等离子体功率分配方式对异戊烷降解效果的影响研究*

朱 骁

(1. 化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

石油化工行业生产过程中排放的VOCs具有组分复杂、浓度波动大等特征[1]。低温等离子体技术通过产生高能电子和活性物质降解VOCs[2-4],具有处理速度快、运行周期短、能耗低等特点,可有效降低废气治理成本[5-8]。由于电击穿、温升过高等因素会限制单个电源输入功率的提高量[9,10],因此常用多级等离子体反应器治理大气量、低浓度VOCs。

研究发现,输入功率与放电功率的差异导致不同的等离子体反应器功率调控方案对萘的去除效率规律不同[11];电源输入功率变化时,实际消耗功率与放电功率均改变[12];总放电功率一定时,串联的多级等离子体反应器通放电功率的恰当分配,可以提高烷烃的去除效率[13]。等离子体反应器放电功率得到的结论,并不适用于输入功率的分配方式。如何明确总消耗功率、输入功率与放电功率的关系,由小试实验结果指导工业中多级串联反应器输入功率调配来达到VOCs的最佳降解效果,尚未见类似报道。

本文首先探究了反应器放电功率、电源输入功率与实际消耗总功率三者之间的关系,总结电源内部、反应器放电等部分功率损耗的原因与变化规律;选取异戊烷为目标污染物,以异戊烷去除效率为评价指标,通过调控输入功率与放电功率,分析异戊烷去除效率的变化规律;通过调整串联反应器功率分配方式,探索提升有机废气治理能效的方法。

1 实验部分

1.1 实验装置

低温等离子体实验装置如图1所示。将气态异戊烷与高纯空气按比例混合,模拟低浓度异戊烷废气。通过质量流量控制器控制气体流量为100 L/min,控制异戊烷废气浓度为466 mg/m3和1 037 mg/m3。低温等离子体在自制排管式双介质阻挡放电反应器中产生,阻挡介质为外径10 mm、厚度1.5 mm的石英管,内部装填铁粉作为电极,反应器(编号1～4)分别连接100 kHz自制高频高压交流电源。功率计测量电路中实际消耗的总功率(PT),等离子体电源显示输入功率(P),示波器(DPO3054,Tektronix)通过高压探头(P6015A,Tektronix)测定电流电压波形图并计算放电功率。异戊烷浓度由气相色谱仪(安捷伦7890B)测得。

图1 实验装置示意

1.2 参数计算

a) 放电功率:采用李萨如法(Lissajous method),在反应器的接地回路上串联一个测量电容(Cm),则放电电流(I)表达如公式(1):

(1)

式中:V——加载在电容上的电压,V;

Q——放电输送的电荷,C。

等离子体反应器的放电功率(P)表达如公式(2):

(2)

式中:T——放电周期,s。

在李萨如图形中,闭合曲线内所围的面积(A)与放电频率(P)的乘积即为等离子体反应器的放电功率P2,表达如公式(3):

P2=fCmA

(3)

式中:f——放电频率,Hz。

b) 异戊烷去除效率:通过检测等离子体反应器异戊烷的进口浓度和出口浓度,确定异戊烷的去除效率,表达如公式(4):

(4)

式中:Ci——反应器进口异戊烷浓度,mg/m3;

Co——反应器出口异戊烷浓度,mg/m3;

RE——异戊烷去除效率,%。

2 结果与讨论

2.1 电源输入功率对总消耗功率的影响

电源总消耗功率PT与输入功率P1的差值可以直观反应等离子体电源部分的功率损耗,此损耗随输入功率的增大而升高。由图2可以看出,在输入功率为36～108 W时,损耗由11 W升高至18 W的速度相对较缓;当输入功率超过108 W时,损耗升高的速度较快,在输入功率为144 W时,电源损耗达到28 W。等离子体电源的损耗来自于内部的整流电路、逆变电路与升压模块[14],其中整流电路损耗是电源能量损耗的主体部分,输入功率在一定范围内时,整流电路产生的损耗较低,而输入功率超出此范围时,整流电路损耗大幅升高,此范围的边界数值取决于整流电路性能[15]。图2中输入功率超过108 W时电源损耗快速升高,符合上述分析。

图2 总消耗功率与电源输入功率差值随电源输入功率变化曲线

2.2 电源输入功率对反应器放电功率的影响

等离子体反应器实际放电功率与电源输入功率的比值代表反应器的能量利用效率,随电源输入功率的增大而提高。由图3可知,输入功率低于48 W时,放电功率占比仅为40%～60%;输入功率在48～72 W区间内,放电功率占比快速提升至75%～85%;输入功率大于72 W时,放电功率占比为80%～90%,提升幅度小。由于电源输入功率转化为放电功率的主要能量损耗来自于等离子体放电过程中产生的非放电能量的转化。研究发现,等离子体在较低电压下的放电不稳定会增加非放电能量损耗[16],与本研究中放电功率占比随输入功率增大而提升的现象一致。

图3 反应器放电功率与输入功率比值随电源输入功率变化曲线

由以上分析可知,随电源输入功率的增加,电源本身的能量损耗增加,输入功率转化为放电功率的比值也相应提高。在等离子体装置应用时,应确定合适的输入功率,既保证电源整流电路损耗处于较低范围,又能保证等离子体反应器稳定放电,以提高等离子体放电的能量利用效率。本实验中合适的输入功率为108 W。

2.3 工业现场等离子体反应器测试结果

基于上述分析,开展工业现场等离子体介质阻挡放电测试实验,探究影响工业级等离子体电源与反应器放电功率的主要因素。图4为现场电源运行过程中电压-电流波形图。实验中反应器接入电路使输出电压产生畸变,电压由方波变为不规则的正弦波,峰值电压保持在20 kV左右。当电源发生正负电压突变时,电压通过零点产生不平滑且有弧度的波形,其斜率小于正弦部分。此时把反应器理解为电容,其通过的电流为容性电流,电流值变小;当有弧度的波形消失,电流随电压的增加而增大,整体电流呈现出先减小再增大的过程。此过程造成工业级反应器中输入功率转化为放电功率的能量损耗。可以通过功率分配调节电源的峰值电压和电压频率,以减小此部分能量损耗。

图4 工业现场等离子体电源运行中电压-电流波形

通过前文所述,计算工业电源功率的最适区间并以李萨如图法验证,得出本电源在放电电压为18 kV、放电频率6.5 kHz时,输入功率转化为放电功率的比值最高。经多组实验得出此时放电功率为254～277 W,放电功率占输入功率的比值为85%～92%。

2.4 功率分配对异戊烷降解的影响

在放电功率与输入功率两种不同功率分配维度下,异戊烷去除效率随功率提高的变化幅度不同。当异戊烷浓度为1 037 mg/m3、气体流量为100 L/min,放电功率为54～224 W时,异戊烷去除效率为8.1%～27.6%(图5(a))。当放电功率由54 W升至164 W时,异戊烷去除效率呈线性增长;当放电功率大于164 W时,去除效率增长速度变缓。两段产生差异的原因为:当废气浓度和气体流量一定时,通过升高电压提高放电功率,反应器内电场强度增大,电子运动速度加快,单位空间中活性粒子数量增加、能量增大,提升与异戊烷分子碰撞并产生反应的概率,提高异戊烷去除效率[17-20]。当注入能量增大至分子碰撞、反应概率接近饱和时,再提高放电功率对异戊烷去除效率的影响降低、提升速度变缓[21];当电源输入功率为70～320 W时(图5(b)),去除效率随输入功率的提高呈非线性增加,增加速度先快后慢。原因可能为:随电源输入功率的增加,输入功率转化为放电功率的比值也相应提高,实际放电功率提升速度加快,导致去除效率增长速度加快。

图5 不同功率分配下异戊烷去除效率变化曲线

当异戊烷浓度为466 mg/m3、气体流量为100 L/min,总输入功率为144 W时,异戊烷去除效率为27.6%～40.0%,单组反应器去除效率比四组反应器高12.4%,可以看出,总输入功率一定时,串联反应器数量增加,异戊烷去除效率降低,如图6(a)。原因可能为:总输入功率一定时,各反应器的输入功率降低,导致反应器放电功率占比降低,串联反应器的总放电功率降低,异戊烷去除效率降低。由李萨如图计算每组实验的实际总放电功率作为验证,异戊烷去除效率变化如图6(b),四组串联反应器与单组反应器的实际总放电功率相差达50 W,异戊烷去除效率与总放电功率呈线性正相关,与图5(a)所示相符。

图6 反应器数量变化时异戊烷去除效率变化曲线

2.5 串联反应器功率分配对异戊烷降解的影响

表1 不同分配方案时各反应器的放电功率 W

图7 各放电功率分配组对应异戊烷去除效率

3 结论

a) 电源本身的能量损耗随输入功率的增大而升高,当输入功率大于108 W时损耗增加显著;输入功率增大,反应器放电功率占输入功率的比值由40%提高至90%,其中输入功率从48 W增大至72 W时放电功率占比提高显著。工业应用中,输入功率转化为放电功率的能量损耗来自电流波动,可通过调节电压与频率减小。

b) 当异戊烷浓度、气体流量、放电功率分别为1 037 mg/m3,100 L/min和54～224 W时,异戊烷去除效率为8.1%～27.6%,随放电功率的增大而线性增长;随着电源输入功率增大,异戊烷去除效率增长呈非线性,增长速度先快后慢。

c) 总输入功率一定时,增加反应器数量可降低异戊烷去除效率。在异戊烷浓度、气体流量、总输入功率分别为466 mg/m3,100 L/min,144 W时,单组反应器去除效率比四组串联反应器高12.4%。

d) 当总放电功率与反应器数量一定时,增加进气端反应器放电功率对异戊烷去除效率有显著提升,可提高8.4%。同理,装置总功率不受限时,适当提高前端反应器功率,降低后置反应器功率,可以更低的能耗达到同等的异戊烷去除效果。