脉冲电晕烟气脱硫脱硝的化学动力学分析

      摘要对脉冲电晕等离子体条件下烟气 SO 2 、NO气相氧化进行化学动力学
模拟研究，结果表明，在气相反应中，SO 2主要由OH基氧化脱除，大部分氧化物
转化为H 2 SO 4；NO的氧化则涉及与多种自由基（O 、OH、HO 2）及中性物种的
反应；给出了SO 2、NO气相氧化对主要自由基（OH基）浓度的依赖关系，以及典
型实验条件下SO 2气相净化所需的最优OH基产额；讨论了H 2 O 和O 2 的行为和
作用，及其含量对气相净化过程的影响；化学动力学研究结果为等离子体过程的
优化提供了依据。

      关键词脉冲电晕；等离子体；脱硫脱硝；化学动力学；模拟研究。

      脉冲电晕脱硫脱硝包含复杂的化学机制，直接通过实验确定某些反应的重
要性是非常困难的，化学动力学分析成为理解和把握这个等离子体催化脱除过程
中各类机制的重要手段 .脉冲电晕脱硫脱硝化学反应机理远没有电子束辐射［1
］那样系统地被研究，脉冲电晕的能量是以非连续和非均匀方式注入到反应器，
反应器中的化学反应是以非连续和非均匀方式进行的，这个因素在已报道的脉冲
电晕化学动力学研究中未见考虑。为此，我们建立化学动力学模型，以确定一个
简单而合理的化学反应体系，以及主要活性物种在SO 2、NO气相净化过程中的行
为和作用，为这个基于等离子体的脱除过程的优化提供理论依据。

      1 脉冲电晕场中SO 2和NO的气相氧化脱除机理分析SO 2和NO在脉冲电晕场
中气相氧化脱除可认为分两步进行，即活性物种形成过程和随后处于两电晕脉冲
之间阶段基于活性物种的气相氧化反应过程。

      1.1 活性物种的形成过程在脉冲电晕过程的初始阶段，高能电子直接作用
于烟气主要成分N 2 、CO 2、水蒸汽和O 2 ，高能电子具有足够能量打断以上分
子的共价键，形成自由基（O 、H 、OH、N 、CO等）。烟气每个成分吸收的电晕
能量与其浓度和注入能量成正比，脉冲电晕诱发的初始激发、解离和电离过程中，
各物种初始产额与注入能量关系为［2 ］：4.43 N 2 +100eV →0.29 N * 2 +0.885
N （ 2 D）+0.295 N（ 2 P）+1.87 N （ 4 S）+2.27 N * 2 +0.69 N + +2.96e
5.337O 2 +100eV →0.077 O * 2 +2.25 O （ 1 D）+2.8 O（ 3 P）+1.8 O * +2.07
O + 2 +1.230+3.3e 7.33 H 2 O+100eV→0.46O （ 3 P）+4.25OH+4.15 H+1.99
H 2 O + +0.01 H + 2 +0.57 OH + +0.67 H + +0.06 O + +3.3e 7.54 CO 2 +100eV
→4.72 CO+5.16 O（ 3 P）+2.24 CO + 2 +0.51 CO + +0.07C + +0.21O + +3.03e
其中上标“* ”表示激发态，注入能量以100eV 为单位，物种前系数为上式各物
种X i （自由基、分子、离子和电子）的初始产额G （X i ），定义为上式左边
产生该物种的母成份吸收100eV 能量所产生的该物种数目。可以看出，脉冲电晕
诱发的初始过程将直接由高能电子碰撞产生离子、电子、自由基（N 、O 、OH、
CO）及其各种激发态。

      由于电晕脉冲持续时间极短（ns级），可以假设初始射解过程未引发后继
的化学反应，终产物为处于准稳态的初始物种，初始物种产额作为引发后继化学
反应的初始条件处理，直接射解所得各种初始物种浓度［X i ］ 0（下标“0 ”
表示初始值，下同）：［ X i］ 0 =G （X i ）*E*C i其中， G（X i ）单位：
个/100eV；注入能量E 单位：100eV/cm 3；［Xi］ 0单位：个/cm 3 ；C i 为该
物种母成分（N 2 ∶O 2 ∶H 2 O 或CO 2）占本体气体的摩尔比。取典型实验条
件：脉冲峰压30kV，重复频率764Hz ，单脉冲有效脉宽100ns ，单脉冲能量40.8mJ，
能量密度5.52μJ/cm 3，有效处理空间容积7.39×10 3 cm 3 ，取典型燃煤烟气
组分（体积比N 2 ∶O 2 ∶H 2 O ∶CO 2∶SO 2∶NO=0.72 ∶0.06∶0.08∶0.13
∶0.002 ∶0.001 ），计算得初始射解主要物种产额如表1 所示。

      表 1典型实验条件下单脉冲主要活性物种初始射解产额Table 1 Primary
radiolysis yield of main active species by monopulse under the typical
experimental condition物　种 OH O H CO N N * O * 2 O * N + 2 N +浓度，
10 11 cm -3 1.17 4.45 1.15 1.97 7.79 0.74 0.016 0.637 5.80 1.76 物　种
O + 2 O + H 2 O + H + 2 OH + H + CO + 2 CO + C +浓度， 10 11 cm -3 0.428
0.351 0.55 0.003 0.157 0.185 0.927 0.211 0.029

      物　种 OH O H N HO 2初始射解过程 1.17 4.45 1.15 7.79 0含带电粒子
反应 12.64 6.52 3.22 4.55 0 基复合反应 0.046 0.073 0.012 0.83 9.26激励
态物种反应 7.62 11.13 0 1.32 0总初始基产额 21.476 22.170 4.382 14.490
9.260

      1.2 活性物种氧化反应过程通过模拟连续脉冲和脉冲后阶段，获得放电期
间和放电后的等离子体化学。为便于分析，所涉及的反应系统取自几个主要路径
的53个重要反应，主要考虑自由基和其它活性物种引起的氧化还原反应及带电粒
子反应，化学反应方程式及反应速率常数主要取自Willis Hecht Seinfeld Person
和Ham 等的研究结果［3 —6 ］ .其中化学反应速率常数k 的单位为，单体反应
：s -1；二体反应：（cm 3 /mol ）*s -1 ；三体反应：（cm 3 /mol ） 2*s-1
. 由于缺乏完整的温度依赖关系的化学动力学数据，k 均取373K温度下的值。

      2 气相氧化化学动力学模拟研究2.1 气相反应化学动力学模拟的数学描述
对所考虑反应体系中基元反应涉及到的每一物种（中性粒子和离子）均列一个相
应的速率方程式，归结为相关物种浓度关联耦合的一阶常微分方程组初值问题，
来研究各物种浓度在时间上行为。所有出现在体系中的稳定和不稳定物种浓度均
作自变量，物种的数目即为耦合速率方程组的阶数，含n 个物种X i 和m 个反应
的一组速率方程的基本形式为：

      其中k j 为第j 个反应的速率常数，［X i ］为物种X i 的浓度（单位：
mol*cm -3 ）。输入参数为所有涉及物种的初始浓度、反应时间和时间步长，其
中不稳定的中间产物初值取为0. 2.2次级过程的初始基浓度计算初始射解过程产
生的各物种（表1 ），在脉冲过后迅速经历了离子反应、基复合反应和激励态物
种中性反应路径，最终决定了后继化学反应的自由基初值，该次级过程时间很短，
与离子平衡时间（1 μs ）一致。表2 为次级机制的初始活性基产额，可以看出，
含带电粒子反应是OH基的主要来源，由于HO 2基通过O 和OH复合而成，因而含带
电粒子反应也是HO 2基的真正来源；激励态物种反应对OH、O 、N 基产额的贡献
也很显著。

      表 2典型实验条件下单脉冲次级过程的主要自由基初始产额（10 11 cm -3 ）

      Table 2 Initial radiolysis yield of main free radicals during the
secondary process by monopulseunder typical experimental condition（10
11 cm -3）

      2.3 自由基在SO 2和NO气相氧化中行为和作用的动力学研究由于本实验条
件下自由基产额较低，为便于研究自由基在气相氧化中的行为和贡献，将初始基
产额人为地增大到与SO 2和NO浓度可比拟的水平，等效于增加单脉冲能量注入。
通过改变主要自由基浓度，研究它们对不同反应过程的贡献，并获得其最优浓度
水平。主要物种初始浓度如表3 所示，它们将引发后续的气相化学脱除反应。

      表 3主要物种初始浓度（不添加氨）

      Table 3 Initial concentration of the main species （no ammonia injection）

      物　种 SO 2 NO NO 2 OH O HO 2 N 浓度， 10 16 cm -3 2.69 1.08 0.072
6.72 6.94 2.87 4.54

      图 1各主要物种浓度随时间变化　 1.SO 2 ，2.NO，3.NO 2，4.HNO 3 ，
5.H 2 SO 4 Fig.1 Temporal variations in the main species concentrations
单脉冲气相反应过程动力学模拟获得的主要感兴趣物种浓度随时间变化如图 1所
示，可看出，一旦基与氧化物种一起，在100 μs 的极短时间内给出有效的SO 2
和NO x脱除，大部分氧化物转化成H 2 SO 4和HNO 3 . 为研究主要基初始浓度对
SO 2和NO x脱除的影响，依次将其浓度取为0 ，其余基浓度不变，观察动力学模
拟的SO 2和NO x浓度随时间变化。

      ［OH］ 0 =0 的结果见图2 （a ），可看出，100 μs 内，NO大部分转化
为NO x，NO浓度的下降对应于NO 2浓度的上升，而SO 2浓度受影响不大，两种酸
的形成很少。可见OH基缺乏将阻碍SO 2和NO 2向酸的转化，而NO主要通过HO 2和
O 基氧化为NO 2，NO 2浓度增大一方面来自NO的氧化，另一方面则是由于无足够
OH基进一步反应。

      ［OH］ 0 =［HO 2］ 0 =0 的结果见图2 （b ），可看出，O 和HO 2缺乏
时，大部分SO 2由OH基有效转化为H 2 SO 4；OH基对NO氧化为NO 2贡献不大，即
NO浓度受OH基浓度影响不大；NO 2与OH反应较快，且完全从系统中消失，但它对
脱除过程的贡献并不显著，故O 和HO 2基缺乏对NO x浓度下降的影响很小。

      图 2不同基初始浓度条件下主要物种随时间变化1.SO 2，2.NO，3.NO 2，
4.HNO 3 ，5.H 2 SO 4 Fig.2 Temporal variations in the main species concentration
at various radical initial concentrations 由图 2得出结论，OH基对SO 2向
SO 3、继而向H 2 SO 4的气相氧化过程起主导作用；O 和HO 2基则对NO向NO 2的
氧化作主要贡献；而NO 2向HNO 3 的气相氧化则由OH基支配。

      图3 SO 2、NO x浓度对［OH］ 0依赖 1.SO 2 ，2.NO，3.NO 2 Fig.3 The
dependance of SO 2，NO x concentration on ［OH］ 0从典型实验条件模拟结
果看，单脉冲过程 OH 基初始产额为21.476×10 11 cm -3 （7.99×10 -2 ppm ），
而化学脱除过程SO 2减少量为6.30×10 -2 ppm ，最大的SO 2脱除产额G （-SO
2 ）与G （OH）初值相当，即G （-SO 2 ）≈G （OH）。可得出结论，SO 2的气
相氧化与OH基的浓度紧密关联。

      图3 为SO 2、NO x脱除对OH浓度依赖。NO较少受影响，而SO 2和NO 2对OH
浓度有显著的依赖性，［OH］ 0在1.3 —2.0 倍［SO 2］ 0之间，SO 2下降很快，
而［OH］ 0达2 倍［SO 2］ 0后，再增大［OH］ 0，SO 2脱除率趋于饱和，本模
拟条件下的最优［OH］ 0为2.5 倍［SO 2］ 0，此后随G （OH）增大而导致脱硫
率饱和，这归因于OH浓度增大时，其它物种的基复合反应与SO 2竞争消耗OH基。

      3 H 2 O 和O 2 在SO 2气相氧化中行为和作用的动力学分析烟气主要成分
H 2 O 和O 2 是自由基重要的源，它们在气相氧化中的行为是自由基化学的宏观
反映，了解H 2 O 和O 2 对气相氧化过程的影响，可为优化脱除过程提供动力学
依据。

      3.1 H 2 O 动力学分析从图4 可看出，H 2 O 的体积分数增大将增进SO 2
与OH的反应，使SO 2脱除率有较大的改善。无H 2 O 时，SO 2脱除由直接脱除机
制支配，且SO 3不及时与H 2 O 反应生成H 2 SO 4时，通过SO 3向SO 2转化的速
率很高，因而脱硫量很低。H 2 O 浓度增大时，由离子反应和O （ 1 D）原子抽
氢反应O （ 1 D）+H 2 O→2OH 导致OH基的产额增大，增大H 2 O 的体积分数将
通过改善OH基产额而提高脱硫效率。由图4 可见，SO 2和NO有效脱除所需的H 2
O 体积分数为4%—8%，实际烟气的H 2 O 体积分数（10% 左右）已足够。

      图4 SO 2和NO氧化与H 2 O 含量关系 1.SO 2 ，2.NO，3.NO 2 Fig.4 The
dependance of SO 2 and NO oxidation on the H 2 O content

      图5 O 2 浓度对SO 2脱除的影响Fig.5 Influence of O 2 content on SO
2 removal 3.2 O 2 动力学分析保持H 2 O 体积分数为8%的条件下，从图5 看出，
当O 2 浓度从0 增加到10% 时，脱除率上升很快；而当O 2 浓度高于10% 时，脱
除率上升缓慢，在10% —20% 间已近饱和。合理的解释是，无O 2 时，直接脱除
占优势，且通过电子激发水解离和N 2 （A ）激发转化而获得的OH产额很低，因
而脱硫率低；O 2 浓度增加时，O （ 1 D）产额增加，O （ 1 D）抽氢反应增强，
OH产额增加，脱硫效果得以改善，而SO 2脱除率在高O 2 浓度下出现饱和的根本
原因则在于H 2 O 不足，即OH的产额不受先体O （ 1 D）产额所限制，而受H 2
O 不足所限制；此时，过剩的O （ 1 D）将通过与O 2 、N 2 、CO 2和H 2 O 碰
撞的猝熄反应而消耗掉。由于实际烟气中O 2 浓度仅4%左右，不能提供足够的O
（ 1 D）产额用于抽氢反应产生OH基，脱硫效率受到限制。因此提高脉冲电源的
能量利用率是提高OH基产额的关键，即通过改善能量传送的几个环节，使电晕场
中的电子能量更有效地转化为化学反应能量，这是脱硫脱硝过程优化的突破口。

      4 结论本文建立了一个简单而合理的反应体系，对脉冲电晕条件下脱硫脱
硝进行化学动力学模拟分析，对气相氧化过程进行了预测，为优化脱除过程提供
了依据 .主要结论为：（1 ） SO 2 和NO的气相氧化脱除过程分两步进行，初始
自由基形成过程和自由基化学脱除过程，前者由脉冲电晕期间高能电子初始射解
过程和随后的次级过程组成，其中次级过程中离子反应是初始活性基的重要来源，
离子反应对脱除过程的贡献不容忽视。

      （2 ） SO 2 气相脱除过程有两个机制，直接脱除机制贡献较小，自由基
反应过程起主导作用，OH基是气相氧化SO 2的主要物种，SO 2最大脱除产额G
（-SO 2 ）与OH基产额G （OH）相当。

      （3 ） NO 的气相氧化涉及与多种自由基（O 、OH、HO 2）及中性物种的
反应，HO 2、O 和O 3 对NO气相氧化成NO 2的过程起主要作用，OH基则对NO 2向
HNO 3 的转化起主导作用。

      （4 ）给出了SO 2、NO气相氧化对主要自由基浓度的依赖关系，脱除SO 2
和NO效果随OH、O 、HO 2基浓度增大而改善，典型实验条件下SO 2气相净化所需
的最优OH基产额为SO 2浓度的2.5 倍。

      （5 ）烟气中H 2 O 体积分数增加，OH基产额增加，对SO 2脱除有利，同
时促进了NO x向HNO 3 转化。SO 2和NO有效脱除所需的H 2 O 体积分数为4%—8%，
实际烟气的H 2 O 体积分数（10% 左右）已足够。

      （6 ） O 2浓度增大对SO 2脱除有利，但OH产额可能受H 2 O 不足的限制，
导致SO 2脱除量出现饱和，最优H 2 O 浓度随O 2 浓度增大而相应增加。

      （7 ）提高脉冲电源的能量利用率是提高OH基产额的关键，即通过改善能
量传送的几个环节，使电晕场中的电子能量更有效地转化为化学反应能量，这是
脱硫脱硝过程优化的突破口。同时充分利用等离子体活化异质界面的异相反应也
将是改善脱除效果和优化供能的有效途径。