基于光学检测方法的脉冲电晕放电过程中氮氧化物转化实验与机理研究

摘要

随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，污染物的排放也随之增加，这些污染物会对环境以及人类的身体健康产生很大的危害。燃煤电厂排放的污染物主要有SO2、NOX、Hg、VOCs和PAHs，随着排放标准的日渐严格，对污染物排放的控制要求也越来越高。NOX是其中一种非常重要且急需得到控制的污染物，所以研究NOX的脱除具有十分重要的意义。
　　 脉冲电晕放电是一种典型的低温等离子体技术，能够产生OH、O、N、H、HO2等大量活性自由基，这些自由基物质能够与污染物反应，将其降解成为无害的物质，从而实现多种污染物的协同脱除。在脱除过程中这些自由基和污染物的反应过程十分复杂，研究自由基与污染物的反应机理对于更有效地控制污染物具有指导性的作用。但由于自由基的存在时间非常短，检测也较为困难，而光学测量手段是一种非接触式的测量手段，它不会对整个放电过程产生干扰，且具有较高的精度，是研究污染物与自由基作用过程的理想测量方法。本文以光学测量为主要手段，以NOX为目标污染物，对NOX与自由基的反应机理进行了探讨。
　　 本文首先对脉冲电晕放电的物理特性进行了研究。研究表明少量惰性气体(Ar)的加入可以有效减小起晕电压，气体成分中O2含量的增加减小了放电电流，提高了击穿电压。在放电区域的气体温度接近于常温，但是在尖端电极附近的温度较高，最高超过600K，且温度梯度很大。同时，进一步研究了脉冲电晕放电过程中OH自由基的演化规律，结果表明放电后OH自由基的淬灭过程可以分为两个阶段:快速淬灭阶段和慢速淬灭阶段。OH自由基的浓度随着O2浓度和湿度的增加而增加，在快速淬灭阶段OH自由基的淬灭速率随着O2浓度的增加而减小，随着湿度的增加而变大。在加入NO后，OH自由基浓度减小，但OH的淬灭速率与NO初始浓度的关系不大。
　　 反应器结构会对NOX的转化起到较大的影响。本文以NO为目标污染物，研究了反应器结构对NO转化过程的影响。研究表明在针板放电中，针尖电极曲率半径越小，放电时流光强度越强，NO转化效率越高，针尖电极尖端数目越多，流光分布范围越广，NO转化效率也越高;在喷嘴-平板的放电形式下，由于电极气的加入，增加了自由基的产率，提高了NO的转化效率。基于上述研究，提出了一种新型的电极形式——喷气分离式放电电极，它可以有效地改善反应区域电极气和背景气的混合，增加自由基与NO的碰撞几率，提高了NO的转化效率。
　　 电极气在脉冲电晕放电污染物脱除中关系到自由基产率和污染物脱除效果。电极气成分方面，随着Ar浓度的增加，NO的转化效率提高，OH的产率提高;随着O2浓度的增加，虽然OH的产率降低，但由于O和O3的作用NO的转化效率提高。电极气的雷诺数方面，电极气和背景气存在相互卷吸效应，雷诺数较大时(Re=4138)，NO的氧化效率要高于雷诺数较低(Re=1379)的工况;同时我们对不同雷诺数下OH自由基的产率和分布进行了测量，结果也表明OH自由基在雷诺数较大时(Re=4138)的产率要比雷诺数较小时(Re=1379)高，且分布范围也更大。
　　 在以上实验研究和理论分析基础上，进一步对NOX间的相互转化机理进行了实验和数值模拟研究。结果表明在NO2向NO的转化过程中，N2主要产生N和N2的激发态，从而起到对NO和NO2的还原作用;O2在放电过程中产生的多为氧化性自由基(O、OH、O3)，NO主要被氧化成NO2，并且O2含量的提高可以有效地抑制NO2向NO的转化过程;此外NO2的初始浓度越高，在烟气条件下NO2向NO转化的效率越低。另外，我们还通过数值模拟对相应工况下的NOx转化反应进行了反应动力学计算，得到了脉冲电晕放电过程中NOx和各种自由基的演化规律。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 NOx的排放现状和控制手段

1．2．1 NOx的排放现状

1．2．2 NOx排放的控制手段

1．3 非平衡等离子体技术控制NOx的研究进展

1．4 电晕放电过程中NOx控制

1．4．1 电晕放电

1．4．2 电晕放电过程中NOx脱除的机理

1．4．3 电晕放电NOx控制的研究现状

1．5 自由基检测方法

1．5．1 吸收光谱法

1．5．2 发射光谱法

1．5．3 平面激光诱导荧光法

1．6 本文的主要研究内容

2 实验装置和方法

2．1 激光诊断系统

2．1．1 系统介绍

2．1．2 Nd：YAG激光器和染料激光器

2．1．3 ICCD相机

2．1．4 NO和OH检测线

2．2 发射光谱诊断系统

2．2．1 系统介绍

2．2．2 光栅光谱仪

2．2．3 光电倍增管

2．2．4 发射光谱系统测量放电中的物质

2．3 污染物测量系统

2．3．1 系统介绍

2．3．2 高压电源

2．3．3 电压探头和电流探头

2．3．4 示波器

2．3．5 烟气分析仪和臭氧分析仪

2．4 分析检测方法

3 脉冲电晕放电物理特性和OH时空演化规律的研究

3．1 引言

3．2 实验方法和分析检测方法

3．2．1 实验方法

3．2．2 分析检测方法

3．3 电晕放电物理特性研究

3．3．1 电参数特性

3．3．2 流光传播特性

3．3．3 气体温度特性

3．4 电晕放电中OH淬灭规律和分布规律

3．4．1 脉冲电晕放电过程中的OH自由基时空分布

3．4．2 气体成分对OH演化规律的影响

3．4．3 不同NO初始浓度下OH自由基的时空演化规律

3．4．4 不同气体成分下OH自由基的二维分布演化规律

3．5 本章小结

4 脉冲电晕放电中电极结构对NO氧化规律的研究

4．1 引言

4．2 实验方法和分析检测方法

4．2．1 实验方法

4．2．2 分析检测方法

4．3 针状电极对NO氧化的影响

4．3．1 电压电流特性和流光特性

4．3．2 多针电极

4．4 喷嘴电极对NO氧化的影响

4．4．1 普通喷嘴电极

4．4．2 喷气分离式电极

4．5 本章小结

5 脉冲电晕放电中电极气对NO氧化机理的研究

5．1 引言

5．2 实验方法和分析检测方法

5．2．1 实验方法

5．2．2 分析检测方法

5．3 电极气成分对NO氧化的影响

5．3．1 不同电极气条件下NO的转化过程

5．3．2 不同电极气成分下OH自由基的生成

5．4 电极气雷诺数对NO氧化的影响

5．4．1 不同雷诺数下NO的二维分布

5．4．2 OH自由基的二维空间分布

5．4．3 NO的氧化效率

5．5 本章小结

6 脉冲电晕放电过程中NOx转化机理研究

6．1 引言

6．2 实验方法和分析检测方法

6．2．1 实验方法

6．2．2 分析检测方法

6．3 NO2向NO转化机理的研究

6．3．1 不同背景气氛下NO2向NO的转化机理

6．3．2 不同能量注入下NO2向NO的转化机理

6．3．3 NO2初始浓度对转化的影响

6．4 NO向NO2转化机理的研究

6．4．1 不同背景气成分下NO向NO2的转化机理

6．4．2 NO初始浓度对转化的影响

6．5 NOx形成机理的研究

6．5．1 不同背景气氛下NOx的形成机理

6．5．2 不同能量和频率对NOx的影响

6．6 空气和烟气条件下NOx的转化机理

6．7 本章小结

7 脉冲电晕放电过程中NOx转化的数值模拟

7．1 引言

7．2 电晕放电的数学描述和求解方法

7．2．1 电晕放电的数学描述

7．2．2 放电过程计算中的理论判据

7．2．3 一次自由基浓度计算方法

7．2．4 Comsol软件介绍

7．3 放电后自由基和NOx的演化规律

7．3．1 一次自由基浓度计算

7．3．2 放电后自由基的演化规律

7．3．3 放电后NOx的演化规律

7．4 电晕放电NOx转化机理模拟

7．4．1 一次自由基产率计算

7．4．2 NO2向NO转化机理

7．4．3 NO向NO2转化机理

7．4．4 NOx形成机理

7．5 本章小结

8 全文总结及工作展望

本文主要创新点

本文研究展望

参考文献

作者简历