常壓微波等離子體微波功率對硫化氫分解效率的影響

汪建華，徐 堯，高建保，薛垂慶

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249）

0 引 言

隨著中國工業(yè)現(xiàn)代化的不斷進(jìn)步和發(fā)展，石油的需求量也逐漸增加，而石油加工過程中所產(chǎn)生的尾氣包含大量的有毒氣體硫化氫（H2S）［1］.若直接排放則會(huì)造成大氣污染，同時(shí)也危害人的身體健康.為了達(dá)到環(huán)保要求，必須對其進(jìn)行分解處理.目前，分解硫化氫氣體的方法有很多，大多煉油廠采用傳統(tǒng)的克勞斯工藝處理含H2S的尾氣［1－2］.但該方法不能回收有利用價(jià)值的氫氣［2］.而等離子體技術(shù)作為一種新興的污染物處理技術(shù)，具有流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn)［3］.因此，其處理各類環(huán)境污染物已成為當(dāng)前國內(nèi)外的熱門研究之一.本研究利用常壓微波等離子體射流設(shè)備分解H2S，不僅可以得到單質(zhì)S，而且可以回收氫氣.該設(shè)備成本低、效果好、操作簡單，不需要昂貴的真空設(shè)備，且能長時(shí)間的持續(xù)進(jìn)行氣體處理［4－5］.所以微波等離子體法分解H2S比克勞斯法更加有優(yōu)勢、也更加經(jīng)濟(jì)［6－8］.

本文利用自制的常壓微波等離子體設(shè)備，分別在純氬（99.999%）、純二氧化碳（99.8%）及氬氣與二氧化碳混合氣體三種載氣條件下，探討了微波功率對H2S分解效率的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

實(shí)驗(yàn)采用自制的常壓微波等離子體射流（MPJ）裝置進(jìn)行氣體處理的研究.該設(shè)備在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn).其主要由微波源（磁控管）、波導(dǎo)管、環(huán)形器、水負(fù)載、諧振腔、耦合天線、短路活塞及冷卻水系統(tǒng)連接而成，外接3kW微波電源，如圖1所示.微波源工作頻率為2.45GHz.波導(dǎo)管采用BJ26型.輸出功率從0～3kW可調(diào).采用氣相色譜儀（GC9890A）檢測.圖2為實(shí)驗(yàn)流程示意圖.

圖1 常壓微波等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of atmospheric pressure microwave plasma jet apparatus

圖2 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)工作原理及方法

打開水冷系統(tǒng)，開啟MPJ設(shè)備，調(diào)節(jié)功率，打開氣源.一定流量的源氣經(jīng)過等離子體諧振腔到達(dá)噴嘴處，當(dāng)微波功率達(dá)到足夠大時(shí)，噴嘴尖端處的微波能量能夠激發(fā)該區(qū)域的氣體放電，形成等離子體射流.圖3所示為氬等離子體射流照片.氣體被處理過后得到的固體物質(zhì)單質(zhì)硫?qū)?chǔ)存于分離系統(tǒng)的產(chǎn)物瓶中.產(chǎn)生的氣體物質(zhì)通過干燥器之后，一部分通過氣相色譜儀進(jìn)行檢測，另一部分氣體和檢測后的氣體均通入到裝有三氯化鐵和二氯化銅的吸收瓶中.使未被處理的H2S與吸收瓶中的三氯化鐵和二氯化銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被吸收，避免直接排放造成環(huán)境污染.

圖3 氬等離子體射流圖Fig.3 Visual view of the plasma jet in pure argon

2 結(jié)果與討論

圖4為總流量均為1000mL／min的不同載氣等離子體射流長度隨微波功率的變化.其中曲線（1）為純Ar載氣；曲線（2）為純CO2載氣；曲線（3）為CO2與Ar的混合載氣.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著微波功率的增大，3種等離子體射流長度均不斷增大.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)微波功率較低時(shí)，噴嘴尖端電場強(qiáng)度較小，不能完全激發(fā)通過噴嘴的氣體，而且功率較低時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧放電現(xiàn)象，因此射流長度較小，如圖5所示.當(dāng)功率繼續(xù)增大時(shí)，噴嘴處的電場強(qiáng)度隨之增大，氣體電離度增加，射流長度相應(yīng)變大.當(dāng)射流長度不再變化時(shí)，說明產(chǎn)生的能量足以完全電離噴嘴處的氣體，而繼續(xù)增大微波功率，射流長度將不再發(fā)生變化.

圖4 微波功率對等離子體射流長度的影響Fig.4 The influence of microwave power on the length of plasma jet

圖5 微波功率500W時(shí)CO2等離子體射流Fig.5 CO2plasma jet with 500Wmicrowave power

圖6是在總流量均為1000mL／min的不同載氣類型條件下，微波功率對H2S轉(zhuǎn)化率的影響.其中曲線（1）為純Ar載氣的條件下，流量比Ar∶H2S為9∶1；曲線（2）以純CO2為載氣，流量比CO2∶H2S為9∶1；曲線（3）載氣流量比為CO2∶Ar∶H2S為8∶1∶1.比較圖6和圖4發(fā)現(xiàn)曲線變化趨勢相近，隨著微波功率的增加，H2S轉(zhuǎn)化率呈先上升后略下降或不變的趨勢，且當(dāng)功率一定時(shí)，載氣中加入CO2之后，H2S轉(zhuǎn)換率變大.

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是當(dāng)功率較低時(shí)，產(chǎn)生的微波能量較少，提供給激發(fā)氣體的能量不足，使得氣體電離程度較低，導(dǎo)致部分H2S氣體未被分解.而隨著微波功率的增加，提供給激發(fā)氣體的能量也逐漸增大，氣體電離程度也增加，所以H2S轉(zhuǎn)化率增大.當(dāng)功率繼續(xù)增大時(shí)，在純氬載氣的條件下，功率的繼續(xù)增加會(huì)產(chǎn)生額外的能量使得噴嘴周圍局部溫度升高，由于H2S的分解反應(yīng)是可逆反應(yīng)，在等離子體作用下，一定高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生逆反應(yīng)，于是H2S轉(zhuǎn)化率會(huì)有所下降.而對于純二氧化碳載氣，部分CO2氣體與H2S分解得到的H2發(fā)生反應(yīng)，阻礙了H2S分解反應(yīng)的逆反應(yīng)，促進(jìn)其正反應(yīng)，使得其轉(zhuǎn)化率繼續(xù)增大，最后幾乎不變或者下降趨勢不明顯.比較曲線（2）與（3）可推出，氬氣與二氧化碳的混合氣體更加有利于H2S的分解.由于氬氣的理論擊穿電場強(qiáng)度比二氧化碳要低許多，氬氣更容易被激發(fā).

數(shù)據(jù)顯示當(dāng)功率為1300W，流量比CO2∶Ar∶H2S為8∶1∶1，氣流總量為1000mL／min時(shí)，H2S分解率最高為98.64%.而同樣的載氣條件下，功率為900、1100、1500W 時(shí)，H2S分解率分別為97.89%、98.45%、98.53%.雖然功率從900W增加至1500W時(shí)H2S分解率有所提高，但提高幅度并不大.從節(jié)能上考慮，實(shí)際應(yīng)用中功率大小選擇可選900W.

圖6 微波功率對H2S分解效率的影響Fig.6 The influence of microwave power on the decomposition efficiency of H2S

本研究也存在一些不足之處.考慮到實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究中需要加入氣體循環(huán)系統(tǒng)，充分利用源料氣，使H2S分解更加充分.

3 結(jié) 語

a.常壓微波等離子體能有效處理H2S氣體.一定范圍內(nèi)增加微波功率有利于提高H2S的分解效率，當(dāng)微波功率繼續(xù)增加時(shí)，不同的載氣（純Ar、純CO2、Ar與CO2混合氣體）條件下，其分解效率變化趨勢不同.在純氬載氣條件下，微波功率繼續(xù)增加，H2S的分解效率會(huì)下降；載氣中含有CO2時(shí)，H2S的分解效率隨微波的繼續(xù)增加而不變.

b.CO2載氣有利于促進(jìn)H2S的分解，提高其分解效率.相同微波功率條件下，載氣為氬和二氧化碳混合氣體時(shí)，H2S分解效率最高.且當(dāng)微波功率為1300W，氣體流量比CO2∶Ar∶H2S為8∶1∶1，總流量為1000mL／min時(shí)，H2S轉(zhuǎn)化率最高達(dá)98.64%.而從節(jié)能方面考慮，在實(shí)際應(yīng)用過程中，微波功率選擇900W即可.

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