常温无催化NOx深度去除：介质阻挡放电联用尿素溶液的新路径

基于东京理科大学Yusuke Kudo团队DBD-尿素溶液试验的技术解读与应用观察

关键词
NOx去除,介质阻挡放电,尿素溶液,NO/NO2比例,工业烟气治理,静电除尘器

氮氧化物（NOx）作为柴油车和燃煤锅炉烟气中的核心污染物，一直是工业烟气治理与移动源排放控制的技术焦点。传统SCR（选择性催化还原）工艺在燃煤电厂已相当成熟，但对重型柴油车、非道路移动机械、分布式锅炉等工况而言，SCR系统在高温、催化剂耐久性以及氨水/液氨的储运安全等方面仍存在不小挑战。这也是为何近几年“常温脱硝”“等离子体脱硝”等关键词在工业环保圈越来越受到关注。

本文解读的研究来自东京理科大学（Tokyo University of Science）Kudo Yusuke、Taguchi Hiroshi、Kogoshi Sumio 等学者，对“介质阻挡放电（DBD）+尿素溶液”一体化NOx去除技术进行了系统实验，重点考察了：在无催化剂、接近室温的条件下，利用DBD 等离子体激发以及尿素溶液水相反应实现NOx去除的可能性；以及NO/NO2比例对NOx去除效率与去除量的影响规律。这类研究，对未来车用后处理、低温烟气治理以及与静电除尘器（ESP）一体化的复合净化技术，都具有较高参考价值。

本研究采用模拟烟气体系：75% N2 + 25% O2，含NO约780 ppm，通过介质阻挡放电放电反应器与尿素溶液鼓泡装置组合，构建了一个小型DBD-湿式反应系统。气体先由钢瓶配比混合，经流量控制后进入放电反应器；在部分工况下，模拟烟气先通过前级DBD反应器调节NO/NO2比例，再进入带有尿素溶液鼓泡的DBD脱硝反应器。反应器为同轴圆筒结构，内电极为黄铜螺杆，外电极为包覆在玻璃管外壁上的铜片，通过工频（50 Hz）交流高压激励形成介质阻挡放电，典型电压范围7.2–10.8 kVpp（9.5–12 kVrms）。NOx浓度使用便携式NOx分析仪在线监测，计算NOx去除率和单位能耗去除效率（g/kWh），用于表征系统性能。

为模拟车用尿素溶液（AdBlue）工况，研究者选用不同质量分数的尿素溶液（9%–33%）通过鼓泡方式与放电区内的反应气体充分接触。鼓泡塔既提供水分，也提供尿素作为NH3前体，用于参与后续的NOx还原反应。与此同时，研究团队还使用FTIR红外光谱仪监测处理后尾气中的残余NH3含量，以验证在DBD-尿素体系下是否会产生如同传统SCR那样的“氨逃逸”问题。

就反应机理而言，DBD本质上是典型的非平衡等离子体过程：电子在电场中获得较高能量，而整体气体温度变化不大，适合与静电除尘器等常温净化设备耦合应用。在DBD放电区，大量高能电子与N2、O2分子碰撞，生成N、O等活性基团，进一步与NO形成NO2、N2O3等中间物种，在存在水和尿素时还会生成OH、HNO2、HNO3等含氧含氮自由基和中间酸性产物。尿素在水溶液中受能量输入会分解出NH3，再与NO、NO2反应生成N2和H2O，从而实现NOx的还原去除。从化学计量角度看，若单纯考虑均相反应，NO/NO2比例接近1:1时更利于NOx被NH3完全还原，但在实际DBD系统中，还需同时考虑氧化、副反应和传质等影响。

在NOx去除性能方面，Kudo等首先考察了不同尿素浓度下NOx去除率随DBD电压变化的趋势。结果表明，适量加入尿素溶液可以明显提升NOx去除表现：当尿素质量分数为23%时，在7.2–10.8 kVpp的电压范围内，NOx去除率在各点均优于纯水或不加液体的工况，为该实验条件下的最佳配比。与仅使用纯水鼓泡相比，23%尿素溶液可额外提升约8个百分点的NOx去除率，说明在等离子体激发下，尿素分解释放的NH3确实显著增强了NOx还原反应。值得注意的是，当只添加纯水时，随电压提升NO2生成量增加，NOx去除率在约9.6 kVpp附近出现饱和；而在添加23%尿素溶液时，系统未出现明显饱和倾向，说明生成的NO2可继续与NH3发生还原反应，被进一步消耗，整体NOx浓度持续下降。

然而，单纯追求更高去除率意味着需要更高放电功率，单位能耗去除效率（g/kWh）会随之下降。文章通过对比不同工况下的NOx去除效率发现：虽然在高电压下NOx去除率较高，但对应的能效呈下降趋势，而在相同电压与放电功率水平下，DBD+尿素溶液的能效始终优于仅加水或不加液体的工况。这对工业应用非常关键：在电除尘器或低温脱硝系统中，运行电耗是最敏感的全生命周期成本之一，如何在可接受能耗下获得较高NOx去除效率，是决定DBD类技术能否工程化落地的重要考量。从该研究结果来看，在近室温、无催化剂条件下，DBD联用23%浓度尿素溶液已展现出相比单纯放电或放电+水雾更优的“能效-效率”折中点。

针对业界普遍关注的“氨逃逸”问题，作者利用FTIR对DBD+23%尿素溶液处理后的尾气进行光谱检测，重点查看1000 cm-1附近NH3的特征吸收峰。实验结果显示，在7.2 kVpp电压条件下，尾气中未检测到明显的NH3峰值，说明在当前放电与尿素给定量下，尿素分解释放的NH3几乎全部参与了NOx还原并被消耗，残余NH3浓度低于该FTIR系统的检出限。对于有车用AdBlue、工业尿素脱硝实际运行经验的工程师而言，这一结果颇具吸引力：如果后续在真实柴油机尾气或低温锅炉烟气条件下仍能保持“高脱硝+低氨逃逸”的状态，DBD-尿素溶液技术有望在严控氨排放的工况下成为SCR或SNCR的有力补充甚至替代方案。

本研究的另一亮点是系统考察了NO/NO2摩尔比对NOx去除量的影响。为实现可控的NO/NO2比例，研究者在系统前端增加了一个DBD调节反应器，通过改变前级反应器的交流电压（9.5–12 kVrms），实现NO向NO2的可控氧化，从而将进气NO/NO2比例从约6.76逐步降低至3.84。再在后级DBD+尿素溶液反应器内进行NOx去除实验，分析不同进气NO/NO2比例对应的NOx去除量变化趋势。

结果表明，当NO/NO2比值在约5.58以下时，NOx去除量与NO/NO2比呈近似线性关系，且在NO/NO2≈5.58时达到最大值；随着NO/NO2继续增大，NOx去除量反而略有下降。通过插值分析与机理讨论，作者认为在该实验体系下NO/NO2的最优值约为6:1，而并非按简单化学计量预期的1:1。论文给出了两个合理解释：一是放电区存在明显的NO→NO2氧化过程，反应器内部实际NO/NO2比例与入口值存在差异，如果入口保持略高的NO比例，则在反应器内部能获得更接近“最佳化学计量”的NO/NO2混合状态；二是在实验尿素浓度与能量输入水平下，生成的NH3总量有限，即使入口NO/NO2为1:1，体系中可用还原剂依然不足，导致理论最优比例在工程现实中“右移”到NO富集的一侧，表现为约6:1的经验最佳值。

对于工业应用，尤其是静电除尘器后端的多污染物协同治理系统，这一规律有重要启示：未来如果在ESP出口增加DBD-尿素溶液段，可以通过前端燃烧调整或部分氧化装置，将NO/NO2维持在偏NO一侧的中等比值（如5–7:1区间），可能获得更高的综合脱硝效率与更低的能耗。同时，也提醒工程设计时不宜简单按照SCR经验（通常期望较高NO2比例提升低温活性）来设定NO/NO2目标，而应结合具体反应体系、放电参数与尿素用量做系统优化。

总体来看，Kudo等人的工作从实验室尺度验证了以下几点：其一，在无催化剂、常温条件下，介质阻挡放电联用尿素溶液可以显著提升NOx去除率和能效，相比单纯放电或放电+水雾具有明显技术优势，其中尿素最佳浓度在该实验中约为23%；其二，在合理的能量输入下，DBD-尿素系统不存在明显NH3逃逸问题，尾气中氨含量低于检测限，有利于满足严格的氨排放要求；其三，NO/NO2比例对DBD-尿素脱硝效果影响显著，实验表明约6:1的NO/NO2为当前工况下的经验最优值，而非传统机理推导的1:1，这一点对后续工程化设计具有直接参考价值。

对于国内静电除尘及工业烟气治理行业而言，DBD-尿素溶液技术一方面可作为现有ESP、袋滤器下游的低温深度脱硝模块，形成电除尘+等离子体+尿素溶液的多级协同净化路线；另一方面也为移动源后处理提供了与传统DOC+DPF+SCR不同的一条“等离子体辅助尿素还原”的新思路。当然，当前研究仍处于实验室阶段，距离工程化落地还需要解决诸如放电反应器规模放大、能耗进一步优化、真实烟气中SO2/颗粒物对放电与尿素反应的影响，以及与现有SCR/SNCR或湿法脱硫、湿式电除尘（WESP）等工艺的系统集成问题。但无论如何，这项来自东京理科大学的研究为常温无催化NOx控制提供了可信的实验依据和清晰的优化方向，值得工业环保工程师和设备厂商持续跟踪和深入评估其工程价值与改造潜力。

参考文献
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