以低溫電漿技術處理空氣污染物現況評析

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2 Introduction of Plasmas 2

3 600~ ~400 (< () ) ~ ~ ~ ~ ~ ~~~

4 ( ) >> ( ) 4

5 v.s. 100 % 10-4 ~ 10-1 % ~ 10-2 torr * (Tg) > 10,000 K ~300 K ( ) (Te) Te = Tg Te/Tg = 10~100 *: 1 5

6 1. (NO x, SO 2 ) 2. (VOCs) 3. (NH 3 ) 4. (PFCs) 5. (Odor) 6. (NOx, PAHs) 7. (CO 2, CH 4 ) 8. (Dioxin) 9. (O 3 ) 6

7 7

8 8

9 e + pollutant products e + O 2 O( 1 D) + O + e e + H 2 O OH + H + e e + M M + + 2e O, O( 1 D), OH, M + + pollutant products O( 1 D) + H 2 O OH + OH O + O 2 + M O 3 + M O 3 + pollutant products 9

10 The gas stream contains 7% CO 2, 8% O 2, 6% H 2 O, 400 ppm CO, 260 ppm NO, 133 ppm H 2, ppm C 3 H 6 and N 2 as balanced gas. 10

11 Major Chemical Reactions (Elastic Collision) (Excitation) (Ionization) (Relaxation) (Dissociation) (Recombination) 11

12 (Elastic Collision) e + A e + A (Ionization) 1) e + A 2e + A + 2) h+ A e + A + 12

13 (Excitation) e + A e + A* (*: ) (Relaxation) A* A + h() 13

14 (Recombination) e + O 2+ 2 O ( ) F - + CF 4+ CF 4 + F ( ) e + A + A + h( ) e + A + + M A + M ( ) 14

15 Plasma Reactors 15

16 1. (electron beam, E-beam) E (corona discharge) (dielectric barrier discharge, DBD) (radio-frequency plasma, rf plasma) (microwave discharge) (Inductively Coupled Plasma, ICP)

17 vs. 17

18 (Pressure) (V/cm) (Electric Field) * (Td) (Reduced Field) (Cold Plasmas) <10 mbar 1 bar < 100 torr 1 bar ~2 (ev) (5,000~20,000 (Electron Energy) K) (cm -3 ) (Electron Density) 0.5~50,000 (variable) 2~2,000 (variable) 5 (variable) 10 8 ~ (variable) Small 10-6 ~10-5 (Degree of Ionization) (variable) - 0.1~100,000-1~500 ~1 ev 1~ ~

19 19

20 SO /NO 2 x 20

21 21

22 RF 22

23 DBD

24 DBD (a) pulsed corona (b) DBD (c) packed-bed plasma

25 (a) pulsed corona (a) (b) DBD (b) (c) multipoint-to-plane (c) 25

26 26

27 NOx 27

28 % 24.4% 14.0% 9.0% 47% 53% 52.6% 24.4% 14.0% 9.0% 47% 53% NOx 70~80

29

30 (Pre-Combustion Treatment) fuel NO x (Combustion Modification) thermal NO x (Post-Combustion Treatment) 1. SCR SNCR 2. 30

31 31

32 ( 1998) 32

33 ( 1998) 33

34 ( 1999) De-SOx > 90% (Mok et al., 1999) 34

35 (CPC) Combined Plasma Catalysis 35

36 36

37 de-nox Test Conditions Summary ( ) Item Value Unit Configuration Conversion (%) NO 260 ppm Plasma 26 CO 400 ppm Plasma+Cu-ZSM 5 H ppm Plasma+"A" 50 Ar 1 % Plasma+"A"+Cu-ZSM 46 O 2 8 % CO 2 7 % C 3 H ppm C 3 H ppm H 2 O 7 % N 2 Balance Temperature 180 Flow Rate 2 slpm Energy Deposition 30 J/L DBD test device of Ford Motor Co. The device consists of a pair of alumina plates, 18 mm wide by 90 mm long. Gap = 1.3 mm. Catalyst materials have been coated on cordierite monoliths placed downstream of the plasma device. Two proprietary catalysts are used: Cu-ZSM is a copper zeolite formulation provided by a catalyst supplier. Test piece is 25 mm long by 25 mm diameter. A is a proprietary catalyst formulation developed by the CRADA partners. Two pieces used are 25 mm long by 25 mm diameter. 37

38 (HC/NOx) Chemical kinetics modeling of the plasma oxidation of NO to NO 2 in a gas mixture simulating diesel engine exhausts, using propene additive. Initial NO = 600/100 ppm, in 10% O 2, 10% CO 2, 5% H 2 O, balance N 2. 38

39 ev/molecule 39

40 NOx (US$/kW) Scale*(kW) Frank estimate Synergetic Tech. Inc Synergetic Tech. Inc Thermal Energy Inc. 40

41 MW 41

42 NOx/SOx 500 MW NO ppm NO x % SO x ppm SO x % ** g-no/kwh Nm 3 /h , x10 6 * Data obtained from 1. (Dinelli et al, 1990), 2. (Chang et al., 1998), 3.(Ebara Co., 1998), 4. (EPRI, 1983; JMIA-EEI,1991). ** Note: All electric power is assumed to contribute to the removal of NO x. 42

43 VOC 43

44 44

45 VOCs ( ITIS / )

46 VOCs 70~ 90% NO x / ~70% NO x / VOC UV UV 46

47 Wire-Tube DBD VOCs Type of Reactor (ref) Treatment Gas (ppm) Added Gas (%) Destruction Efficiency (%) Coaxial Silent Discharge CFC-113 Air 99 (54) Silent Discharge (12) (14) C 2 HCl CH 2 O Ar, O 2 and H 2 O Pulsed DB wire-tube Methanol (400) dry air up to 100 (20) TCE (160) ac DB wire-tube (10) C 7 H 8 (200) C 4 H 8 O (124) C 7 H 8 and C 4 H 8 O (126/135) 80 >80 75/45 ac DB wire-tube (11) HCHO (1000) dry and humid 97 air Wire Tube (with catalyst) (Yang, 1997) DBD (Chang, 1997) Toluene, Ethyl acetate, 2-butanoue Toluene MEK up to 100 >80 DBD (Lee, 1998a, b) p-xylene dry and humid > 99 N 2 /O 2 DBD, (, 1998) p-xylene CH 3 CHO dry and humid > 99 N 2 /O 2 47

48 Packed Bed Plasmas VOCs Type of Reactor (ref) Corona-Packed Bed (32) Packed Bed (60) AC Packed Bed (58) Packed-bed BaTiO 3 coaxial type (16) Treatment Gas (ppm) HCl, HF SOx, Cl 2 O-xylene (200) Trichloroethylene (200) Mixed-xylene/TCE (200) CFC-113 (1000) Toluene (57-234) Methylene Chloride (500) TCE ( ) Methyl acetate (1000) ethyl acetate (1000) butyl acetate 1000 Packed bed, (65) CCl 4 ( ) Packed bed Soda lime glass coaxial type (18) Packed Bed (with catalyst) (Yang, 1997) Packed Bed (99 %, r-al 2 O 3 ) (, 1998) TCE (130) PCE (720) Toluene, Ethyl acetate, 2-butanoue Added Gas (%) Efficiency (%) Packed Bed (99 %, r-al 2 O 3 ) p-xylene > 99 (, 1998) CH 3 CHO 48 Air Air and H 2 O Air dry and humid air pure N 2 dry and humid air dry and humid air up to 100 up to 100 >80 >65 up to Toluene 98.4 up to 100

49 VOCs

50 VOCs ( ) VOCs Ref: Kim and Chang,

51 PFC Gases GWP 100 CO CH N 2 O CF 4 6,500 50,000 C 2 F 6 9, ,000 Life Time C 3 F 8 7,000 2,600-7,000 C 4 F 8 8,700 3,200 CHF 3 11, SF 6 23,900 3,200 NF 3 8, GWG Global Warming Gases 51

52 CO 2 (%) Conversion of CO2 (%) Applied Voltage (kv) (kv) (%) Selectivity (%) With 4.8% O 2 CO C 2H 2 H 2 (%) Selectivity (%) Applied Voltage (kv) (kv) Applied Voltage (kv) Without O 2 CO H 2 C 2H 2 CO2 Conversion (%) CO 2 (%) (kv) 18 Applied Voltage (kv) % 0.0 % 1.0 % O 2 Content 52

53 % Corona CH ~500 O 2 Liu Corona CH O 2 Okumoto Corona O 2 /He/Ar Okumoto DBD CH O 2 Zhou DBD CH 4 20 O 2 / CO 2 /CO Larkin DBD CH 4 30 O 2 /N 2 /air Ogata MW CH O 2 Huang RF CH ~870 O 2 Zhang DBD CH 4 50 CO 2 Gesser DBD CH 4 64 CO ~1000 CO 2 Zhou DBD CH CO 2 Chang RF CO CO 2 /Ar Hsieh 53

54 PFCs 100 C 2 F 6 (%) Removal (%) NF 3 SF 6 CF (Hz) Frequency (Hz) CPC PFC/O 2 /Ar/N 2 =300ppm/20%/40%/39.97% Q CF4 =Q C2F6 =0.6 slpm, Q SF6 =Q NF3 =1.0 slpm, V=15kV 54

55 Conclusions 55

56 56

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