1. 引言
随着电力行业的高速发展，各种污染物的排放也越来越多。其中，煤燃烧是我国大气污染严重的主要原因之一，而我国是煤炭消费大国，以煤炭为主要能源的消费结构在很长一段时间内难以改变，这就使得我国环境污染问题尤为严重 [1] 。燃烧生成的氮氧化物既污染环境也会对人体造成危害。NOX的过量排放是导致酸雨的原因之一，另一方面NOX与碳氢化合物反应会造成光化学烟雾。
目前电厂中主要使用的脱硝方法有选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR) [2] 。然而SCR技术存在着催化剂中毒、氨泄漏，费用投资比较高等问题，SNCR技术对NO还原效率较低，需要使用大量的还原剂，成本较高。与传统的脱硝技术相比，介质阻挡放电低温等离子体烟气脱硝技术，设备质量轻，体积小，运行费用低，运行过程中，不会导致二次污染。
随着高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，也为介质阻挡放电低温等离子体技术的发展带来了新的机遇和挑战。现在，介质阻挡电低温等离子体技术已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。介质阻挡放电生成低温等离子体技术在紫外光远、臭氧的合成、材料表面改性等放电已经得到广泛使用，近年来，在环境工程方面的运用也收到越来越多的关注，其中对烟气脱硫脱销方面的研究已经进入应用阶段。该法不仅可以脱除烟气中的NO，而且可以同时脱除硫化物和粉尘，有望成为一种脱硫、脱氮、除尘一体化的新工艺技术，该法具有显著的脱氮脱硫效果，去除率可达到80%以上 [3] 。
2. 介质阻挡放电低温等离子体脱硝的原理
低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体，此时电子与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，这样的等离子体称为低温等离子体。低温等离子体可以通过辉光放电，电晕放电，介质阻挡放电，射频低温等离子体放电，滑动电弧放电等方法来获得 [4] 。
低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体 [5] 。低温等离子体脱硝就是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的NOX作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到氮氧化物的脱除的目的 [6] 。
等离子体去除NOx的基本过程第一阶段为氧化性活性粒子的生成阶段，具体过程如下 [7] [8] ：
O原子或臭氧的氧化
OH自由基的氧化
等离子体脱氮的基本过程第二阶段为这些反应中产生的活性粒子与NO发生反应阶段，具体过程如下：
通过上述等离子体脱除NOX的过程可以看出，NOX主要与DBD放电过程产生的氧化性活性粒子(O、OH)和生成的O3反应，达到脱除NO的目的。在实验中应该更好的控制DBD的放电过程，使其产生更多的活性粒子，促进反应的发生，提高NO的脱除效率。
3. 实验系统
实验系统如图1所示，实验过程中所使用的NO由气瓶提供，系统主要由NO发生装置，介质阻挡放电低温等离子体发生装置，烟气分析测量装置和尾气处理吸收装置等几部分组成。
为了排除空气中O2对NO氧化的影响，不使用引风机，使用N2体系进行试验，将配比的N2，NO与O2先在橡皮囊内进行混合，再用泵吸入混气瓶。气体进入混气瓶进行混合后经过蒸汽发生器混合水蒸气以提高湿度，与发尘装置注入的烟尘混合后进入DBD反应器。DBD反应器采用单介质阻挡放电同轴反应器，等离子放电宽度150 mm，单边放电间隙3 mm，外电极为外径25 mm，内径20 mm的陶瓷管，内电极为齿状不锈钢电极，凹槽直径11 mm，凸起直径14 mm。高频电源采用CTP-2000K电源，电压可调范围为0~30 kv，频率为0~10 kHZ。示波 器采用DS1104Z数字示波器，使用JSA9-M3烟气分析仪进行气体的检测，加入烟尘的粒径分布使用Better-size2000LD仪进行测量。反应器尾部接入质量分数为30%的NaOH液对尾气进行吸收净化 [9] 。通过烟气分析仪测量反应器进出口NO浓度，定义NO脱除效率为：
其中η代表NO脱除效率，C代表NO浓度。
4. 实验结果与分析
4.1. 初始浓度对介质阻挡放电脱除NO效率的影响
实际生产过程中不同电厂烟气排出的NO浓度各不相同，所以对不同初始浓度的烟气与其脱除效率之间的关系进行实验。以N2作为背景，排除空气中O2氧化的影响，流量控制2 L/min，电压16 KV，频率10 KHz，常温常压下进行介质阻挡放电脱除NO的实验，初始浓度在200 PPM~900 PPM之间，进行多组实验取平均值，得出初始浓度与NO脱除效率的关系如图2所示。
初始浓度从200 PPM逐渐增加到900 PPM的过程中，以N2作为背景，O2含量为0，NO的脱除效率从83%下降到33%。
Figure 2. Effect of initial concentration of NO on removal efficiency
图2. NO初始浓度对脱除效率的影响
由于介质阻挡放电的放电电压和频率确定后，输入到DBD反应器中的能量值一定，其放电产生的活性粒子也是一定的，所能反应脱除的NO分子也是一定得。随着NO入口初始浓度的增加，其中含有的NO分子数会随着增加，而介质阻挡放电产生的活性粒子只能与其中相应的NO分子反应。所以污染物浓度升高后，NO脱除效率就降低了。随着初始浓度每增加100 PPM，NO脱除效率都会下降10%左右。
4.2. O2浓度对介质阻挡放电脱除NO效率的影响
电厂中为了保证燃烧完全，燃烧时都会供应过量空气，这样的燃烧条件有利于提高锅炉效率，尾部烟气中测得的O2含量为6%，因此需要对不同O2浓度下介质阻挡放电脱除NO进行实验。以N2作为背景，排除空气中O2氧化的影响，流量控制2 L/min，频率10 KHz，调节NO初始浓度为550 PPM，通过O2瓶配置体积分数分别为0%，4%，6%，10%的模拟气体，常温常压下进行介质阻挡放电脱除NO的实验，得出O2与NO脱除效率的关系如图3所示。
O2对介质阻挡放电脱除NO效率的影响很大，随着O2含量由0%增加到10%，NO在各个电压点的脱除效率都在下降。电压在8 KV之前，O2对NO脱除效率影响不明显；电压在8 KV以后，随着O2浓
Figure 3. Effect of O2content on removal efficiency of NO in dielectric barrier discharge
图3. O2含量对介质阻挡放电脱除NO效率影响
度的增加，在同一电压下脱除NO的效率明显降低；电压在20 KV时，0%、4%、6%、8%O2浓度下对应的NO脱除效率分别为60%、49%、38.9%、和33.8%。随着O2浓度的增加，系统中的高能电子与O2反应产生O活性粒子和O3等强氧化性的物质，将NO氧化为NO2，同时，也会发生反应：O + NO2→ NO + O2。
NO2又会被转化为NO，这些反应对NO的分解有抑制作用，降低了介质阻挡放电对NO脱除效率。另一方面由于O2的存在，会吸附放电区的电，形成缓慢移动的负离子，使放电变得困难，从而降低放电产生高能电子的速度和密度，电子密度降低导致了NO脱除效率下降。在同一O2含量下，随着电压的增加，脱除效率也逐渐增加。当O2含量为0，电压在16 KV，初始浓度为550 PPM时，NO的脱除效率为54%，实验结果与4.1节中初始浓度对NO脱除效率研究相一致。
通过实验可以看出，随着O2含量逐渐增加，0%、4%、6%、8%浓度下，NO的脱除效率明显降低，氧气的加入抑制了NO的脱除，富氧条件下NOX很难被DBD脱除，在实际的脱除过程中可以考虑添加合适的低碳烃来促进反应的发生 [10] ，提高NOX的脱除效率。随着NO初始浓度的增加，DBD对NOX的脱除效率下降明显，在实际脱除过程中，可以考虑适当减小气体流量，使DBD在对NOX脱除工作过程中达到理想的效率。
5. 结论
1) 介质阻挡放电脱除NO的效率在初始浓度较低时可以达到80%以上，随着NO初始浓度的增加，NO脱除效率逐渐减小。在电压确定时，输入到DBD反应器中的能量是一定的，DBD所能产生的活性粒子数量有限，随着初始浓度的增加，DBD脱除NO的效率也随之降低。在初始NO浓度由200增加到300的过程中，NO脱除效率下降幅度最大，在输入电压和频率确定后，NO浓度增加，气体中含有的NO分子数目增加，虽然介质阻挡放电仍然可以脱除相应数量的NO分子，但是气体中总的NO分子的含量变大使得NO的脱除效率变低。在后续的NO初始浓度增加的过程中，气体中NO分子的越来越多，NO脱除效率也逐渐降低。
2) 在O2含量一定时，提高DBD反应器电压，介质阻挡放电脱除NO效率也相应增加。输入电压增加，反应器内的能量密度增加，气体被电力产生的高能粒子增加，NO脱除效率增加。当电压达到16 KV以上时，脱除效率曲线逐渐变缓，空间中大多数气体被电离，形成了稳定的放电通道，继续增加的电压转化为热量，NO脱除效率上升不再明显。
3) 在相同电压下，提高O2含量，介质阻挡放电脱除NO效率降低，在电压达到15 KV左右时，O2含量由0%增加到8%，NO脱除效率降低了30%左右。随着O2浓度的增加，系统中的高能电子与O2反应产生O活性粒子，NO2又会被转化为NO，对NO的分解有抑制作用，降低了介质阻挡放电对NO脱除效率。