催化剂粒径对DBD反应器性能影响的研究
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摘 要：为研究DBD低温等离子体协同催化反应器中催化剂颗粒直径对放电功率和NOx脱除率影响规律，分别将五种不同颗粒直径的催化剂装入相同条件的反应器中，通过变压器改变交流电源输入电压，用功率表测定不同电压条件下的输入功率，用数字示波器测试放电电压以及Lissajous 图像并计算放电功率，用气体在线检测装置测试反应器进出口浓度计算NOx脱除率。实验发现随催化剂颗粒直径增加放电电能和NOx脱除率先增大再减小，有最大峰值；随着输入电压增加催化剂颗粒直径对放电电能和NOx脱除率的影响进一步增大。在本实验研究中催化剂最佳颗粒直径在4 mm左右，当输入电压为40 kV时，最大有效放电能量和NOx脱除效率分别为29.3 W和76.67%。该结论可为DBD协同催化反应过程中选择适宜催化剂颗粒直径提供理论依据。
关键词：低温等离子体；介质阻挡放电；催化剂颗粒直径；放电功率
中图分类号：X511 文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0001-05
收稿日期：2011-02-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(21076002)；2010年安徽省高校自然科学研究资助项目(KJ2010B323)
作者简介：陈明功(1966-)，男，安徽太和人，教授，研究方向为环境化学工程。
([WT3BZ]Effect of Catalyst Particle Diameter on Performances of DBD Reactor
CHEN Ming-gong , LIAO Xia , CHEN Jing, CUI Can, YANG Zhong-lian YU Dong-xu, RONG Jun-fen, ZHANG Fang,
CHEN Ming-qiang
(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China )
Abstract: In order to study the effect of catalyst particle diameter on the discharge power and NOx removal rate in the reactor of non-thermal plasma DBD with catalytic, five different catalyst particle diameters were filled into the same reactor conditions, respectively .Used the transformer to change the AC power input voltage , measured input power of different voltage by power meter, a digital oscilloscope was used to test discharge voltage and Lissajous image and calculate discharge power, gas online detection device to test the import and export concentration of the reactor and calculated NOx removal rate.The experiment shows the discharge power and the NOx removal ratio increases and then decreases with the diameter increasing. The catalyst size has a maximum peak value. With the input voltage increasing the effect of particle diameter on the discharge power and the NOx removal ratio increase more. The results show the option diameter of catalyst is 4mm in this experiment, when the input voltage is 40 kV, the maximum value of the discharge power and the NOx removal ratio is 29.3 Wand 76.67%, respectively. The study can provide a theoretical basis for choosing the appropriate diameter of catalyst in the DBD assisted catalytic reactor.
Key words: non-thermal plasma; dielectric barrier discharge; catalyst particle diameter; discharge power
介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是产生低温等离子体的有效方法［1］。低温等离子体协同催化剂是脱除柴油机车尾气中NOx的方法之一，在催化剂协同作用下不仅提高NOx的脱除效率，还可有效降低等离子体发生系统的能量消耗［2-4］。在汽车尾气净化中大多采用线-筒式结构［5-6］，一段线-筒式反应器是把催化剂装填在线筒之间，固体催化剂颗粒兼具阻挡介质功能，该结构与两段式相比可减小气流阻力，有利于汽车发动机尾气排出［7-9］。
文献［10］研究表明，在相同放电能量密度条件下，DBD反应器内填充介质小球有助于提高整个等离子体协同催化反应系统的NOx脱除率，并有效提高放电能量利用率；因为在DBD协同催化剂固定床反应器中气体空隙率对NOx脱除效率和输入能量利用率有较大影响，介质小球可改变DBD反应器内电场分布和气流分布，增加气体与等离子体接触机率。在催化剂填充床中催化剂颗粒直径是影响空隙率的主要因素，本研究把自制氧化铜改性海泡石催化剂颗粒装填在反应器中兼做放电阻挡介质，催化剂颗粒直径不仅影响化学反应的内外扩散，还影响介质阻挡放电反应器内部空间的几何形状，其综合效应将影响放电电能消耗和NOx脱除率。
1 实验
11 试剂与实验设备
电热恒温鼓风干燥箱(型号DHG-9240)；马弗炉；高压电源JNB-208B；功率表(HIOK13186，Digital Power Hi-Tester)；高压探头(Tektronix P6015A 1000×35PF，100 MΩ)；数字式示波器(Tektronix TDS2014，four channel digital storage Oscilloscope，100 MHz 1 Gs／s)；变压器(0～250 V)；气体在线检测装置(NGK NOx Sensor Controller，TCNS 6005-C3)；压缩空气钢瓶；NO气体钢瓶(NO浓度1 990 ×10-6，其余为为N2)；气体质量控制仪(MFC)；氧化铜改性海泡石催化剂颗粒(自制)［11］。介质阻挡放电催化反应器(自制): 反应器由内径27 mm、壁厚2 mm、 长度120 mm硼硅酸耐热玻璃管制成， 玻璃管外壁粘贴长度60 mm厚度06 mm铝膜为阴极， 玻璃管中央安装外径8 mm铝棒为阳极； 催化剂装填在铝棒和铝膜间玻璃管内， 两端用硅橡胶塞密封［12］。
12 实验方法
1. 电源；2. 自偶变压器；3. 电功率表； 4. 放大器； 5. 高压探头； 6. 数字示波器；7. 介质阻挡反应器；8. NO在线检测器；
9. 空气钢瓶；10. NO／N2气体钢瓶；11. 数字流量计；12. 恒温箱
2 结果与讨论
21 催化剂粒径与总功率关系
试验测得催化剂颗粒直径与反应器总功率和电压变化关系是，随输入电压增大系统总功率增加，该输入总能量消耗于系统放电和产生热量；在不同颗粒直径条件下系统放电过程中总输入功率曲线基本重合（见图2），由于反应器装填体积和电阻阻值不变，根据公式P=V2／R知，总功率主要有反应器本身电阻和输入电压决定，所以催化剂颗粒直径对反应器总输入功率基本没有影响。
放电功率是指等离子体反应器放电所消耗的能量，该能量大小将影响反应器空间的气体电离程度和等离子密度。根据等离子体放电能量Manley方程［14-17］，结合本研究具体特征，放电功率表达式为
P=4f•C2GCG+CP+CA•V0(Vp-V0)(1)
式中:P为放电消耗电能，W；f为交流电源频率(60Hz)；CG为玻璃管(反应器外壳)产生的电容，F；CP为反应器内催化剂颗粒产生的总电容，F；CA为反应器内催化剂间隙产生的总电容，F； V0为反应器发生放电起始电压，V； Vp为输入反应器电压，V。
图2 不同颗粒直径条件下总功率和电压关系曲线
在dbd反应器中实验测得催化剂颗粒直径与放电功率、电压关系如图3所示。
图3 不同粒径条件下放电功率与电压关系
由图3可知：① 启动放电最小电压Vo与填充颗粒直径无关，本实验测得启动最小电压约为5 kV左右；② 当输入电压Vp较低时，颗粒直径对放电功率影响较小；随输入电压增大颗粒直径对放电功率影响增加，因为放电功率与(Vp-Vo)有关，(Vp-Vo)随Vp增大而增大，即放电功率P随输入电压的增大而增加。
比较图2和图3知，在相同输入电压条件下总功率大于放电功率，因为其中部分输入能量转化为热能，使反应器温度升高。
22 催化剂粒径与放电功率关系
由图4知，① 填料颗粒直径对放电功率影响存在最佳值dopt（4 mm左右），当颗粒直径为dopt时，放电功率有最大值；因为介质阻挡放电是一个充电、放电、熄灭、再重新充电放电的瞬态过程，其中充电量大小决定DBD放电功率。当填料颗粒直径大于dopt时，在DBD反应器中随颗粒直径增大间隙空间所占比例增加，由于间隙电容(介电常数)小于固体颗粒电容(介电常数)，在相同条件下致使总电容量降低，所以放电功率随颗粒直径增大而降低。当颗粒直径小于dopt时，随颗粒直径减小固体颗粒等效电容量降低易被击穿，所以放电功率随颗粒直径减小而降低。② 随输入电压增大，颗粒直径对放电功率影响逐渐增强，因为介质阻挡填料有效放电面积和放电强度有关，随输入电压增大放电增强，放电空间丝状通道数增加，有效面积增大；当外加电压达到一定值时介质表面布满放电细丝，有效放电面积达到最大值(颗粒表面积)不在发生明显变化，而最大有效放电面积由填充颗粒直径决定，所以随输入电压增大颗粒直径对放电功率的影响愈加明显。在本研究实验中催化剂最佳颗粒直径为4 mm左右，当输入电压为40 kV时，最大有效放电能量为29.3 W。
1.6 kV；2. 12 kV；3.18 kV；4.24 kV；5.30 kV；6.36 kV；7.40 kV；8.46 kV；9.50 kV
图6 不同电压条件下催化剂粒径与NOx脱除率关系曲线
综合分析图5~图6可知，在DBD协同催化反应器中NOx脱除率与催化剂颗粒直径间存在最佳值（本研究约为4 mm左右）。当催化剂颗粒直径在最佳状况下NOx脱除效率具有最大峰值（当输入电压为40 kV时，NOx脱除率为76.67%），在该状况下输入电压和催化剂颗粒直径对化学反应均产生较强影响，因为当颗粒直径小于最佳值时，输入电压不仅用于有效放电产生等离子体，同时也使催化剂颗粒表面负载充分的电荷产生较强静电力，在静电力作用下颗粒间将吸引形成较大颗粒团，使催化剂有效比表面积减小，因此在相同输入电压状态下NOx脱除效率随催化剂颗粒直径减小而减小。当颗粒直径大于最佳值时，输入电压主要提高等离子体密度； 但根据式（2）和式（3）可知， 随催化剂颗粒直径增大将增加催化剂颗粒内外扩散阻力， 有效扩散系数η减小， 影响化学反应速率。 因此，在相同输入电压条件下，当催化剂颗粒直径大于最佳值时，NOx脱除效率随催化剂颗粒直径增大而减小。
3 结论
催化剂颗粒直径不仅影响化学反应内外扩散和气固接触面积，同时还影响介质阻挡放电等离子体反应器内部的几何形状、放电体系的电容、放电功率，以及NOx的脱除效率。研究表明随输入电压增加反应器总能量消耗增大，随催化剂颗粒直径变化有效放电能量和NOx脱除效率存在最佳峰值，并且随输入电压增大，催化剂颗粒直径影响增加。在本实验中催化剂最佳颗粒直径在4 mm左右，当输入电压为40 kV时，最大有效放电能量和NOx脱除效率分别为29.3 W和76.67%。
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