Вопрос конверсии газов в плазме газового разряда необходимо рассматривать как с точки зрения преобразования токсичных соединений в нетоксичные, так и с точки зрения изменения физико-химических свойств обрабатываемых плазмой веществ для их использования в реакциях последующего синтеза или в специальных технологических процессах.

Основными источниками токсичных газообразных загрязнений являются:
— Тепловые электрические станции, при этом главными загрязняющими компонентами являются оксиды серы (SO₂) и оксиды азота (NO_x). Например, для тепловой электростанции мощностью Р = 800 МВт, использующей низкокалорийный бурый уголь с расходом 6 млн. тонн в год и с содержанием серы S = 1,5 %, выбрасывается в год в атмосферу до 170 тыс. тонн диоксида серы SO₂.
— Черная и цветная металлургия. Наиболее серьезным газовым выбросом также является диоксид серы.
— Химическая промышленность. Наиболее важными газообразными загрязняющими веществами, с учетом объемов их производства и токсичности, являются хлор, оксиды азота и серы, фтор и его соединения, углеводороды и их хлорпроизводные.

Традиционными методами очистки газов от вредных газообразных примесей являются:
1. Химико-каталитические методы (каталитическое окисление — химические превращения токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердого катализатора).
2. Адсорбционные методы (абсорбция в объеме жидкости — физическая и химическая — хемосорбция; абсорбция на поверхности пористых тел).
3. Термические методы (метод прямого сжигания в пламени).
В последние годы интенсивно развиваются технологии очистки газообразных загрязняющих выбросов с использованием новых нетрадиционных методов:
4. На основе радиационного облучения.
5. Путем бомбардировки газа элементарными частицами высокой энергии, полученными в ускорителях (например, пучком ускоренных электронов).
6. С использованием плазмы газового разряда (наносекундной импульсной короны).

Достоинством последнего метода являются технологичность, возможность одновременного удаления целого ряда вредных примесей, относительно малая энергоемкость и стоимость.

Процесс конверсии газов под действием импульсного коронного разряда заключается в следующем. На стадии развития стримеров в газовой среде в резко неоднородном поле под действием сильного поля в головках стримеров (Е~150кВ/см) электроны приобретают энергию порядка 5-15 эВ, достаточную для возбуждения, диссоциации и ионизации молекул газа и образования радикалов и химически активных частиц (например, О, ОН^—,Н₂О₂ и др.). На втором этапе радикалы и активные частицы взаимодействуют с оксидами азота и серы, органическими газообразными примесями, окисляя, разлагая или преобразуя их в продукты, более просто удаляемые из газа.

Оценим энергии связей между атомами, энергии метастабильных состояний молекул и атомов, энергии ионизации наиболее часто встречающихся атомов и молекул.

Таблица 1. Энергии связи (диссоциации)

Таблица 2. Энергии диссоциации, метастабильных состояний и ионизации газов

Саму же эффективность такого плазмо-химического реактора принято выражать путем введения G-фактора — числа наработанных активных частиц, отнесенного к энерговкладу в разряд (выраженному в 100 эВ).

В импульсном разряде зависящий от времени G-фактор для сорта частиц j дается выражением:
G_j(t) = N_j(t)/∫(UI)(t')dt'
где N_j — полное число частиц сорта j (интеграл по объему разряда), наработанное к моменту времени t; U и I — зависящие от времени напряжение и ток разряда.

Радикалы (в общем виде они обозначаются буквой R) образовываются в результате следующих процессов.

1. Диссоциации возбужденных молекул:
а) через распад молекулы
(R' — R'')* > R^•' + R^•''
б) через отрыв атома водорода
(RH)* > R^• + H^•
2. Диссоциации ионов:
(R' — B'')* > R^• + B⁺
3. Нейтрализации ионов:
B⁺ + e > B^•
4. Ионно-молекулярных реакций:
RH⁺ + RH > R^•H₂⁺ + R^•
5. Прямого электронного удара:
e + (R' — R'') > e + R^•' + R^•''
Рассмотрим теперь очистку топочных газов от оксидов азота и серы. Топочный газ обычно состоит из азота N₂, кислорода O₂, углекислого газа CO₂, воды H₂O, оксидов азота NO_х и оксида серы SO₂.

Требования к плазме газового разряда:
— плазма должна быть резко неравновесной T_e>>T_i, чтобы на вещества воздействовали электроны, а газ не нагревался, то есть тепловые потери были минимальны,
— равномерное заполнение объема с обрабатываемым газом плазмой газового разряда,
— возможность регулирования энергии воздействующего разряда.

Данным требованиям удовлетворяет плазма импульсного газового разряда.
Одновременная очистка топочных газов от окислов азота и серы при применении наносекундной импульсной короны основывается на процессах окисления NO и SO₂, вызванного активными частицами (ОН, Н₂О₂, О и др.). Эти активные частицы инициируют химическую конверсию NO и SO₂ в присутствии кислорода и водяного пара в NO₂, НNO₂, НNO₃, …, и, соответственно, в SO₃, Н₂SO₃, Н₂SO₄, …

Активные частицы нарабатываются в головках стримера при столкновении электронов с молекулами газов, входящих в состав топочного:
О₂ + е > O^— + O
О₂ + е > O + O + e
О₂ + е > O + O('D) + e
О₂ + е > O⁺ + O + e + e
N₂ + е > N + N + е
H₂O + е > H + OH + e
H₂O + е > OH + H^—
H₂O + е > H₂ + O^—
CО₂ + е > CО + O + е
CО₂ + е > CО + O^—
Другим источником активных частиц являются реакции электрон-ионной рекомбинации:
е + O₂⁺ > О + O
е + N₂⁺ > N + N
е + N₂⁺ > N + О
Константы скоростей реакций являются функциями приведенной напряженности электрического поля Е/N и зависят от состава топочного газа.

Наработанные активные частицы вступают в реакцию с оксидами азота и серы:
О + NО > NO₂
О + NО + М > NO₂ + М
NО + О₃ > NO₂ + O₂
NО + N > N₂ + O
NO + OH + М > HNO₂ + М
NO₂ + OH + М > HNO₃ + М
SO₂ + O₃^— > SO₃^— + O2
SO₂ + O + М > SO₃ + М
SO₂ + OН + М > НSO₃ + М
НSO₃ + H₂O > H₂SO₄
SO₃^— + H₂O > H₂SO₄ + е

Сначала все эти реакции проходят в газовой фазе. Так как давление насыщения азотных и серных кислот низкое, то они взаимодействуют с водяным паром, образуя капельный аэрозоль. Для нейтрализации кислот добавляется аммиак. Капли аэрозоля хорошо абсорбируют и оксиды, и аммиак. Аммиак в присутствии кислорода и паров воды окисляет часть диоксида серы и взаимодействует с кислотами с образованием нитратов и сульфатов аммония в твердом состоянии.

Схематично диаграмму очистки топочного газа можно представить в следующем виде (рис. 1).

Рис. 1. Схема стадий очистки топочных газов

Сам технологический цикл очистки топочных газов от окислов азота и серы, например, на тепловой электростанции, выглядит следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Технологическая схема очистки топочных газов

Газ, при температуре 150°С, проходит через электрофильтр, где извлекаются твердые примеси, а затем охлаждается до 65°С в градирне. Испаряющаяся вода не только отбирает тепло от топочного газа, но и увеличивает его влажность, которая необходима для процессов удаления оксидов серы и азота в плазменном реакторе.

В реакторе охлажденный топочный газ подвергается воздействию импульсного коронного разряда.

Системы электродов, используемые для получения плазмы, представлены на рис. 3.:

Рис. 3. Системы электродов устройств для создания плазмы импульсного газового разряда
а) коаксиальные цилиндры; б) ряд проводов между плоскостями

Форма импульса питающего напряжения представлена на рис. 4.:

Рис. 4. Форма импульса напряжения

Импульсные источники питания

Рис. 5. а) Схема Фитча; б) кабельный трансформатор; в) схема Блюмляйна

Перед реактором к газу добавляется аммиак, чтобы нейтрализовать кислоты, получающиеся при реакциях оксидов с радикалами, образованными в разряде.
Затем поток газа проходит через коллектор продукта, где соли аммония (порошок) собираются как удобрение.

Комментарии запрещены.