康奕菁，馮肇霖，謝逢俊

(1.廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣東省環(huán)境保護(hù)中小型靜電除塵與分離技術(shù)工程研究開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州 510000）

1 概述

O3作為一種自由基在電子束、脈沖等離子體放電中廣泛存在。臭氧氧化脫硝技術(shù)，在大氣治理行業(yè)有不少應(yīng)用，但是因臭氧易逃逸產(chǎn)生二次污染，所以在應(yīng)用過(guò)程中具有爭(zhēng)議性。

例如自2019年山東生態(tài)環(huán)境廳明確提出“各類鍋爐、爐窯等排放NOx的設(shè)施，禁止新上經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)效果不滿足要求的臭氧氧化脫硝技術(shù)設(shè)施。已采用臭氧氧化技術(shù)脫硝的，應(yīng)于2020年11月1日前逐步完成脫硝技術(shù)改造，以滿足排放要求”。后因引發(fā)廣泛關(guān)注后另出文明確提出不再執(zhí)行，提出使用臭氧氧化法脫硝工藝的，應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下要求：“一是應(yīng)采用自動(dòng)控制手段精確控制臭氧和氮氧化物（NOX）最佳混合比例，提高煙道密閉性，嚴(yán)格防止臭氧逃逸。二是對(duì)臭氧氧化脫硝工藝過(guò)程中形成的亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行有效收集處理，禁止直接排入環(huán)境水體”以上要求的提出，體現(xiàn)政府部門對(duì)臭氧脫硝引起臭氧逃逸在大氣環(huán)境中可能產(chǎn)生影響的擔(dān)心，但也表明環(huán)保技術(shù)的使用和推廣應(yīng)由市場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)決定的態(tài)度。

本文介紹的電場(chǎng)復(fù)合臭氧氧化技術(shù)，主要采用介質(zhì)阻擋等離子體放電技術(shù)，結(jié)構(gòu)包含有高壓電極、接地電極及位于兩個(gè)電極之間的石英介質(zhì)管。主要工作流程為：含污染物的混合氣體進(jìn)入發(fā)生器內(nèi)部，通過(guò)均流板被均勻分配到高能等離子體電場(chǎng)反應(yīng)區(qū)域，所形成的高能電場(chǎng)對(duì)混合氣體中的污染物及其它產(chǎn)生異味的分子以每秒數(shù)千萬(wàn)次高速轟擊下，直接打斷氣體中有機(jī)物分子化學(xué)鍵，使復(fù)雜大分子污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單小分子安全物質(zhì)，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成無(wú)毒無(wú)害或低毒低害的物質(zhì)，從而使污染物得以降解去除。

其中的作用機(jī)理（見(jiàn)圖1）可以簡(jiǎn)化為以下流程：

圖1 介質(zhì)等離子臭氧發(fā)生器原理圖

（1）當(dāng)介質(zhì)阻擋等離子體放電技術(shù)所形成的高能電場(chǎng)直接作用于污染物（甲醛、有機(jī)廢氣等）時(shí)，在放電通道會(huì)被高能電子破壞分子鍵、進(jìn)而被氧化還原。

（2）當(dāng)介質(zhì)阻擋等離子體放電技術(shù)所形成的高能電場(chǎng)作用于空氣中的氧分子時(shí)，高能離子分解氧分子，產(chǎn)生游離氧，形成臭氧區(qū)，釋放大量臭氧在空間內(nèi)；再以高濃度臭氧對(duì)空間污染物進(jìn)行強(qiáng)氧化分解作用，實(shí)現(xiàn)污染物降解去除。

為了更好認(rèn)識(shí)污染物凈化過(guò)程中的影響因素，本文就電場(chǎng)復(fù)合臭氧氧化技術(shù)開(kāi)展應(yīng)用試驗(yàn)，分別開(kāi)展基于電場(chǎng)復(fù)合臭氧（即試驗(yàn)a）及臭氧氧化（折流式混合、文丘里混合）（即試驗(yàn)b、c）等不同形式對(duì)NOX去除效率的對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)比較各種接觸方式、混合方式對(duì)脫硝效率的影響，檢驗(yàn)不同形式對(duì)NOX去除效果的影響。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置主要由模擬污染系統(tǒng)、氣體流量計(jì)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、特制等離子體發(fā)生器（臭氧發(fā)生裝置）、特種高壓電源、氣體混合器、污染物分析儀器、電氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)等組成。室溫下，試驗(yàn)?zāi)M污染組分采用NO和空氣等混合氣體，經(jīng)減壓閥降低壓力調(diào)整后，從流量計(jì)進(jìn)入氣體混合器充分混合，然后與特制等離子體發(fā)生器（臭氧發(fā)生裝置）產(chǎn)生的高能氣體直接混合或間接混合反應(yīng)，把氣體中的NO氧化成高價(jià)態(tài)氮氧化物，最后經(jīng)液體吸收處理，凈化后的氣體排入大氣。

試驗(yàn)a的工作流程：在電場(chǎng)復(fù)合臭氧脫硝過(guò)程中，混合氣體經(jīng)過(guò)特制等離子體發(fā)生器（臭氧發(fā)生裝置）的電場(chǎng)并進(jìn)行反應(yīng)后，尾氣凈洗滌凈化后排放，如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)復(fù)合臭氧氧化脫硝流程圖

試驗(yàn)b、c的工作流程：在臭氧氧化脫硝過(guò)程中，將少量空氣經(jīng)過(guò)特制等離子體發(fā)生器（臭氧發(fā)生裝置）生成O3等各種自由基；然后送入混合反應(yīng)器與各種廢氣混合反應(yīng)，尾氣經(jīng)洗滌凈化后排放；其中臭氧（折流式混合）如圖3所示，臭氧（文丘里混合）如圖4所示。

圖3 臭氧（折流式混合）氧化脫硝流程圖

圖4 臭氧（文丘里混合）氧化脫硝流程圖

2.2 試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)儀器

表1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)儀器

2.3 試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)儀器實(shí)物圖

圖5 試驗(yàn)過(guò)程圖片

圖6 特制等離子體發(fā)生器（臭氧發(fā)生裝置）、特種高壓電源實(shí)物圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

表2 臭氧、電場(chǎng)復(fù)合臭氧兩作用形式對(duì)污染物NOx去除效率的對(duì)比試驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

（1）試驗(yàn)研究了臭氧與NOx的不同接觸方式、不同混合方式對(duì)脫硝效率的影響。在同一試驗(yàn)系統(tǒng)中，電場(chǎng)復(fù)合臭氧脫硝與臭氧脫硝的最佳效率相差不大，證明臭氧脫硝過(guò)程中，等離子體發(fā)生器電場(chǎng)的參與并不能大幅增效。

（2）從試驗(yàn)（一）到（六）可知，a、b、c試驗(yàn)裝置對(duì)污染物NOx去除效率的對(duì)比，在電源處理功率為440 W時(shí)效果最佳，再提高功率，則有下降的趨勢(shì)。

（3）臭氧與NOx的混合方式對(duì)凈化效率影響比較大，臭氧（文丘里混合）比臭氧（折流式混合）的脫硝效果更好，對(duì)NOx的去除效率更高。在同等情況下，電源出力為280 W～550 W，對(duì)NOx的凈化效率提高為25.17%～45.57%。從混合器結(jié)構(gòu)來(lái)分析，文丘里混合器可起到快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用，增加分子間的有效碰撞，從而提高了反應(yīng)速率；而等折流式混合器因混合管道較長(zhǎng)導(dǎo)致停留時(shí)間長(zhǎng)反而消耗了電場(chǎng)產(chǎn)生的高能電子、離子和自由基等活性粒子[1-4]，導(dǎo)致減少與NOx的接觸，從而影響脫硝效率。

（4）從a、b、c試驗(yàn)來(lái)看，臭氧技術(shù)對(duì)于氮氧化物的凈化效果較為明顯。臭氧（文丘里混合）對(duì)污染物NOx去除效率最佳，最高可達(dá)77.45%的凈化效率。證明選擇合適的混合方式，可以大幅提高臭氧對(duì)污染物NOx的凈化效率。

（5）針對(duì)含氮氧化物煙氣進(jìn)行超凈排放的技術(shù)要求，臭氧脫硝作為性價(jià)比較高的工藝，可以作為SNCR、NCR等脫硝工藝的補(bǔ)充，具有對(duì)系統(tǒng)的改動(dòng)少，投資小，效果佳的性能。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，可以參考電源功率比例及混合方式，在工程執(zhí)行過(guò)程中采用自動(dòng)控制手段可控制臭氧和氮氧化物（NOX）的最佳混合比例，提高煙道密閉性，可避免臭氧逃逸帶來(lái)二次污染。