大气压非热等离子体：从PPCP到SPCP的工业废气治理新路径

基于东京大学Oda等人在ICESP X Masuda Lecture上的非热等离子体分解气态污染物研究解读

关键词
Non-thermal plasma, PPCP, SPCP, VOCs, Diesel exhaust, ESP改造, 超低排放

在燃煤电厂、电除尘器（ESP）以及各类焚烧和工业窑炉的烟气治理领域，“非热等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP）”在近十多年里反复被提及，却始终处于“技术很前沿、工程不落地”的微妙位置。东京大学电气工程系Oda Tetsuji在ICESP X（2006, 澳大利亚）的Masuda Lecture，对大气压非热等离子体分解气态污染物的研究做了系统回顾与展望，为我们重新审视这一技术在DeNOx、VOC及恶臭治理等方向上的工程潜力提供了一个完整的框架。

Oda沿用已故Masuda教授提出的两个核心概念：脉冲电晕诱导等离子体化学过程（Pulse Corona induced Plasma Chemical Process, PPCP）和表面放电诱导等离子体化学过程（Surface-discharge induced Plasma Chemical Process, SPCP）[1,2]。前者更适合大流量、高浓度烟气（如燃煤锅炉、垃圾焚烧炉）治理，后者则在VOCs、臭气和氯氟烃（CFC）低浓度废气处理中表现出工程友好性。这两类技术的共同点，是在1个大气压条件下，通过瞬时高场产生“冷电子+低气温”的非热等离子体，触发一系列强氧化、还原和断键反应，从而实现污染物分解，而不依赖高温焚烧。

在非热等离子体的产生方式上，Oda对脉冲放电与介质阻挡/表面放电进行了较为细致的技术梳理。PPCP典型脉冲宽度在亚微秒级，为避免发展成弧光放电，必须使用极快的开关元件。早期Masuda采用旋转火花隙作为高压开关，配合磁脉冲压缩电路，实现几十至上百千伏量级的尖锐脉冲[4,5]。磁脉冲压缩、电缆Blumlein线和同轴Marx发生器是当时常见的几种方案，其中同轴Marx通过多级SF6火花隙同步触发，能在匹配负载下输出约500 kV、上升沿约10 ns、脉宽约60 ns的脉冲，适合进行等离子体化学机理研究。相比之下，SPCP和介质阻挡放电（DBD）则依托介质层限制电流，利用50–60 Hz甚至kHz级交流高压在陶瓷或石英表面产生分布均匀的微放电，是目前臭氧发生器及小型VOCs等离子体反应器的主流形式[2,7]。Oda给出的典型反应器包括线圈式表面放电、螺栓式DBD以及板式反应器，它们在工业集成时可按需要布置在ESP前后或旁路管线上[6–8]。

在应用层面，Oda首先回顾了非热等离子体在燃烧烟气治理上的起伏。以日本西名古屋220 MW燃油机组的电子束烟气处理装置为例，系统采用6台800 kV、500 mA的电子加速器，对620,000 Nm³/h烟气进行辐照，目标实现约92%脱硫和60%脱硝，副产物硫酸铵和硝酸铵通过ESP收集作为肥料[3]。尽管系统化学效率和副产物价值可观，但装置投资与运行复杂度远超常规SCR/FGD，在日本燃煤机组新建趋缓、天然气联合循环兴起的背景下，未能形成持续应用。这一案例对今天的ESP与等离子体组合工艺仍有启示：在煤电存量治理减弱，而危废焚烧、工业窑炉与分布式源治理需求上升的格局下，大规模电子束PPCP的工程窗口正在收窄，但中小规模、针对特定污染物（如二噁英、VOCs、恶臭）的SPCP/DBD仍然具有明确的市场空间。

针对柴油机排放，Oda梳理了日本及欧美多家团队利用非热等离子体削减NOx与颗粒物（PM）的研究进展[9–15]。柴油机高含氧、变工况工况使三元催化几乎无法工作，而非热等离子体可以在高氧背景下生成·O、·OH、O₃等活性物种，将NO氧化为NO₂或进一步转化为硝酸盐/硝酸铵，并与后置催化或湿洗涤联用提高总转化率。例如，日本某研究使用螺栓式等离子体反应器，在2 L柴油机实车工况下，单一最佳工况下NOx去除可达70%，但在标准15工况试验中综合效率仅约30%[9]，暴露出能耗偏高与工况敏感的问题。通过加入水、乙烯或其他烃类作为还原剂，并联合V₂O₅-WO₃/TiO₂等传统脱硝催化剂，可显著提高单位能耗利用率[10,11]。从工程角度看，非热等离子体更适合作为柴油排放“阶段性或工况补偿”技术，例如冷起动与低温阶段替代传统催化器失活区，配合颗粒过滤器实现协同除尘与脱硝[15]。

在垃圾焚烧和城市固废处理领域，Oda重点分析了PPCP/DBD在二噁英控制与恶臭治理上的实践案例。日本Masuda研究所与Oriental Kiden公司合作的PPCP试验表明，在35%水分含量烟气中，通过高压脉冲放电可实现约73%的二噁英去除率，若进一步加入丙烷等可燃组分，分解效果还能提升[5]。日本绝缘体公司利用固态晶体管脉冲源的中试装置，在小型燃烧室实验中曾达到约97%的二噁英去除率[16]。不过由于日本在1999年起对焚烧设施实施极为严格的源头控制与高温焚烧+急冷技术路线，这类非热等离子体示范项目最终未能进入长期运行阶段。这一段历史对于当前中国危废焚烧、小型生活垃圾处理和医废焚烧中的二噁英控制具有重要借鉴：在排放标准日趋严格、存量设备升级空间受限的场景下，利用PPCP或SPCP+ESP的组合工艺进行末端精细治理，具备潜在工程价值，特别是在增量空间有限但对改造灵活性要求高的场合。

恶臭气体治理是非热等离子体目前较为成熟的应用方向之一。Oda给出的典型案例是某固废处理厂，处理风量约72,000 m³/h，工艺流程为：预过滤→脉冲等离子体反应器→活性炭蜂窝床[16]。与传统“纯活性炭吸附”方案相比，引入PPCP/DBD后，不仅使所需活性炭体积约降至原来的1/20，使用寿命也明显延长。这与等离子体生成的臭氧与活性氧在炭床表面进行“原位再生”作用有关。类似系统现已广泛应用于食品加工、污泥脱水车间、污水厂加盖恶臭治理等低浓度恶臭气体处理场景，对现有布袋+活性炭系统改造具有较强可行性和经济性[16]。

在VOCs与特种气体治理方面，Oda团队对CFC-113、TCE等典型污染物开展了系统研究[2,18–22]。在表面放电SPCP陶瓷反应器中，对100–10,000 ppm的CFC-113进行连续流处理，当放电功率足够时，其分解率可超过99%[18]，但伴随生成大量中间有机氯产物和含氟副产物，说明电子轰击和活性氧引发了一系列逐步脱氯、断键与氧化反应[19]。完全氧化需要极高能耗，因此对高浓度CFC/PFC，目前高温催化燃烧仍更具经济性，非热等离子体更适用于低浓度、间歇性或难以高温处理的尾气。

对室内环境与“病态建筑综合征”相关的VOCs，如甲醛、三氯乙烯（TCE）、四氯化碳、丙酮、异丙醇、苯、甲苯等，Oda使用DBD/SPCP反应器，在间接等离子体（先处理洁净空气，再与污染空气混合）和直接等离子体两种模式下进行了实验[20,22]。结果显示，这类卤代烃和芳香烃能被有效分解，主要终产物为COx与水，以及卤素分子；而在能效方面，单纯等离子体的“每去除一个分子所需能量”偏高。通过将催化剂（如WO₃、V₂O₅、TiO₂）填装在DBD反应区或其下游，可利用催化氧化/还原过程“接力”等离子体生成的短寿命中间体，提高总能效[21]。但需要注意的是，催化剂具有很强吸附作用，短期浓度降低未必全是分解贡献，这对工程调试和监测提出了更高要求。

值得一提的是，等离子体尾气中富含臭氧本身也是一个二次污染风险。Oda团队利用二氧化锰（MnO₂）在反应器下游催化分解臭氧，既将O₃转化为活性氧基团，进一步强化对TCE等VOCs的分解，又能显著提升单位能量去除效率[21,22]。实验表明，在250 ppm TCE、1–2 L/min工况下，配置MnO₂后，TCE去除率–比能量曲线明显上移，在同样kJ/Nm³消耗下可获得更高分解率。这一“等离子体+臭氧催化分解”耦合思路，对当前常见的“臭氧氧化+活性炭/催化氧化”尾端治理工艺具有直接参考意义。

除了气态污染物，Oda在报告中也点出了非热等离子体在水处理、表面改性和杀菌等新兴方向[23–25]。在水处理中，放电可在气液界面产生·OH、·O和O₃，实现难降解有机物、细菌和毒性颗粒的快速破坏，适用于高附加值/高危废水的预处理或抛光处理。在材料领域，大气压等离子体可对聚合物表面进行短时改性，将疏水表面转变为亲水表面，用于改善涂层附着力、印刷性或者制作一次性医疗取样装置[24]。虽然这些应用与传统ESP和烟气治理距离稍远，但从“低温、可在线、可局部处理”的工艺特征来看，与电除尘器升级改造、在线灭菌和输灰系统防静电处理等场景存在潜在结合点。

从诊断手段上看，Oda强调了光学诊断对理解等离子体化学机理的重要性[26–30]。通过高速摄像和条纹相机可捕捉纳秒级流光/流注发展过程，而更关键的是以激光诱导荧光（LIF）和双光子激发LIF（TALIF）为代表的光谱技术，可定量测量·OH、NO、NO₂*、O₂*以及原子氧O等关键中间体的空间分布与时间演化[26–28]。结合激光吸收实现臭氧浓度场测量[29]，可以构建出“放电微结构—活性物种—污染物去除”之间的定量关联，这是未来优化反应器结构与脉冲波形、提高能效、减少副产物的基础[30]。对于考虑在ESP前后布置等离子体反应器的工程设计者而言，理解这些微观机理有助于合理选择电极形状、气速、比能量和与催化/吸附单元的耦合方式。

总体来看，Oda在Masuda Lecture中的总结具有鲜明的时代特征：臭氧发生和低温等离子体技术已产业化，而面向燃烧烟气深度净化、柴油尾气、二噁英和VOCs的非热等离子体工艺仍处于“工程验证+能效优化”阶段。对于当下的环保行业和ESP相关工程公司而言，非热等离子体并非要全面替代现有SCR、SNCR、活性炭吸附或焚烧技术，而更应被视为一种“补位和耦合”的手段——在现有工艺的盲区（低温、瞬态、高毒性低浓度、恶臭）与新兴应用（室内空气、医废、危废、分布式柴油机和燃气机组）中，与ESP、布袋、湿法洗涤和催化单元形成多元组合。随着功率电子器件、固态脉冲电源和数值模拟技术的进步，PPCP/SPCP这类非热等离子体技术有望在能效和可靠性上迈过关键门槛，成为工业废气治理与超低排放改造中的一支“特种部队”。

参考文献
[1] Masuda S. Pulse corona induced plasma chemical process: a horizon of new plasma chemical technologies. Pure Appl Chem. 1988;60:727–731.
[2] Oda T, Takahashi T, Nakano H, Masuda S. Decomposition of fluorocarbon gaseous contaminants by surface discharge-induced plasma chemical process. IEEE Trans Ind Appl. 1993;29:787–792.
[3] Dinelli G, Civitano L, Rea M. Industrial experiments on pulse corona simultaneous removal of NOx and SO2 from flue gas. IEEE Trans Ind Appl. 1990;26:535–541.
[4] Masuda S, Nakao H. Control of NOx by positive and negative pulse corona discharge. IEEE Trans Ind Appl. 1990;26(2):374–383.
[5] Hosokawa S, Sonoyama K, Yamamoto T. PPCP pilot plant experiments for decomposition of dioxins. In: Proc 3rd ISNPT; 2001. p.153–158.
[6] Kutzner R, Salge JGH. Pulse non-thermal gas discharges at atmospheric pressure for plasma technological applications. In: Proc NEDO Symp NTDPT for Air Contamination Control; 1996. p.53–67.
[7] Yoshioka Y, Tetzuka T. A solution to the problem of large energy consumption of the De-NOx process by non-thermal plasma. J Adv Oxid Technol. 2005;8(2):234–240.
[8] Shimizu K, Oda T. Nitrogen oxides removal by using plate type reactor combined with catalysts. J Adv Oxid Technol. 2002;5(2):217–222.
[9] Oda T, Kato T, Takahashi T, Shimizu K. Nitric oxide decomposition by using non-thermal plasma processing – with additives and catalyst. J Electrostat. 1997;41:151–157.
[10] Kim H, Katsura S, Mizuno A. NOx control using combination process of photocatalyst and discharge plasma. In: Proc 2nd NTDPT; 1997. p.78–83.
[11] Mizuno A, Kim H, Tsunoda K, Shimizu K, Tanaka S, Yamamoto T. Experimental approach to enhance efficiency of non-thermal plasma process in flue gas cleaning. In: Proc NEDO Symp Non-Thermal Discharge Plasma Technol; 1997. p.1–10.
[16] Oriental Kiden Co. Technical data on PPCP odor removal systems and dioxin decomposition pilot tests; cited by Oda T. 2006.
[18] Oda T, Takahashi T, Nakano H, Masuda S. Decomposition of fluorocarbon gaseous contaminants by surface discharge-induced plasma chemical processing. IEEE Trans Ind Appl. 1993;29:787–792.
[19] Oda T, Yamashita R, Tanaka K, Takahashi T, Masuda S. Analysis of low temperature surface discharge plasma products from gaseous organic compounds. IEEE Trans Ind Appl. 1996;32:1044–1050.
[20] Oda T, Yamaji K, Takahashi T. Decomposition of dilute trichloroethylene by nonthermal plasma processing—gas flow rate, catalyst, and ozone effect. IEEE Trans Ind Appl. 2004;40:430–436.
[21] Einaga H, Ibusuki T, Futamura S. Performance evaluation of hybrid systems comprising silent discharge plasma and catalysts for VOC control. IEEE Trans Ind Appl. 2000;37:1476–1482.
[22] Han SB, Oda T, Ono R. Improvement of the energy efficiency in the decomposition of dilute trichloroethylene by the barrier discharge plasma process. IEEE Trans Ind Appl. 2005;41(5):1343–1349.
[26] Ono R, Oda T. OH radical measurement in a pulsed arc discharge plasma observed by a LIF method. IEEE Trans Ind Appl. 2001;37:709–714.
[27] Ono R, Oda T. Dynamics and density estimation of hydroxyl radicals in a pulsed corona discharge. J Phys D Appl Phys. 2002;35:2133–2138.
[28] Ono R, Yamashita Y, Takezawa K, Oda T. Behaviour of atomic oxygen in a pulsed dielectric barrier discharge measured by laser-induced fluorescence. J Phys D Appl Phys. 2005;38:2812–2816.
[29] Ono R, Oda T. Dynamics of ozone and OH radicals generated by pulsed corona discharge in humid-air flow reactor measured by laser spectroscopy. J Appl Phys. 2003;93(10):5876–5882.
[30] Ono R, Oda T. Nitrogen oxide γ-band emission from primary and secondary streamers in pulsed positive corona discharge. J Appl Phys. 2005;97:013302.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/