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摘要：本文在研究等离子体脱硫脱硝技术机理的基础上，研究了干混合气体、含水蒸气混合气体情况下，低温等离子体脱硫脱硝规律及脱硫脱硝效果，以期为船舶柴油机脱硫脱硝技术应用提供参考，

关键词：船舶柴油机；等离子体；脱硫脱硝

当前，船舶运输业快速发展，其运输经济性、安全性和运输量大的优点日益凸显，但同时船舶柴油机尾气排放造成的环境污染问题引起广泛关注。据统计，船舶尾气排放污染占大气污染总量的5%～10%。船舶柴油机燃油经高温燃烧后产生氮氧化物，尤其是远洋船舶多以劣质燃油作为燃料，燃油中的硫醇等硫化物转化为硫氧化物，导致船舶柴油机尾气排放污染问题日益突出。由于重油成分复杂，含有较高有害物质，包括 （90～95%为 ，其余为 ）、 （95%为 ，其余为 ）、碳氢化合物、甲烷、CO、CO2和颗粒物等。根据欧盟调查数据显示，机动车尾气排放量逐年下降，但船舶柴油机尾气排放量仍持续上升，局部地区船舶尾气排放污染占比达30～40%，如挪威等。由此可见，加强船舶柴油机尾气排放污染控制势在必行。等离子体脱硫脱硝技术是一种新型污染防治技术，通过将尾气中高能电子和自由基氧化、还原，实现尾气脱硫脱硝目的。

1 等离子体概念及脱硫脱硝机理

1.1 等离子体概念

等离子体即为除气态、液态、固态之外的形态，是以离子和电子形态存在的物质，是一种带有自由移动的负态、正态电子的气体。

等离子体中的带电粒子是对物质进行加热至一定温度后，构成物质的分子离解，原子最外层电子摆脱原子核束缚，成为自由电子，原子失去电子后变为正离子。由于等离子体具有高导电性、发光等特性，在日常生活中较为常见，如霓虹灯等。

根据温度分类，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体为温度高于1万摄氏度的等离子体，如核聚变、太阳核心等，其粒子温度大于108～109K，粒子带有足够能量且相互碰撞达到核聚变反应条件。低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体为常压或高压情况下电弧放电、高频放电产生的等离子体，可使分子、原子发生离解、电离、化合等反应。冷等离子体温度介于100～1000K，多为稀薄气体在低压作用下由激光、射频、微波电源发辉光放电等原因产生。等离子体在日常生产生活中较为稀少，但部分情况能够自然产生等离子体，如闪电、极光等。实验室条件下，可在大气压环境产生等离子体现象，如电晕放电、滑动弧放电、火花放电、射频、介质阻挡放电、辉光放电等。

1.2 等离子体脱硫脱硝机理

等离子体脱硫脱硝技术即在常压情况下，通过脉冲电晕放电、介质阻挡放电等技术产生低温等离子体，使污染物原子、分子发生化学反应，以此达到脱除污染物中有害物目的的技术。

低温等离子体脱硫脱硝技术反应过程较为复杂，其基本机理是通过静电捕集污染物中的颗粒物，利用放电过程中产生的氧自由基、臭氧、超氧化氢、羟基等氧化性基团与污染物中硫化物、硝化物结合，由于等离子体静电除尘最佳电阻率为104～1011Ω·cm，而船舶柴油机排放颗粒物电阻率介于106～108Ω·cm之间，尤其适用于静电吸附捕集，达到脱硫脱硝的目的。

2 等离子体脱硫脱硝实验研究

在等离子体脱硫脱硝中，由于其化学反应较为复杂，反应条件的改变将影响脱硫脱硝效果。部分研究表明，二氧化硫虽然可被氧化基团氧化，但活性氧原子也可与三氧化硫反应，生成二氧化硫，且该反应速度显著高于二氧化硫被氧化速度，导致二氧化硫总量保持不变，难以体现等离子体脱硫效果。而在等离子脱硝中，仅依靠等离子体产生的氧化基团脱硝效果不显著，可通过添加氧气或水蒸气加速氧化基团产生，加快脱硝氧化效率。但也存在脱硝后氧化产物进入后续反应并生成NO等情况，导致等离子体脱硝效率不显著。因此，为研究等离子体脱硫脱硝技术效果，本研究开展等离子体脱硫脱硝试验，以高纯度氮气作为平衡气，对比微量氧气情况下，有无蒸汽对脱硫脱硝效果的影响和等离子体脱硫脱硝变化规律。

2.1 实验装置

实验装置由高压电源、调压器、等离子体反应器、混气罐和烟气分析仪组成。实验用气体包括高纯氮、一氧化氮、工业氧、二氧化硫等欺气体。

等离子体反应器采用介质阻挡放电等离子体反应器，采用同轴结构，内电极为直径8mm的铜棒，外部为石英玻璃圆柱筒结构，石英玻璃外围缠绕120mm铜丝网作为外电极。等离子体电源为高压脉冲电源，可输出1～100KHz频率电源。烟气分析仪为KM9106型综合烟气分析仪，可测读气体成分浓度值。

2.2 实验方法

实验时，将等离子体脱硫脱硝实验系统连接，检查气密性无误后，向系统内充入氮气，排净管路内空气。使用烟气分析仪分析管路出口空气，校核管路出口空气浓度比。待空气分析仪读数稳定后。记录分析仪读数作为实验初始值。

启动等离子体电源，借助调压器调节等离子体反应器电压，调节高压脉冲电源放电频率，待放电频率稳定后，保持电气参数不变。

通入不同实验气体，观察烟气分析度读数，记录烟气分析仪记录。待全部分析完成后关闭气体及电源。

2.3 N2/NO/SO2/O2混合气体脱硫脱硝效果分析

按总混合气体300L/h配制N2/NO/SO2/O2混合气体，其中，N2量为230ppm，O2浓度为5%，SO2量分别为250ppm、450ppm、650ppm、850ppm、1055ppm，研究干燥气体情况下等离子体脱硫效果。

根据实验研究发现，在干燥混合气体情况下，等离子体脱硫效果在SO2浓度为257ppm时最高，为189ppm，脱除效率为26%（如图1所示），并随混合气体浓度增加而脱硫效果下降。当SO浓度增加至1067ppm时，等离子体脱硫后SO2浓度降至907ppm。脱除率仅为15%。由此可见，在干燥气体情况下，等离子体脱硫效率为15%～26%。

在干燥混合气体情况下，随SO2浓度增加，等离子体脱除NO效率下降，表明SO2浓度对NO脱除效率有抑制作用。当SO2浓度偏低时，对等离子体脱硝抑制作用不明显，但当SO2浓度增加时，对等离子体脱硝效果抑制作用日益明显，且在SO2浓度增加时，反应生成的NO2量显著减少，导致NO2反应曲线呈现随SO2浓度增加而逐渐下降趋势。

在等离子体反应空间中，SO2起到增加氧气的作用，其机理为SO2捕捉到等离子体场内中的高能电子，并与高能电子结合形成硫酸根离子，由于硫酸根离子质量较大。在电场中运动较为缓慢，使等离子体放电电流减小。随SO2浓度增加，硫酸根离子密度显著增加。等离子体场内高能电子能量和密度显著降低，其与NO碰撞的概率降低。导致等离子体脱硝效果不明显。根据研究发现，初始气体中SO2浓度由200ppm提高至1050ppm时，等离子体反应生成NO量由195ppm降至170ppm，NO2生产量由195ppm降至19ppm。因此，当柴油机采用高硫燃油时，将对等离子体脱硫脱硝系统脱硝效果产生抑制作用，导致脱硝率下降。

2.4 N2/NO/SO2/O2/H2O混合气体

在不改变混合气体组成的情况下，通过使混合气体经过洗涤装置增加混合气体中含水率，混合气体带有少量水蒸气进入等离子体反应系统，以此研究含有少量水蒸气情况下等离子体系统脱硫脱硝效果。

根据实验研究发现，在含有少量水蒸气情况下，等离子体脱硫效果在216ppm时最高，在达到顶点后随SO2浓度增加而逐渐下降。根据分析仪数据，混合气体SO2初始浓度为216ppm时，等离子体脱硫后SO2浓度降至130ppm，脱硫率为40%。当SO2浓度提高至1043ppm时，等离子体脱硫后降至778ppm，脱硫率为26%（如图2所示）。当SO2浓度增加至850ppm时，脱除率基本趋于稳定。因此，在含有水蒸气的混合气体情况下，等离子体系统脱硫效率为25～45%范围内。

在研究等离子体脱硝效果时，随SO2浓度增加，对等离子体脱硝产生抑制作用，表现为随SO2浓度增加，硫酸根离子脱除率逐渐下降。

通过对比有、无水蒸气情况下等离子体脱硫效果，分析研究SO2浓度变化对等离子体脱除效率的影响，发现在混合气体中加入水蒸气能够显著提高等离子体脱硫率（如图4所示）。

根据研究发现。SO2浓度对等离子体脱硝效果产生抑制作用（如图5所示）。，脱硝率随SO2浓度增加而逐渐下降。但在混合气体中加入适量水蒸气情况下，可显著提高他等立体系统脱硝率，其原因在于混合气体中水蒸气分子与场内高能电子碰撞生成OH自由基，硫酸根、硝酸根离子与OH自由基结合，从而提高了等离子体系统脱硫脱硝效果。当混合气体中SO2浓度达到850ppm时，等离子体系统脱硫脱硝效率趋于稳定。

2.5 电源特性对脱硫脱硝的影响

为研究电源特性对脱硫脱硝效率的影响，设计300L/h混合气体中NO浓度200ppm、O2浓度5%、SO2浓度200ppn，电源脉冲频率取9kHz，通过调节电源电压研究电源特性对等离子体脱硫脱硝的影响。

实验研究发现，在混合气体成分保持不变情况下，随电压增加，等离子体脱硫脱硝效率出现一定上升波动（如图6所示），但当电压继续增加时，等离子体脱除率又出现下降趋势，电源电压由180V调节至240V，等离子体脱硫率并未出现显著变化，在35%水平波动。

通过研究等离子体脱硫脱硝效率发现，等离子体脱硫率与电压调整关系不显著，但随电压调整而逐渐上升（如图7所示）。

3 结语

通过研究发现，采用低温等离子体脱硫脱硝技术，受电源特性、水蒸气含量、SO2浓度等因素影响显著，在干燥混合气体中，SO2脱除率随混合气体中SO2浓度增加而逐渐降低。当SO2浓度达到850ppm时，等离子体脱硫率趋于稳定。在加入少量水蒸气情况下，SO2脱除率提高，当SO2浓度增加至850ppm时，等离子体脱硫率趋于稳定，介于25～45%范围内，高于干燥混合气体情况下等离子体脱硫率。无论是在干燥气体或少量水蒸气混合气体情况下，SO2浓度均对等离子体脱硝效率产生抑制作用。通过研究电源电压对等离子体脱硫脱硝效率的影响发现，调整电源电压对SO2脱除率影响不显著，SO2浓度基本保持在140ppm，脱硫率维持在35%左右。但电压提高后，硝酸根离子浓度不断上升。

通过采用等离子体脱硫脱脱硝技术制备船舶柴油机尾气净化系统，经实验研究发现，SO2脱除率约为85%，脱硝率可达到70%，具有良好的应用推广价值。

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