₂ (5)；

NO+O₃→NO₂+O₂ (6)；

NO+2OH→NO₂+H₂O (7)；

NO+HO₂→NO₂+OH (8)；

由上述反應(yīng)式(1)～反應(yīng)式(8)可以看出：NO在OH自由基、HO2、O等活性自由基和具有強氧化特性的臭氧O₃的作用下被氧化成NO₂，然后溶于水生成硝酸，再進行酸堿結(jié)合生成相應(yīng)的鹽以達到脫硝的目的。由此可見：OH自由基在氮氧化物(NOx)去除中起著重要的作用。

在本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法中，采用有液相參與放電活動的氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，在這一過程中能得出峰值電壓、氣體停留時間、氣體流速及氮氧化物(NOx)起始濃度對處理氮氧化物(NOx)效率的影響，并且能分析氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電的光學(xué)特性。

本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法中采用了氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置。

本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有等離子體反應(yīng)器，等離子體反應(yīng)器設(shè)置有兩個放電電極，一個放電電極為柱狀銅電極15，另一個放電電極為液相水電極17；液相水電極17外壁貼附有絲網(wǎng)12，且液相水電極17連接接地不銹鋼棒13，以保證實驗過程中液相接地；柱狀銅電極15外壁上貼附有阻擋介質(zhì)14，且阻擋介質(zhì)14為石英板，柱狀銅電極15的頂部焊接有不銹鋼棒，用以連接低溫等離子體實驗電源6，低溫等離子體實驗電源6分別連接示波器7、調(diào)壓器8，示波器7用來對峰值電壓、電流信號進行測量，調(diào)壓器8用來調(diào)節(jié)峰值電壓；示波器7、調(diào)壓器8均與電源9連接；在柱狀銅電極15和液相水電極17之間形成放電區(qū)域16，放電區(qū)域16一側(cè)設(shè)置有光譜儀4的光纖探頭20，光譜儀4與計算機3連接；等離子體反應(yīng)器通過氣體導(dǎo)管a11與緩沖瓶2連接，氣體導(dǎo)入管a11通過氣體導(dǎo)入管b19連接煙氣分析儀5，且氣體導(dǎo)入管a11上設(shè)置有閥門aF1，氣體導(dǎo)入管b19上設(shè)置有閥門bF2(其中的氣體導(dǎo)入管a11和氣體導(dǎo)入管b19用來傳輸氣體的)；緩沖瓶2通過兩根氣管分別連接兩個儲氣罐18，且每根氣管上設(shè)置一個流量計1；等離子體反應(yīng)器還通過氣體導(dǎo)管與氣體導(dǎo)入管b19連接，且在氣體導(dǎo)管上設(shè)置有循環(huán)泵10。

計算機3內(nèi)預(yù)設(shè)有Morpho2011軟件，該軟件主要配合光譜儀4使用，將光譜儀4采集到的光譜曲線在電腦上顯示出來，以便觀察。

光譜儀4的參數(shù)為：FX400+，CCD：TCD1304DG-UV，光柵：600L/250nm。

石英板的厚度為0.5mm～1.5mm。

低溫等離子體實驗電源6的型號為：CTP-2000K。

示波器7采用ADS1102數(shù)字型示波器。

本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、打開兩個儲氣罐18，使N2、NO和O2、濕氣在緩沖瓶2內(nèi)混合均勻，形成混合氣體；打開閥門aF1以及閥門bF2，緩沖瓶2內(nèi)的混合氣體經(jīng)氣體導(dǎo)入管a11流入等離子體反應(yīng)器中，同時緩沖瓶2內(nèi)的混合氣體也經(jīng)氣體導(dǎo)入管b19進入煙氣分析儀5中，由煙氣分析儀5觀測混合氣體成分，在這一過程中要調(diào)節(jié)流量計1并觀察煙氣分析儀5顯示的數(shù)據(jù)變化，以得到氮氧化物NOx的起始濃度。

步驟2、待步驟1完成后，關(guān)閉閥門aF1以及閥門bF2，打開循環(huán)泵10，使緩沖瓶2內(nèi)混合均勻的混合氣體流入等離子體反應(yīng)器內(nèi)，并使其在等離子體反應(yīng)器內(nèi)保持流動狀態(tài)；

其中，混合氣體在等離子體反應(yīng)器內(nèi)的流速主要由循環(huán)泵10來控制，最好將流速控制為1.5L/min～2.5L/min。

步驟3、待步驟1和步驟2完成后，打開低溫等離子體實驗電源6和示波器7，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器8并觀察示波器7顯示數(shù)據(jù)，就能得到所需峰值電壓，最好將峰值電壓控制在18kV～21kV；(通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器8，示波器7上所顯示的峰值電壓數(shù)值也在變化，當達到實驗所需峰值電壓時停止調(diào)節(jié))；

在得到實驗所需峰值電壓的同時，開始進行計時，目的是為了觀察不同的放電時間對處理效果的影響，最好將時間控制在30s～60s。

步驟4、待步驟3完成后，利用光譜儀4的光纖探頭20觀測OH自由基的光譜強度(其中光纖探頭20位于等離子體反應(yīng)器內(nèi)放電區(qū)域16一側(cè))，并將得到的OH自由基的光譜強度傳送于計算機3中，利用計算機3內(nèi)嵌的Morpho2011軟件對OH自由基的光譜強度進行處理，能得到在放電期間，OH自由基的光譜強度變化。

步驟5、經(jīng)步驟4，待達到所需處理時間后(30s)，打開閥門bF2；

通過煙氣分析儀5采樣分析NO和NO2的濃度變化，以得到處理后的氣體成分。

步驟6、將經(jīng)步驟5得到的數(shù)據(jù)與經(jīng)步驟1得到的氮氧化物NOx的起始濃度進行對比，經(jīng)計算后得到氮氧化物NOx處理效率，具體算法如下：

在上式中：C(NO_X0)為處理前NO和NO₂的總體積濃度，C(NO_X)為處理后NO和NO₂的總體積濃度。

發(fā)射光譜分析具體如下：

氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電等離子體內(nèi)部產(chǎn)生的活性粒子種類及其相關(guān)參數(shù)，對其應(yīng)用到廢氣處理領(lǐng)域有影響，具體如下：

操作時，如圖1所示，將光譜儀4的光纖探頭20設(shè)置在等離子體反應(yīng)器的一側(cè)，用于測量發(fā)射光譜。圖2給出了測量得到的在外加電壓為21kV時的板板電極DBD與氣-液兩相DBD光譜特性圖，從圖2中可以看出：在309nm～313nm波長譜線范圍內(nèi)能找到明顯的OH自由基譜線帶，并且在相同條件下，氣-液兩相DBD的OH自由基光譜強度達到了14000左右，遠遠大于板板電極DBD，所以可以得出：有液相參與的氣-液兩相DBD更適用于氮氧化物(NOx)的處理。

峰值電壓對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

峰值電壓對等離子體放電有著很重要的影響；常溫常壓下，在N₂/O₂/NO/濕氣氣氛下，氣體流速為2.5L/min，氣體停留時間為30秒，氣體相對濕度為36％，電源頻率為11kHz，氮氧化物(NOx)去除率與峰值電壓的關(guān)系如圖3所示；由圖3可知：以氮氧化物(NOx)起始濃度為150ppm為例，當峰值電壓小于21kV時，隨峰值電壓的升高氮氧化物(NOx)去除率增幅較大，當峰值電壓大于21kV后，氮氧化物(NOx)去除率接近90％，而后峰值電壓對氮氧化物(NOx)去除率的影響不大；這是因為隨著峰值電壓的升高，OH自由基、HO₂、O等活性粒子和O₃的濃度在增加，更加促進了反應(yīng)式(5)、反應(yīng)式(6)、反應(yīng)式(7)、及反應(yīng)式(8)的反應(yīng)進行，基本能將全部的NO氧化成NO₂，所以之后去除率不變。

氣體停留時間對氮氧化物去除率的影響：

常溫常壓下，在N₂/O₂/NO/濕氣氣氛下，氣體流速為2.5L/min，氣體相對濕度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV，NOx去除率與氣體停留時間的關(guān)系如圖4所示；由圖4可知：以150ppm為例：當氣體處理時間小于30s時，氮氧化物(NOx)去除率有明顯的增加，當氣體停留時間大于30s時，氮氧化物(NOx)去除率接近90％，并且無明顯變化。這是因為氮氧化物(NOx)氣體在等離子體反應(yīng)器中的停留時間越長，氣體受高能電子、OH自由基、O和臭氧的作用時間也越長，反應(yīng)式(5)、反應(yīng)式(6)、反應(yīng)式(7)及反應(yīng)式(8)所進行反應(yīng)的時間也越長，而使NO氧化成NO₂的效率提高。當停留時間大于30s秒后，氮氧化物(NOx)與活性粒子的反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，所以氮氧化物(NOx)的去除率變化不大。

氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

在N₂/O₂/NO/濕氣氣氛下，氣體停留時間為30秒，氣體相對濕度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV時氮氧化物(NOx)去除率與氣體流速的關(guān)系如圖5所示；由圖5可知，以150ppm為例：氣體流速小于2.5L/min時，氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率的影響比較大；當氣體流速大于2.5L/min時，氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率影響比較小。這是因為氣體流速小則NO在反應(yīng)器內(nèi)與活性粒子的碰撞幾率就增大，反應(yīng)式(5)、反應(yīng)式(6)、反應(yīng)式(7)、反應(yīng)式(8)所進行的反應(yīng)也越充分，NO氧化率也就越高，所以氮氧化物(NOx)去除率升高。但是當氣體流速過大時，一方面因為單位體積內(nèi)被激活的活性粒子數(shù)下降，另一方面是NO在反應(yīng)器內(nèi)與活性粒子的碰撞幾率減小，所以導(dǎo)致氮氧化物(NOx)去除率降低。

起始濃度對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

在N₂/O₂/NO/濕氣氣氛下，氣體停留時間為30秒，氣體相對濕度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV時氮氧化物(NOx)去除率與起始濃度的關(guān)系如圖6所示；操作時，分別取氣體流速為1L/min、2L/min、3L/min進行對比；由圖6可知：氮氧化物(NOx)的去除率隨著氮氧化物(NOx)初始濃度的增加先增加后減小；以氣體流速為1L/min為例：當?shù)趸?NOx)初始濃度小于150ppm時，氮氧化物(NOx)去除率呈增加趨勢并接近于90％，當?shù)趸?NOx)初始濃度大于150ppm時，氮氧化物(NOx)去除率呈減小趨勢。這是因為在一定的輸入功率下只能產(chǎn)生一定量的活性粒子，并把一定量的NO氧化成NO₂。由此可見：選擇合適的氮氧化物(NOx)起始濃度有利于氮氧化物(NOx)的去除。

本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法表明：氣-液兩相DBD相比于板板電極DBD能產(chǎn)生更多的OH自由基，更適用于氮氧化物(NOx)的去除。另外，本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的方法中還利用氣-液兩相DBD反應(yīng)器考察了反應(yīng)條件對氮氧化物(NOx)去除率的影響：氮氧化物(NOx)去除率隨電壓峰值的升高而升高；隨氣體停留時間的增加先增加而后趨于平穩(wěn)；隨氣體流速的增加而減?。浑SNOx起始濃度的增加先增加后減小。由此可見：氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電等離子體對于火電廠尾氣中的氮氧化物(NOx)能夠進行有效的去除，具有較好的應(yīng)用前景。

等離子體在放電空間與部分廢氣分子、水分子發(fā)生碰撞結(jié)合等反應(yīng)，生成大量的OH自由基、HO₂、O等活性自由基和具有強氧化性的O₃，它們與NO發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)生成NO₂，NO₂溶于水后生成硝酸，然后進行酸堿結(jié)合生成相應(yīng)的鹽以達到脫硝的目的。

利用本發(fā)明氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電脫除氮氧化物的裝置進行脫除氮氧化物的方法具有成本低、裝置占地面積小及無二次污染的優(yōu)點。而更重要的是：氣-液兩相介質(zhì)阻擋放電所產(chǎn)生的OH自由基等活性自由基濃度遠遠高于傳統(tǒng)板板電極介質(zhì)阻擋放電所產(chǎn)生的，因此更有利于氮氧化物(NOx)的脫除。