介质材料对介质阻挡放电脱除NO的影响

汪 涛， 孙保民， 肖海平， 曾菊瑛， 杨 斌， 饶 甦

（1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京102206；2.中工国际工程股份有限公司，北京100080）

随着现代工业的发展，电力需求量大增，火力发电依然占主导地位，但是燃煤发电产生的氮氧化物NOx严重危害人类的健康［1－2］.2011年最新发布的《火电厂大气污染物排放标准》规定，燃煤锅炉的最大NOx排放质量浓度为200mg／m3，是2003年发布标准（1 500mg／m3）的13.33%.介质阻挡放电法（DBD）作为一种等离子体技术，在脱硝领域越来越受到人们的重视［3－4］.在实际运行中，介质材料是影响DBD脱除NOx的重要因素.

梁文俊等［5］进行了有机玻璃和99陶瓷为介质层时DBD脱除甲苯的试验，结果表明：介电常数较大的99陶瓷作为介质材料时的脱除效率更好.Golubovskii等［6］采用试验和理论方法分析了介质材料对DBD运行的影响，结果表明：在介质层表面吸附的电荷形成场强，其方向与外加电场相反.在介质层表面电荷的影响下，介质层被极化，介电常数越大，介质层的极化程度越高，该极化减小了表面电荷形成的电场强度.介质层表面电荷形成的电场强度减小，将更有利于综合电场强度的增大.Teranishi等［7］认为在放电阶段，相同的外加电压下，反应器的阻抗主要由介质等效电容决定，介质层介电常数越大，反应器的阻抗越小，放电电流越大.Chiper等［8］认为介质层的介电常数越大，则介质层的等效电容越大，导致放电区域的电势增大.这些研究表明，介质材料影响DBD的放电特性，但是介质材料影响DBD脱除NO的机理尚不清楚.

本文研究重点为：（1）利用软件模拟不同介质材料时，DBD反应器内电场强度的分布；（2）运用玻尔兹曼方程分析了不同介质材料对电子平均动能和气体分子离解速率的影响；（3）通过试验研究不同介质材料对DBD脱除NO的影响.

1 反应器内气体间隙电场模拟

1.1 简化假设

为了简化模拟条件，进行以下假设［9］：（1）线电极上的电势等于外加电压；（2）反应器内气体为氮气，介电常数εg＝1；介质层为石英管、陶瓷管和刚玉管，介电常数分别为3.75、5.8和9.8；（3）内电极为圆柱体，表面光滑且干净；（4）只考虑二维场的分布；（5）介质层长530mm、内径24mm、厚2mm；（6）内电极直径为10mm，内电极接高电压，外电极接地，外加电压峰值为15kV，电源频率为10kHz.

1.2 边界条件

由于计算区域的对称性，仅研究如图1所示的ABCDEF区域静电场分布，AB、EF为气体间隙大小lg，BC、DE 为介质层厚度ld.边界条件如下［10］：（1）在内电极上，即AF处满足第一类边界条件，V＝15kV；（2）CD上满足第一类边界条件，V＝0；（3）AB、BC、DE、EF上满足第二类边界条件，∂V／∂n＝0；（4）BE上 满 足 连 续 性 边 界 条 件，

图1 反应器结构示意图Fig.1 Structural diagram of the reactor

采用二维场域的有限元方法，结合多物理场直接耦合分析软件进行数值求解，对模拟场域进行三角形网格剖分，输入场域的边界条件，就可完成拉普拉斯方程的求解.

1.3 计算结果

为了研究介质材料对静电场的影响，采用不同介电常数的介质材料进行了模拟计算.图2为不同介质材料条件下，反应器中沿ABC方向的电场强度分布.由图2可知，内电极表面电场强度最大，并沿着半径ABC方向逐渐减小，且反应器中电场强度随着介质层介电常数的增大而增大.

图2 不同介质材料下沿半径ABC方向的电场强度分布Fig.2 Distribution of electric field intensity along radius direction ABCwith different dielectric materials

同轴介质阻挡放电反应器中气体间隙电场强度分布为［11］：

式中：εd和εg分别为介质和气体的介电常数；rc为内电极半径；rd1、rd2分别为介质管的内半径和外半径；U为外加电压.

在不同介电常数条件下，根据式（1）计算所得内电极表面电场强度值和模拟值见表1，计算值与模拟值非常相近，模拟结果可信.

表1 内电极表面电场强度计算值与模拟值的比较Tab.1 Comparison of field intensity on internal electrode between calculated and simulated results

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

本试验的系统简图如图3所示.试验气体通过减压阀减压，流经质量流量控制器（MFC），混合后进入DBD反应器，反应后的气体由碱液吸收.其中DBD反应器出口的气体成分由烟气分析仪在线监测，数字示波器主要用于采集放电时的李萨如图形.

利用NO（体积分数10%，平衡气体为N2）、高纯N2（体积分数99.999%）制备成NO体积分数为5×10－4、平衡气体为N2的试验气体，总气体流量为10L／min.

试验主机电源为反应器直接供电电源，输出的正弦电压在0～30kV内可调，试验频率为10kHz.反应器内放电功率均由李萨如图形面积计算得到，所有的测量波形均由数字示波器Rigol DS1202CA（实时采样率2GSa／s，宽带200MHz）采集，并用Testo 350－Pro烟气分析仪对反应器出口的烟气成分进行测量.

图3 试验系统简图Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2.2 测量方法

定义NO的脱除率为：

式中：ηNO为NO脱除率；cin，NO为进口NO体积分数；cout，NO为出口NO体积分数.

放电功率P的计算公式为：

式中：f为放电功率；Cm为测量电容；kx、ky分别为示波器的灵敏度；k为分压比；A为李萨如图所围成的面积与示波器中界面面积的比值.

能量密度公式为：

式中：ε为能量密度；Q为气体体积流量.

3 试验结果

试验是在20℃室温、101.3kPa大气压下进行的.反应器介质层长530mm、内径为24mm、厚2 mm，介质管外面包450mm长的铜网（150目）作为外电极，内电极是直径为10mm的铜棒，内外电极间距为9mm，气体间隙内电极接高电压，外电极接地.为了研究介质材料对DBD脱除NO的影响，分别采用石英管、陶瓷管和刚玉管作为介质层，外加电压范围为12～15kV，试验结果如图4所示.

图4 NO脱除率与能量密度的关系Fig.4 Relationship between NO removal efficiency and energy density

4 讨 论

在介质阻挡放电反应器中，电子的分布函数遵循玻耳兹曼方程［12］：

式中：f（r，u，t）表示在时间t时，空间位置r拥有速度u的分布函数；▽rf（r，u，t）表示位置空间内分布函数的梯度；▽vf（r，u，t）表示速度空间内分布函数的梯度；e和m分别为电子的电荷量和质量；E为外加场强；C［f］c表示电子与其他粒子碰撞变化率.

在碰撞平均自由程内，可以近似认为电场强度和碰撞概率是均匀的，用速度空间的球形坐标表示可得［13］

式中：u为速度的大小；θ为速度与电场方向的夹角；z为沿着速度方向的位置.

根据文献［11］的理论，用Bolsig软件对N2下的电子能量分布函数进行求解，计算结果如图5所示.

图5 离解速率和电子平均动能与折合场强的关系Fig.5 Calculated ionization rate and electron mean energy vs.E／N

由图5可知，在折合场强为1×10－15V·cm2时，N2的离解速率为4.91×10－16m3／s，电子平均动能为2.251eV.当折合场强为2×10－15V·cm2时，N2的离解速率为5.69×10－17m3／s，电子平均动能为5.056eV.在压力和温度不变的条件下，气体中重粒子数量密度N不变，当电场强度E增大时，折合场强E／N增大.根据图2的计算结果可知，介质层为刚玉管的反应器中电场强度大于介质层为石英管和陶瓷管的.所以，在介质层为刚玉管的反应器中，折合场强更大，导致电子平均动能更大，N2分子的离解速率增大，产生更多的活性 N原子［14］.在NO／N2体系中，主要反应为［14］：

式（7）和式（8）是脱除NO最主要的反应，N2分子离解生成的N原子数量决定了NO脱除率［14］.因此，刚玉管作为介质层的反应器更有利于脱除NO.

在DBD反应器中，随着外加电压的增大，气体被击穿，开始放电.击穿电压为［15］：

式中：A、B为常数；p为气体压强；d为极间距离；γ为二次电子发射系数，γ值的大小与E／P值有关.

当E／P较大时，正离子在一个平均自由程内获得的能量随E／P的增大而增大，则正离子轰击阴极的平均动能增大，导致二次电子发射得更多，故γ增大［15］.由图2可知，介电常数越大，电场强度E越大，在气体压强不变的情况下，E／P增大，导致γ增大.由式（11）可知，γ增大，击穿电压减小.所以，反应器介质层的介电常数越大，越有利于气体的放电.

在气体放电时，微流光中的电荷在电场的作用下向两极运动，由于电子的质量远小于离子的质量，所以电子被加速到更高的速度，大量的电子比离子更早地到达介质层表面，形成一个与外加电场方向相反的本征电场，并叠加在外加电场上，导致气体间隙中的电场强度减小，当叠加后的电场强度小于击穿电场强度时，放电停止.而介质层等效电容cd的大小决定其运输电荷的能力.放电时，李萨如图见图6，较大的梯度为介质层等效电容［16］

式中：xi、yi分别为A，B2点对应的坐标.

图6 放电功率为82.97W时的V－Q李萨如图Fig.6 V－QLissajous figure（at discharge power of 82.97W）

计算结果如图7所示，随着外加电压的增大，cd逐渐增大，且刚玉介质层的cd大于石英和陶瓷介质层的cd.这是因为cd与材料介电常数、介质有效面积（带电粒子覆盖在介质上的真实面积）成正比，即显然，εd越大，cd越大；而S与放电强度有关.电压增大导致DBD放电增强，放电空间丝状通道的数目也相应增加，因此，介质的有效面积S变大，cd增大.本试验所用的刚玉、陶瓷和石英的介电常数分别为9.8、5.8和3.75，因此，刚玉管介质层的等效电容传输附着在介质层表面的电荷量最多，减小了附着电荷对外加电场的影响［17］.而且在气体放电时，由于气体已经击穿，反应器的阻抗由介质层等效电容决定，介质层等效电容越大，反应器的阻抗越小，放电电流越大［7］.因此，增大反应器介质层的介电常数可以提高NO脱除率.

图7 不同介质材料下cd与外加电压的关系Fig.7 Relationships between cdand the applied voltage for different barrier materials

5 结 论

（1）在DBD反应器中，介质材料的介电常数越大，其对应的DBD反应器内气体间隙的电场强度越大.

（2）在DBD反应器中，运用玻尔兹曼方程求解电子分布函数，结果显示折合场强增大，电子的平均动能增加，N2分子的离解速率增大.

（3）在相同的外加电压下，刚玉介质层的等效电容比石英和陶瓷的大，导致刚玉运输的电荷多，且放电电流增大，提高了NO的脱除率.

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