CN105050304B - 一种u型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统，包括芯电极、U型板电极罩壳、绝缘介质以及驱动电源，其中，所述芯电极安装在U型板电极罩壳的内部，U型板电极罩壳的圆弧处设置平行于芯电极的气体出口通道，绝缘介质安装在芯电极与U型板电极罩壳之间，驱动电源分别与所述芯电极和U型板电极罩壳连接，气体从U型板电极罩壳的U型开口处进入反应器，处理好的气体通过所述气体出口通道离开反应器。本装置能够处理大流量气体；能够增强气体扰动，强化等离子体催化；并且能够提高多种气体混合均匀程度；DBD击穿电压和放电功率均较低，可降低处理废气成本；可单独工作也可矩阵布置工作的介质阻挡放电低温等离子催化反应器。

Description

一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统

技术领域

本发明属于工业废气低温等离子催化处理领域，具体涉及一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统。

背景技术

等离子体技术是高新技术研究的前沿之一，等离子体是由电荷数目相近的正粒子、负粒子(其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等)组成的集合体，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统，是固体、液体和气体三态以外的新的聚集态，又称物质的第四态。气体本身是电的绝缘体，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体低温等离子体。放电过程中虽然电子温度很高，但是重粒子温度很低，整个体系呈低温状态，所以称为低温等离子体。它们在宏观上呈电中性，其粒子的平均能量为：l<W<2x1069V。现在利用等离子体的高能量可以进行常规条件下难于进行的化学反应或材料的加工制备等。

等离子技术已广泛地应用于化学合成、环境科学、材料科学、表面科学、生物及生命科学等领域。应用于环保化学化工上的等离子体是含有各种激发态的电子、原子、自由基和离子等活性基团的离子化气体。这种低温等离子体用于降解污染物，其利用的是这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应，以达到降解污染物的目的。

典型的常温常压条件下用于产生低温等离子体的方法主要有电晕放电(coronadischarge)、辉光放电(glow discharge)和介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge，DBD)等。

辉光放电通常通过在放置板状电极的玻璃管内充入低压气体，并在两极间施加较高电压来获得，其功率密度适中而且放电均匀，可以用来产生具有较高电子能量的非平衡态低温等离子体。辉光放电非常适合应用于材料表面改性及薄膜沉积等领域，但其产生需要昂贵的真空设备，在应用时不能连续运行，需采用分批处理的方式，故难以满足大规模工业应用的要求。

电晕放电一般通过不对称电极来获得，可以产生稳定的非平衡态低温等离子体。目前，这种形式的放电已被广泛应用于工业污染治理。但电晕通常发生在极不均匀电场中的强场强区域的小范围空间内，不适于工业上的大规模表面处理。且这种放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低，大大限制了其应用前景。

介质阻挡放电的机理和过程是给电极施加一定频率和电压的交流电，并在放电间隙插入 阻挡介质，当达到气体的击穿场强时，工作气体会放电。通过放电间隙的电流是由大量叫做微放电的纳秒级快脉冲电流细丝组成，这些微放电在时间和空间上无规则地分布在整个放电空间，在微放电中平均电子能量较高(1—10eV)，而离子能量不高，即非平衡态的低温等离子体。介质可以覆盖在电极上也可以悬挂在放电空间里。其运行气压范围较宽，能够在接近常温和大气压下产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体，且其产生无需真空设备。在这样的等离子体氛围下，再配加其他一些工艺条件，如选择合适的工作气体、气压以及电气参数等，即可达到化学合成、分解等不同的工作目的。反应器放电功率的大小，对于工作状态、运行效果有着重要影响。介质阻挡放电是更适合大规模连续化工业应用的一种气体放电形式，被广泛地应用于许多生产和研究领域。利用气体放电产生的低温等离子体处理工业废气等污染物，具有处理流程简便、净化效率高、能耗低、无二次污染以及能够同时处理微粒等优点，应用前景广阔。

目前介质阻挡放电反应器主要有平面电极结构和同轴圆柱结构(轴向进气)两种，均存在反应器单元结构的气体通流截面积增大困难的问题。

平板电极结构存在的主要问题是：(1)催化气体垂直于两平板电极流入DBD区域，在DBD矩形区域内，气体以层流形式流过平板电极，在靠近平板电极附近，电场强度较高，被激发为等离子态的高能粒子较多，而在远离两平板电极处，即矩形区域中间位置，电场强度较弱，被激发的高能粒子较少，低能态粒子较多。气体层流流动不利于强、弱电场间高能态粒子与低能态粒子间的能量交换(主要以粒子碰撞方式进行)。因此，该种反应器对于DBD没有强化效果。(2)平板电极DBD区域气体的通流截面积为垂直于气流进入方向的放电气隙高度与平板长度的乘积。在处理大流量催化气体时，需要增大气体通流截面积，主要采取的方式是增加放电气隙高度或增加平板长度。平板反应器的击穿放电电压与放电气隙高度成正比，增加气隙高度将导致装置工作电压的线性增加，使电源设计制造及系统绝缘困难，影响反应器DBD的安全性。此外，受限于生产工艺，较长面积且壁厚较小的平板阻挡介质(陶瓷、石英等)加工制造和运输都非常困难，且成本高、强度低、易损坏。

轴向进气的同轴圆柱结构存在的主要问题是：(1)放电区域气体通流截面积仅取决于芯电极与管电极间的环形面积，与电极轴向长度无关。受气体通流截面积的限制，单个反应器单元处理的催化气体流量有限。(2)圆柱结构反应器要想增大气体通流截面积，只能通过增加芯电极与管电极间的气隙间距，但增加气隙高度将导致装置工作电压的增加，使电源设计制造及系统绝缘困难。(3)催化气体沿反应器轴线进入DBD区域，均存在气体层流流动，缺乏扰动，低功耗下DBD催化效果有限，难以处理大流量催化气体的问题。在DBD环形区域内，气体以层流形式流过柱筒电极，在靠近芯电极附近，电场强度较高，被激发 为等离子态的高能粒子较多，而在远离芯电极处，电场强度较弱，被激发的高能粒子较少，低能态粒子较多。气体层流流动不利于强、弱电场间高能态粒子与低能态粒子间的能量交换(主要以粒子碰撞方式进行)。该种反应器对于DBD没有强化效果。综上可知，轴向进气的同轴圆柱结构在催化处理大流量气体和强化DBD效果方面存在技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上技术问题，提供一种介质阻挡放电低温等离子催化反应器及反应系统，本装置能够多维度调节DBD放电区域通流截面积；能够处理大流量气体；能够增强气体扰动，强化等离子体催化；并且能够提高多种气体混合均匀程度；DBD击穿电压和放电功率均较低，可降低处理废气成本；可单独工作也可矩阵布置工作的介质阻挡放电低温等离子催化反应器。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器，包括芯电极、U型板电极罩壳、绝缘介质以及驱动电源，其中，所述芯电极安装在U型板电极罩壳的内部，U型板电极罩壳的圆弧处设置平行于芯电极的气体出口通道，绝缘介质安装在芯电极与U型板电极罩壳之间，驱动电源分别与所述芯电极和U型板电极罩壳连接，气体从U型板电极罩壳的U型开口处进入反应器，处理好的气体通过所述气体出口通道离开反应器。

由于芯电极、U型板电极罩壳以及绝缘介质可以设定不同的长度，可以实现反应器的气体流通面积的轴向调节，改变气体通流截面积的大小，进而调节气体的流量。

优选的，所述芯电极安装在U型板电极罩壳的两个平板之间，且与U型板电极罩壳的两个平板的距离相等。

优选的，所述芯电极为芯电极棒。反应器内部电场强度不均匀，当采用小曲率半径的内电极时，相对较低的输入电压在内电极表面处即可获得较大的电场强度，从而有利于气体的击穿和低温等离子体的产生。

优选的，所述U型板电极罩壳为一个整体。

优选的，所述U型板电极罩壳包括对称设置的两部分，这两部分配合，构成气体通道；U型板电极罩壳与所述芯电极棒之间的距离能够调节。通过调节电极罩壳与芯电极棒之间的距离，实现气体流通面积的径向调节，改变气体通流截面积的大小，进而调节气体的流量。

优选的，所述绝缘介质的形状为中空圆柱体。绝缘介质采用管式结构(石英管、陶瓷管)，与平面结构相比，该结构的阻挡介质，具有制造加工工艺简便、成本低、强度相对较高的优点，并且能够通过增加介质管轴向及径向尺寸来获得较大的DBD区域容积。

进一步优选的，所述绝缘介质紧密套合在芯电极棒上。

进一步优选的，所述绝缘介质套合在芯电极棒上，且与芯电极棒之间留有间隙。

优选的，所述U型板电极罩壳的两端均设置有用于防止气体流出的端盖。

一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应系统，所述反应系统由若干个所述的反应器并联和/或串联而成。并联的反应器可以同时处理大量的气体，提高气体的净化效率，串联的反应器通过延长气体的催化时间进而可以提高气体的催化净化效果，串联加并联的反应系统，不光可以提高气体的催化效率，还能提高气体的催化净化效果，增强反应器对气体流量与流速的适应性。

一种介质阻挡放电低温等离子催化反应系统，所述反应系统由若干个所述的反应器轴向叠加而成，所述反应系统的气体入口端设置导流装置。轴向叠加可以是通过改变反应器轴向长度，即可以增加气体通道的长度。在阻挡介质不变的情况下，反应器DBD电压主要取决于两电极间放电间隙的距离。因此，轴向调节增大气缝长度(L)，只增加气体通流截面积S，而不会引起DBD电压的增大。

本发明的有益效果为：

1、本发明反应器结构单元可以同时采用径向调节和轴向调节的方式改变气体通流截面积大小，进而增大处理气体的流量。径向调节是通过改变固体绝缘介质套筒与金属电极罩壳单位轴向长度的半径差值实现的，即调节气缝高度。轴向调节是通过改变反应器轴向长度实现的，即气缝长度。本发明的反应器结构可是实现DBD区域径向与轴向的双维度变化，可在不增大驱动电源工作电压的情况下增加气体通流截面积(轴向调节)，也可在驱动电源工作电压略有增加的情况下增加气体通流截面积(径向调节)。因此，本发明有效解决了线板式反应器和轴向进气线管式反应器单元结构的气体通流截面积难以增大的缺陷。

2、本发明采用圆柱形芯电极棒，布置芯电极棒于U型板式电极开口中心位置，处于气体迎流方向最前端，气体进入反应器DBD区域时，先流经圆柱形芯电极棒，气体冲击圆柱形芯电极棒，将进入芯电极附近电场强度较高区域，更容易被激发成为高能等离子体状态。

3、本发明反应器带有圆柱形扰流棒，多种气体进入反应器时流经圆柱形芯电极棒，由于圆柱形芯电极棒具有最大的横向尺寸和最小的流向尺寸，导致其表面法线方向上的速度梯度最大，逆压力梯度也最大，圆柱形芯电极棒尾迹中的尾涡结构非常明显，在芯电极棒后形成2个尺度较大且基本对称的旋涡，促进高强度电场与低强度电场中气体粒子的混合，提高了多种气体混合均匀程度，并且能提高高能粒子与低能粒子间的碰撞几率，将极大地促进催化气体中高能态粒子与低能态粒子的能量交换。

4、本发明反应器中存在两种不同的放电形式，介质阻挡电晕放电与介质阻挡丝状放电， 其放电形貌显著不同，通过对反应器工作电压、介质等效电容等参量的调整，可以改变电场强度及放电形式，从而可以根据处理气体流量的不同有效调节放电功率，降低处理废气的成本。

5、本发明中固体绝缘介质采用管式结构(石英管、陶瓷管)，与平面结构相比，该结构的阻挡介质，具有制造加工工艺简便、成本低、强度相对较高的优点，并且能够通过增加介质管轴向及径向尺寸来获得较大的DBD区域容积。

6、本发明适于化学反应。从局部高强电场中获得能量而被加速的电子具有较高的能量，是后来反应的基础和关键，其能量范围正好适于打开化学键，使基态物质激发或使分子成为原子、离子，从而引发各种等离子体化学反应。

7、本发明放电过程易于控制。从微观上看，DBD区域由许多个放电细丝组成，但它可以通过改变气压、放电电压、电极形状、温度和放电频率等宏观易于控制的参数而得到调节，使之为工程服务。

8、本发明能量利用率高。当电极两端施加电压时，等离子区中会有许多微放电通道r半径大约为100I_tm)，由于通道的密度大，输入的能量分布在许多条微通道中而非集中在某一处，于是提高了能量利用率。

9、反应器内整个放电空间大量呈现细丝状的细微快脉冲放电，电流细丝无规则分布在放电区域。此时反应器内的放电形式为介质阻挡丝状放电，内电极与介质之间的气体被全部击穿，由于电极间介质的存在，限制了放电电流的自由增长，也阻止了极间火花与弧光的形成，能够形成通常大气压强下稳定的气体放电。

10、本发明使用条件不苛刻。DBD可以在很宽的气压，电压及频率范围内使用，另外由于它可以在较大的区域内形成等离子区，所以可以允许有较大的气体流量。

11、本发明的工作稳定性好、放电功率大，反应器结构简单，成本低，并且其间隙较大，处理工业废气时能够减少对气体的流通阻力。

附图说明

图1为本发明的反应器的结构示意图；

图2为本发明的反应器的安装结构示意图；

图3为本发明的反应器并联的结构示意图；

图4为本发明的反应器并联时安装结构示意图。

其中，1、芯电极棒，2、绝缘介质，3、1/2U型电极板a，4、1/2U型电极板b，5、待催化气体，6、端盖a，7、端盖b，8、驱动电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和图2所示，芯电极棒1和绝缘介质2(石英管或陶瓷管)同轴布置，绝缘介质2紧贴芯电极棒1布置。U型板式电极罩壳由1/2U型电极板a3和1/2U型电极板b4构成，每块1/2U型电极板含有长为r的直板段和半径为R的圆弧段。1/2U型电极板a3和1/2U型电极板b4对称环绕布置于绝缘介质2外侧，并与绝缘介质2之间留有一定的间隙(R-r)，此间隙即为DBD间隙。待催化气体5由U型开口处进入反应器，芯电极棒1在U型弯开口处正中央位置，处于气体迎流方向的反应器前端。1/2U型电极板a3和1/2U型电极板b4的U型弯中间设置缝隙，此缝隙为DBD催化反应后气体出口通道。反应器两端用绝缘介质端盖a6和绝缘介质端盖b7封闭。驱动电源8通过导线分别连接芯电极棒1、1/2U型电极板a3和1/2U型电极板b4。

反应器结构单元的气体通流截面积S＝2*L*(R-r),L为反应器的长度，R为电极罩壳3的半径，r为芯电极棒1的半径。径向调节是通过改变芯电极棒1与电极罩壳3单位轴向长度的半径差值实现的，即调节气缝高度(R-r)。轴向调节是通过改变反应器轴向长度实现的，即气缝长度L。

绝缘介质2的厚度d可以辅助调节DBD击穿电压和放电功率。

实施例2

电极罩壳3也可以为一个整体，该整体的圆弧处设置气体出口通道。

实施例3

如图3和图4所示，3个反应器并联设置，各反应器的芯电极棒1的中心线在同一平面内。驱动电源8并联接入所有反应器。并联设置的反应器也可以为多个，如3个，4个，5个以及更多。

实施例4

多个反应器可以通过连接装置串联设置。该布置方式可推广为N个相同的反应器串联，如3个，4个，5个以及多个，各反应器芯电极棒1中心线在同一平面内。驱动电源8并联接入N个反应器。

实施例5

多个反应器也可以是一串联加并联的方式组成系统阵列。

实施例6

多个反应器沿着轴向叠加设置。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要 付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器，其特征在于：包括芯电极、U型板电极罩壳、绝缘介质以及驱动电源，其中，所述芯电极安装在U型板电极罩壳的内部，U型板电极罩壳的圆弧处设置平行于芯电极的气体出口通道，绝缘介质安装在芯电极与U型板电极罩壳之间，驱动电源分别与所述芯电极和U型板电极罩壳连接，气体从U型板电极罩壳的U型开口处进入反应器，处理好的气体通过所述气体出口通道离开反应器；

所述U型板电极罩壳包括对称设置的两部分，这两部分配合，构成气体通道；U型板电极罩壳与所述芯电极之间的距离能够调节；

所述U型板电极罩壳的两端均设置有用于防止气体流出的端盖；

所述绝缘介质的形状为中空圆柱体。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述芯电极安装在U型板电极罩壳的两个平板之间，且与U型板电极罩壳的两个平板的距离相等。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述绝缘介质紧密套合在芯电极棒上。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述绝缘介质套合在芯电极棒上，且与芯电极棒之间留有间隙。

5.一种介质阻挡放电低温等离子催化反应系统，所述反应系统由若干个权利要求1-4任一所述的反应器并联和/或串联而成。

6.一种介质阻挡放电低温等离子催化反应系统，所述反应系统由若干个权利要求1-4任一所述的反应器轴向叠加而成。