第26卷第6期2011年11月热能动力工程JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERVol．26，No．6Nov．，2011收稿日期:2010－06－23;修订日期:2010－07－01基金项目:河北省科学技术研究与发展计划基金资助项目(07786720D)作者简介:赵毅(1956－)，男，满族，河北秦皇岛人，华北电力大学教授，博士生导师.文章编号:1001－2060(2011)06－0721－05气体微波放电转化NO的模拟实验研究赵毅，曹春梅(华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003)摘要:对模拟烟气系统的微波放电转化NO过程进行了数值模拟，分析了影响NO转化率和N2、NO2选择性的因素及规律。
研究结果表明:在He+NO+O2系统中，40W微波功率下，NO总转化率可达77%，其中59%转化为N2，18%转化为NO2。
微波功率、NO初始浓度和O2初始浓度等对NO 转化率及N2、NO2的选择性有一定的影响。
微波功率对NO 转化率影响不大，但微波功率的增大有利于NO向N2的转化、提高N2选择性。
NO初始浓度的增加降低了体系的NO 转化率。
O2的加入使产物中NO2的量增加，但NO转化为N2的转化率总大于其转化为NO2的转化率。
屏蔽O自由基和N自由基均降低了NO的转化率，有O无N使NO主要转化为NO2，有N无O有利于NO向N2的转化。
关键词:微波放电;烟气脱硝;N2和NO2选择性;化学反应动力学;仿真实验中图分类号:X131．1文献标识码:A引言利用微波放电使NO氧化或分解是目前干法烟气治理技术中广泛研究的课题［1 5］。
已有研究表明:在微波场中，高能电子的能量为3 10eV，而NO、O2解离能分别为6．4和5．1eV，微波放电能够解离NO和O2，产生大量的N自由基和O自由基，N 自由基具有佷高的活性［6］，能与NO反应，使得在微波放电烟气系统中最主要的NO转化产物为N2。
但由于转化NO的过程通常包含非常复杂的物理与化学机制，直接通过实验来确定某些机制或某些反应的重要性存在一定的困难。
因此，实际研究中往往避开深层次的机理问题，而研究表观效果，使实验结果缺乏理论支持。
为明晰微波放电NO转化机理，探讨转化过程中气体成分之间的协同作用规律，需要建立反应过程的动力学方程并进行数值求解。
本研究对He+NO+O2系统进行微波放电转化NO 的模拟实验研究，分析影响NO转化率及其向N2、NO2转化的因素及规律，进而改进现有工艺，提高微波利用率以降低能耗等提供依据和参考。
1微波放电转化NO的反应模型通过微波辐照被处理的含NO气体，使之部分电离、分解、激发，产生一定浓度的活性粒子N自由基和O自由基，利用这些活性粒子与气体中的NO 反应可以达到转化NO的目的。
采用氦气作为平衡气，参考文献［2］的微波放电混合气体系统模型He+NO+O2和相应的微波放电转化NO的主要反应方程式为:微波+He→He*+e*e*+NO→N+O+e(1)e*+O2→O+O+e(2)式中:e*、e—高能电子和低能电子。
系统转化NO的主要化学反应如表1所示［2］，两体反应、三体反应的反应速率常数单位分别为cm3/s和cm6/s。
表1微波放电He+NO+O2系统转化NO主要化学反应式Tab．1Main chemical reaction formula for decomposing andremoving NO in a microwave discharge He+NO+O2system 序号反应物生成物反应速率常数1N+NO N2+O3．39ˑ10－112N+N+M N2+M8．28ˑ10－343N+O2NO+O8．90ˑ10－174N+O NO2．41ˑ10－135O+NO+M NO2+M4．99ˑ10－366O+O O21．69ˑ10－13热能动力工程2011年续表1微波放电He +NO +O 2系统转化NO 主要化学反应式Tab．1Main chemical reaction formula for decomposing and removing NO in a microwave discharge He +NO +O 2system序号反应物生成物反应速率常数7O +NO N +O 24．60ˑ10－158NO 2+O NO +O 29．70ˑ10－129NO 2+N 2NO 3．01ˑ10－1210O +O 2O 32．81ˑ10－1211NO +O 3NO 2+O 21．81ˑ10－1412NO 2+O 3NO 3+O 23．19ˑ10－1713NO 2+O NO 32．14ˑ10－1214NO +NO 32NO 22．89ˑ10－1115NO +NO 32NO +O 23．04ˑ10－1316NO 2+N N 2O +O 3．01ˑ10－1217N 2O +O N 2+O 24．90ˑ10－1118N 2O +O2NO6．69ˑ10－11根据表1，建立的反应系统中各组份粒子数密度随时间变化的动力学方程组为:d ［N ］d t=－k 1［N ］［NO ］－k 2［N ］2－k 3［N ］［O 2］－k 4［N ］［O ］+k 7［NO ］［O ］－k 9［N ］［NO 2］－k 16［N ］［NO 2］d ［NO ］d t =－k 1［N ］［NO ］+k 3［N ］［O 2］+k 4［N ］［O ］－k 5［O ］［NO ］－k 7［O ］［NO ］+k 8［O ］［NO 2］+2k 9［N ］［NO 2］－k 11［O 3］［NO ］－k 14［NO 3］［NO ］+k 15［NO 3］［NO ］+2k 18［O ］［N 2O ］d ［O 2］d t =－k 3［N ］［O 2］+k 6［O ］2+k 7［NO ］［O ］+k 8［O ］［NO 2］－k 10［O ］［O 2］+k 11［O 3］［NO ］+k 12［O 3］［NO 2］+k 15［NO 3］［NO ］+k 17［O ］［N 2O ］d ［O ］d t=k 1［N ］［NO ］+k 3［N ］［O 2］－k 4［N ］［O ］－k 5［NO ］［O ］－k 6［O ］2－k 7［NO ］［O ］－k 8［O ］［NO 2］－k 10［O ］［O 2］－k 13［O ］［NO 2］+k 16［N ］［NO 2］－(k 17+k 18)［O ］［N 2O ］d ［NO 2］d t =k 5［NO ］［O ］－k 8［O ］［NO 2］－k 9［N ］［NO 2］+k 11［O 3］［NO ］－k 12［O 3］［NO 2］－k 13［O ］［NO 2］+2k 14［NO ］［NO 3］－k 16［N ］［NO 2］d ［N 2］d t =k 1［N ］［NO ］+k 2［N ］2+k 17［O ］［N 2O ］d ［O 3］d t =k 10［O ］［O 2］－k 11［NO ］［O 3］－k 12［NO 2］［O 3］d ［NO 3］d t =k 12［O 3］［NO 2］+k 13［O ］［NO 2］－(k 14+k 15)［NO 3］［NO ］d ［N 2O ］d t =k 16［N ］［NO 2］－(k 17+k 18)［N 2O ］［O ］如果已知系统中各粒子的初始数密度，对上述动力学方程组编写相应的求解程序，即可给出反应过程中各粒子数密度随时间的变化关系［7－10］，并可进一步分析各因素对NO 转化的影响。
系统中各组分粒子的初始体积浓度取值同文献［2］，NO 的初始浓度为0．2%，O 2的初始浓度为2%，平衡气He 初始浓度为97．8%，将系统中气体视为理想气体系统。
为方便计算，各物质浓度用粒子数密度(cm －3)表示。
在常温(T =293K )、常压(p =1．013ˑ105Pa )下，由理想气体状态方程可得NO 、O 2的粒子数密度，微波作用下高能电子解离NO 和O 2产生的活性粒子N 自由基和O 自由基初始数密度的数量级为1015cm －3，根据式(1)、式(2)及统计平均规律，简化体系中O 自由基初始数密度和N 自由基初始数密度取值，其余粒子的初始数密度均为零，具体数值如表2所示。
表2初始粒子数密度Tab．2Initial particle concentrationNNO O 2O NO 2N 2O 3NO 3N 2O 初始粒子数密度/cm －37．5ˑ101525ˑ101525ˑ101628．5ˑ1015·227·第6期赵毅，等:气体微波放电转化NO 的模拟实验研究2计算结果与讨论通过调整数值模拟实验参数，研究影响He +NO +O 2系统微波放电转化NO 的主要因素(包括微波功率、NO 初始浓度、O 2初始浓度等)，分析放电过程中产生的N 自由基和O 自由基对NO 转化的影响。
2．1计算结果与实验结果对比图1NO 、N 2和NO 2粒子数密度随时间的变化Fig．1Change of the concentration of NO ，N 2and NO 2with time在微波功率为40W 、NO 初始体积浓度为0．2%、O 2初始体积浓度为2%时(对应的初始粒子数密度如表2所示)计算出的NO 、N 2和NO 2粒子数密度随时间的变化曲线，如图1所示。
微波放电He +NO +O 2系统是一个快速反应，随着反应时间的增加，各反应物和产物的分子数密度很快达到稳定，反应完全稳定后NO 转化计算结果与相同条件下文献［2］的实验结果对比如表3所示。
NO 转化率的计算式为:ηNO =[]NO in []－NO out[]NO inˑ100%NO 转化为N 2的转化率(N 2选择性)计算式为:ηN 2=2N []2[]NO inˑ100%NO 转化为NO 2的转化率(NO 2选择性)计算式为:ηNO 2=［NO 2］［NO ］inˑ100%相对误差计算式为:E =实验结果－计算结果实验结果ˑ100%从表3中数据可以看出，微波放电He +NO +O 2系统的模拟计算结果与实验结果非常接近，说明模拟过程是比较准确的，模拟结果可以有效地反映NO 的实际转化结果。
表3计算结果与实验结果比较Tab．3Comparison ofcalculation results with the test onesηNOηN 2ηNO 2实验结果77．2359．6117．62计算结果77．2059．6017．595相对误差E /%0．040．020．142．2微波功率对NO 转化的影响提高微波功率会形成更多的N 自由基和O 自由基，微波功率的变化体现在微波作用下NO 解离产生的活性粒子N 自由基和O 自由基初始数密度参数的变化上。
