直流电晕自由基簇射中发射光谱检测与诊断

摘要

直流电晕自由基簇射烟气净化技术是新兴的烟气多种污染物脱除手段。在电晕过程中，自由基的生成及其影响因素研究是关系到直流电晕自由基簇射技术优化及效率提高的重要课题。 本文首先简要评述了国内外电晕放电烟气净化的研究进展，对比了各种自由基检测方法，指出了发射光谱法自由基检测的优势。分析了电晕自由基生成及发射光谱自由基检测机理，同时建立了发射光谱自由基检测系统，围绕发射光谱电晕诊断及OH自由基生成检测展开了研究，得到了一些对优化放电，认识自由基生成机理有指导意义的结论。主要结论如下： 在以加湿氮气为背景的直流电晕放电中，检测到了OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)和N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>)两种重要光谱，证实了直流电晕放电中OH自由基的存在。对喷嘴、针-平板直流电晕放电中OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)和N<,2>(C<'36>∏<,u>→B<'3>∏<,g>)两种光谱在放电空间的分布状况进行了检测。研究结果表明：两种放电形式中电晕发光主要分布在放电喷嘴、针尖轴向10 mm，径向半径约4 mm区域内，离喷嘴距离增大，发光强度衰减明显；喷嘴外径增大后，自由基径向分布区域有所拓宽，而针尖放电间隙少量变化后自由基及高能电子分布区域变化很小；当放电功率增大后，自由基发光增强，且自由基生成区域略有增大。 以发射光谱测量为基础结合背景气体淬灭率影响，研究了常压下喷嘴-平板电晕自由基簇射中放电参数、背景气体、电极气成分等因素对OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)发光的影响。结果表明：在放电参数影响中，随着电晕放电电压和放电功率增大，激发态自由基OH(A<'2>∑<'+>)生成量都呈增长趋势，而随放电功率增加，OH(A<'2>∑<'+>)生成量呈近似线性增多，说明自由基簇射过程中自由基的生成主要取决于放电功率；在加湿氮气直流电晕自由基簇射中有明显的OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)光谱存在，但加湿空气条件下OH生成较少；载气增湿后OH生成量明显增多，而Ar和O<,2>的存在分别增强和减弱了OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)发光，可能原因分别是Ar加入引起Penning分解效应和O<,2>吸附电子导致电子能量降低。 在以Ar为H<,2>O载气的自由基簇射中，检测到了Hα原子谱线，并研究了不同放电功率下了Hα(3P→2S，656.3 nm)和OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)谱线强度变化，同时以Ar Ⅰ原子线为基础计算了电子激发温度，得到激发温度随放电功率增大缓慢增加；以N<,2>为H<,2>O载气时，用Boltzmann斜率法计算了自由基簇射过程中N<,2>分子的振动温度，并研究了不同振动温度下N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>，△v=+1)各振动态的发光强度比较，利用已知N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>，0-0)发射光强，求得了N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>，△v=+1)带系光强，并从OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)谱线中扣除了与N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>，△v=+1)发光重叠部分，得到实际OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)光谱积分强度，结果表明OH(A<'2>∑<'+>→X<'2>∏)与N<,2>(C<'3>∏<,u>→B<'3>∏<,g>，△v=+1)谱线部分重叠对发射光谱技术OH自由基测量影响不大。在以O<,2>，H<,2>O为主要自由基源的电晕自由基簇射过程中，对喷嘴垂直，平行及斜向三种典型放置方向下臭氧、OH两种重要活性物质生成量进行了综合实验研究。研究发现：在相同放电功率下，垂直放置时臭氧生成量，OH自由基发光强度明显高于平行放置时，同时，污染物NO氧化效果也较好。究其原因为喷嘴垂直放置时电晕流光区与反应器内自由基源富集区一致，而平行放置时电晕流光主要集中在富集区的边缘，从而前者电晕自由基产率更高。因此垂直放置喷嘴更有利于活性物质生成，为优化放电及电极气射流，提高电晕活性物质生成量提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2电晕放电低温等离子体在气态污染物控制中的应用

1.2.1国内外电晕多种污染物脱除现状

1.2.2电晕自由基簇射结合尾部化学吸收烟气多种污染物脱除系统简介

1.2.3活性自由基在电晕多种污染物脱除中的作用分析

1.3自由基检测方法简述

1.3.1激光诱导荧光法

1.3.2吸收光谱法

1.3.3电子自旋共振法(ESR)

1.3.4高效液相色谱法及分光光度法

1.3.5分子束质谱法及同步辐射法

1.3.6发射光谱法

1.4发射光谱自由基检测技术综述

1.4.1发射光谱谱图信息

1.4.2发射光谱主要研究内容

1.4.3电晕发射光谱研究进展

1.4.4电晕发射光谱检测的关键问题

1.5本文选题背景及主要研究内容

第二章电晕放电自由基生成及发射光谱自由基检测机理分析

2.1电晕放电基本物理过程分析

2.1.1非平衡等离子体概要

2.1.2电晕放电发生机理

2.1.3电晕放电中主要物理过程

2.2电晕中主要自由基的生成，消亡规律

2.2.1电晕放电中主要自由基生成反应

2.2.2自由基消亡反应

2.3发射光谱自由基检测基础

2.3.1分子结构与分子光谱理论

2.3.2光谱自由基检测原理及影响因素分析

2.3.3发射光谱测量电晕OH自由基的理论基础

2.4本文采用的光谱测量系统

2.4.1系统构成

2.4.2核心参数介绍

2.5 小结

第三章电晕放电中OH(A2∑+→X2∏)和N2(C3∏u→B3∏g)光谱检测研究

3.1实验系统及方法

3.1.1实验系统

3.1.2实验方法及过程

3.2电晕放电中OH(A2∑+→X2∏)及N2(C3∏u→B3∏g)光谱分析

3.2.1电晕放电中OH(A2∑+→X2∏)光谱检测

3.2.2电晕放电中N2(C3∏u→B3∏g)光谱检测

3.3喷嘴-平板电晕放电中的光谱空间检测

3.3.1两种光谱在喷嘴出口轴向分布研究

3.3.2两种光谱在喷嘴径向分布研究

3.3.3喷嘴外径对光谱空间分布影响

3.3.4放电功率对特定点光谱强度的影响研究

3.3.5光谱空间分布受功率变化影响研究

3.4针-板电晕放电中的光谱检测

3.4.1针电极轴向光谱分布研究

3.4.2针电极径向光谱分布研究

3.4.3功率大小对光谱强度及分布影响研究

3.5小结

第四章直流电晕自由基簇射过程中的自由基生成检测及优化研究

4.1实验系统及研究方法

4.2自由基簇射中OH自由基生成优化研究

4.2.1放电参数对OH(A2∑+)生成的影响

4.2.2放电背景气体对OH(A2∑+)生成量影响

4.2.3电极气条件对OH(A2∑+→X2∏)发光影响

4.2.4自由基簇射过程中光谱的空间分布研究

4.3自由基簇射过程中H自由基光谱检测研究

4.3.1以Ar为载气的自由基簇射中H自由基检测

4.3.2 H及OH生成特征对比研究

4.4自由基簇射过程中的光谱诊断初步研究

4.4.1以Ar为H2O载气时电子温度研究

4.4.2以N2为H2O载气时N2振动温度计算

4.4.3 N2(C3∏u→B3∏g)和OH(A2∑+→X2∏)光谱重叠问题讨论

4.5小结

第五章自由基簇射中喷嘴方向对活性物质生成影响研究

5.1实验系统与方法介绍

5.2活性物质生成实验研究

5.2.1不同喷嘴条件下放电特性研究

5.2.2喷嘴放置条件对O3生成影响

5.2.3喷嘴方向对OH发光光谱影响研究

5.2.4不同喷嘴条件下反应器内自由基源物质分布模拟

5.2.5不同喷嘴条件下NO氧化效果比较

5.3自由基簇射过程中决定活性物质生成的核心因素分析

5.4 小结

第六章全文总结

6.1本文研究结论

6.2主要创新点

6.3不足与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目

致谢