НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9
О РАЗРУШЕНИИ ТОЛУОЛА В СТАЦИОНАРНОМ ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ © 2013 г. А. Н. Трушкин, М. Е. Грушин, И. В. Кочетов, Н. И. Трушкин, Ю. С. Акишев
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия
е-таП^гткктШппШ.гы Поступила в редакцию 22.04.2012 г.
Окончательный вариант получен 19.07.2012 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований по разрушению толуола (C6H5CH3) в загрязненном воздушном потоке с помощью стационарного тлеющего разряда атмосферного давления при различном содержании паров воды в обрабатываемом газе. Проводится сравнение экспериментальных данных по степени удаления C6H5CH3 с результатами численного моделирования, выполненного в рамках разработанной кинетической модели плазмохимического разрушения толуола в газовой смеси N2 : O2 : H2O. Продемонстрировано существенное влияние влажности обрабатываемого газового потока на эффективность разложения толуола в тлеющем разряде атмосферного давления. Определены основные механизмы влияния влажности на процесс разрушения C6H5CH3. Установлено существование двух стадий в процессе очистки толуола, отличающихся длительностью и интенсивностью плазмохимических процессов разрушения C6H5CH3. На основе результатов численного моделирования анализируется состав продуктов плазмохимических реакций на выходе реактора в зависимости от удельного энерговклада и влажности обрабатываемого потока. Установлен каталитический цикл с участием гидроксильного радикала ОН в качестве катализатора, приводящий к значительному ускорению рекомбинации атомов кислорода и подавлению образования озона при наличии паров воды в составе плазмообразующего газа.
Б01: 10.7868/80367292113020029
1. ВВЕДЕНИЕ
Летучие органические соединения (ЛОС), к числу которых относится и толуол, С6И5СИ3, образуют обширную группу экологически опасных компонентов в отходящих газовых потоках различных производств в химической, текстильной, пищевой, деревообрабатывающей, электротехнической и других отраслях промышленности. Специфика и сложность очистки газовых выбросов от паров ЛОС заключается в том, что эффективность газоочистки существенным образом зависит от химической природы конкретного органического соединения. Острота проблемы усугубляется еще и тем, что необходимо обрабатывать большие потоки загрязненного газа при сравнительно невысоких концентрациях вредных соединений. Одним из перспективных методов решения указанных проблем является обработка загрязненных газовых потоков неравновесной низкотемпературной плазмой при атмосферном давлении. Однако для успешного внедрения в практику новых плазменных технологий газоочистки необходимо решение двух важных вопросов: снижение энергетических затрат и достижение максимально полного окисления сложных углеводородов до углекислого газа и воды. Очевидно, что для решения обоих вопросов необходимо хорошее понимание всех стадий процесса плазмохимического разрушения сложных углево-
дородов, определение параметров и стадий данного процесса, оказывающих существенное влияние на его эффективность. Экспериментальные исследования детальной кинетики плазмохими-ческого удаления сложных углеводородов при атмосферном давлении затруднены обилием промежуточных продуктов, многие из которых имеют высокую химическую активность и, соответственно, малое время жизни. В этой ситуации определяющее значение для установления кинетических закономерностей имеет подробное численное моделирование протекающих плазмо-химических процессов.
В работе [1] разработана подробная кинетическая модель плазмохимического разрушения толуола в газовой смеси азота и кислорода (N2 : 02). Численные расчеты, выполненные на основе этой модели, показали, что существенный вклад в разрушение С6И5СИ3 при наличии кислорода в плазмообразующем газе вносит гидроксильный радикал ОН, который нарабатывается в газовой среде за счет плазмохимических реакций между продуктами разложения С6И5СИ3 и атомами и молекулами кислорода. Так как реальные отходящие газовые потоки во многих случаях первоначально содержат в своем составе пары воды, то естественно предположить, что наличие влаги в загрязненном газе будет оказывать заметное влияние как на эффективность удаления толуола, так
и на состав конечных продуктов его разложения. Следует отметить, что в настоящее время среди исследователей, занимающихся развитием плаз-мохимических методов газоочистки, не существует единого мнения о характере и степени влияния паров воды на процесс удаления толуола. В литературе представлено значительное количество экспериментальных исследований по влиянию влажности на эффективность плазмохими-ческого удаления С6Н5СН3, при этом результаты этих работ часто не согласуются друг с другом. Можно выделить три точки зрения по этому вопросу [2]: 1) наличие паров воды в составе плаз-мообразующего газа повышает эффективность разрушения С6Н5СН3 [3—10], 2) влажность не влияет на процесс очистки газа от толуола [11] и 3) пары Н2О оказывают отрицательное влияние на эффективность разложения С6Н5СН3 [12, 13]. В ряде работ [6, 7, 10] обнаружено существование оптимальной концентрации паров воды, при которой удаление толуола максимально. Значение этой оптимальной концентрации варьируется в пределах [Н2О]опт = 0.2%-5% (об.).
Эксперимент показывает, что влияние паров Н2О на эффективность удаления толуола может происходить по нескольким каналам. Наличие паров воды в составе плазмообразующего газа приводит к появлению прямых механизмов наработки гидроксильного радикала ОН за счет диссоциации молекул Н2О электронным ударом (разрядная стадия) и при столкновениях молекул Н2О с электронно-возбужденными атомами и молекулами (разрядная и послеразрядная стадии).
Можно предположить, что при неизменных параметрах разряда количество наработанных радикалов ОН будет увеличиваться с ростом концентрации паров [Н2О], что должно приводить к повышению эффективности разложения С6Н5СН3. Это предположение частично подтверждается экспериментальными результатами работы [14], в которой показано, что в импульсной стримерной короне концентрация гидроксильного радикала [ОН] линейно увеличивается с ростом [Н2О] вплоть до [Н2О] ~ 1%. Однако при [Н2О] > 1% скорость роста концентрации [ОН] в разряде существенно уменьшается.
Другой канал воздействия паров воды на процесс удаления С6Н5СН3 связан с влиянием молекул Н2О на величину приведенного электрического поля Б/Ы (Е — напряженность электрического поля, N — плотность нейтральных частиц) [4], концентрацию электронов, величину ионного тока и пространственно-временные характеристики самого разряда. Так, например, в работе [15] показано, что присутствие паров воды в составе газовой смеси приводит к заметному уменьшению числа микроразрядов в диэлектрическом
барьерном разряде и, соответственно, к уменьшению объема обрабатываемого газа. Так как пары воды являются электроотрицательной добавкой, то включение дополнительного канала потерь электронов за счет их диссоциативного прилипания к молекуле Н2О приводит к понижению плотности электронов (т.е. к уменьшению полного тока разряда при заданной величине электрического поля в разряде или росту напряженности электрического поля при фиксированной величине тока) и, соответственно, к уменьшению количества нарабатываемых химически активных частиц. В реальном эксперименте оба указанных выше канала действуют одновременно, при этом результирующий эффект влияния паров воды априори не очевиден и зависит от состава обрабатываемого газа и типа используемого генератора неравновесной низкотемпературной плазмы.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований по удалению толуола из загрязненного воздушного потока с помощью стационарного тлеющего разряда атмосферного давления при различном содержании паров воды в обрабатываемом газе. Проводится сравнение экспериментальных данных по степени удаления С6Н5СН3 с результатами численного моделирования, выполненного в рамках разработанной кинетической модели плазмохимическо-го разрушения толуола в газовой смеси N : О2 : Н2О. На основе результатов численного моделирования анализируется состав продуктов плазмо-химических реакций на выходе реактора в зависимости от удельного энерговклада и влажности обрабатываемого потока.
Плазменная очистка от паров летучих органических соединений загрязненных газовых потоков, содержащих в своем составе кислородосо-держащие компоненты (О2, Н2О, СО2 и т.д.) реализуется путем последовательного окисления исходных токсичных веществ к конечным стабильным продуктам — углекислому газу СО2 и воде Н2О. Начальным шагом в этом окислительном разрушении паров ЛОС является взаимодействие органической молекулы вредного вещества с активными частицами, наработанными в плазме (атомом кислорода О, гидроксильным радикалом ОН и т.д.), в результате которого пассивная органическая молекула ЛОС превращается в активный углеводородный радикал и запускается цепь последовательных плазмохимических реакций с его участием. Для обозначения этого процесса в данной работе используются три равнозначных термина: "разрушение", "разложение" и "удаление" толуола. Первые два термина используются, в основном, при описании кинетики плазмохи-мических превращений толуола, тогда как третий ("удаление") применяется при описании конечных, интегральных результатов очистки газа —
Рис. 1. Схема экспериментальной установки : 1 — блок забора окружающего воздуха, 2 — парогенератор, 3 — барботаж-ная колонна для генерации паров толуола, 4 — нагреватель воздуха, 5 — смесительная камера, 6 — газоразрядная камера, 7 — балластные сопротивления, 8 — плазмохимический реактор, 9 — хроматограф, 10 — система прокачки газа.
ПМГПк'ПР
энергетической эффективности процесса, степени очистки и т.д.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования по удалению толуола проводились с использованием газоразрядной камеры (ГРК), конструкция которой подробно описана в [16]. Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Неравновесная низкотемпературная плазма в потоке воздуха созда
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.