CN105903321B - 一种低能耗低温等离子气体反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低能耗低温等离子气体反应装置，包括电极棒、电极套筒、电极板、固体绝缘介质、反应器罩壳和驱动电源。其中，电极棒、电极套筒、反应器罩壳和固体绝缘介质套筒采用同轴布置方式；电极板和固体绝缘介质采用层叠间隔布置方式。固体绝缘介质与电极棒、电极套筒、电极板间存在间隙。驱动电源与电极棒、电极套筒、电极板连接。本发明通过调节相邻两个放电电极间的间隙，改变DBD处理气体的通流截面积大小，调节处理气体的比例。本发明除可独立工作外，亦可多组布置同时工作。增加反应器中环形电极筒的环套数量，增加环形电极套筒的布置数量，增加板型电极的布置数量，可增强反应器处理气体的流量的能力。

Description

一种低能耗低温等离子气体反应装置

技术领域

本发明涉及一种在等离子环境下按比例处理部分气体的反应装置，主要适用于环保领域中涉及能源、化工、汽车、生物、材料、冶金、环境等工业废气的低能耗等离子处理。

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。

辉光放电是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(DBD)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、无二次污染以及能够同时处理微粒等优点，但利用低温等离子处理大流量工业废气时存在着能耗高，反应器体积大的问题，因而制约了其工业化应用。

目前等离子反应器处理气体都是以全部气体流量作为处理对象，当处理气体流量较大时，受放电电极间隙和气体流速的限制，反应装置的流通截面积相对较大，导致反应装置的放电电压、放电功率无法降低，气体等离子过程中消耗大量的能量，同时由于放电功率大，后续反应过程中往往导致较多高能态气体副反应的发生，影响预期的反应效果。

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供一种能够在反应器内部按比例处理部分气体的介质阻挡放电等离子反应装置，并将处理后的等离子高能态气体与未处理的低能态气体混合，利用等离子气体中所具有的高能态活性粒子与未处理气体中的分子碰撞，达到处理全部气体的效果，从而降低DBD放电功率，降低处理废气成本，使得等离子处理大流量工业废气能够实际可行。

本发明采用的技术方案如下：

一种低能耗低温等离子气体反应装置，包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内从内圈到外圈依次套装有至少一个电极组和反应器罩壳；位于最内圈的电极组包括电极棒、电极套筒和位于电极棒与电极套筒之间的固体绝缘介质，其余的电极组包括两个套装的电极套筒和位于两个电极套筒之间的固体绝缘介质，所述的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连，所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极组自身形成的间隙内，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

通过调节电极组之间的距离、电极套筒与反应器罩壳之间的距离，改变DBD处理气体的通流截面积大小，调节处理气体的比例。

通过调节每个电极组中电极棒和电极套筒、电极套筒和电极套筒间的垂直距离，改变DBD击穿电压，并调节放电功率。

一种低能耗低温等离子气体反应装置，包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内设有多个电极组，每组电极组包括一个电极棒和套装在电极棒外的外圈的电极套筒，在所述的电极棒与电极套筒形成的间隙中设置有固体绝缘介质；所有的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连；所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极棒与电极套筒的间隙，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

所述的反应器罩壳为圆柱状时，所述的多个多组电极组排列成一圈。

所述的反应器罩壳为矩形状结构时，在所述的矩形反应器罩壳内设有多个横竖排列的电极组。

进一步的，通过调整电极组的个数以及排列方式，调节反应装置处理气体的流量的能力。

一种低能耗低温等离子气体反应装置，包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内至少设有两个平行设置的电极板，相邻的两个电极板之间设有板式绝缘介质且构成电极组，每个电极板均与驱动电源相连，在最外层的电极板的外侧套装有反应器罩壳；所述的反应器罩壳与电极板、两个电极板之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极板的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极板的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极组自身形成的间隙内，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

进一步的，通过调节相邻电极组之间的间隙、电极组与反应器罩壳之间的距离以及电极组的数量，改变DBD处理气体的通流截面积大小，调节处理气体的比例。

进一步的，通过调节每个电极组中电极板的垂直距离，改变DBD击穿电压，并调节放电功率。

本发明中一种部分(2％～50％)等离子处理气体与其余未处理气体(50％～98％)混合后发生反应的、能耗低、副反应少，处理气体比例可控，适用于处理大流量工业废气的技术方案。

本发明反应器单元结构采用垂直气体流入方向多组布置，通过改变电极棒、放电电极套筒、电极板的轴向长度L，可以调节等离子反应器DBD放电区域容积，调节工业废气在等离子反应器中的滞留时间，调节气体处理的反应强度，有利于提高反应器对工业废气的净化效率，增强反应器对气体流量与流速的适应性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(一)能够降低DBD放电功率和击穿电压，可节省处理废气成本。本发明反应器中气体等离子体的流通截面积仅为每个电极组中两个电极所夹的区域，电极组之间以及最外层电极与反应器罩壳间流通的气体不进行等离子处理，从而可以实现部分处理反应气体的过程。处理后的等离子高能态气体流出反应段(L)后，在混合段(a)与未处理的低能态气体混合，利用等离子气体中所具有的高能态活性粒子与未处理气体中的分子碰撞，实现全部气体的处理效果。由于减少了DBD处理的气体流量，使得放电功率降低，在气体流速不变的情况下，使得相邻两电极间的放电间隙能够减小，从而降低了击穿电压。

(二)能够按比例调节处理气体的比例，控制副反应发生。本发明反应装置中气体等离子处理的有效流通截面积为每个电极组中两个电极所夹的区域。通过调节筒式电极套筒的半径R或板式电极间隙H，可以改变相邻两电极所夹的截面积，从而改变处理气体的比例。等离子反应中的很多副反应是由于高能态活性粒子相互作用产生的，通过减少处理气体的比例，并将高能态气体与低能态气体混合，可以大大降低高能态活性粒子之间发生副反应的机率。

(三)能够处理大流量气体。本发明反应器结构单元可以采用多重布置的方式改变气体通流截面积大小。可在不增大驱动电源工作击穿电压的情况下增加气体通流截面积，因此，本发明可以获得较大的放电区域，可以提高等离子反应器处理工业废气污染物的流量，适用于大流量气体工况下的等离子反应。

(四)本发明中固体绝缘介质采用管式结构(如石英管、陶瓷管)或板式结构(如石英板、陶瓷管板)，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。

(五)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、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。

(六)本发明工作稳定性好，反应器结构简单，成本低，并且由于仅处理部分气体，所以在处理大流量工业废气时能够减少气体的流动阻力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的筒式反应器单元结构图。

图2是本发明的板式反应器单元结构图。

图3是本发明的筒式反应器单元结构多重环形布置图。

图4是本发明的筒式反应器单元结构环形矩阵布置图。

图5是本发明的筒式反应器单元结构N边形(如N＝4)矩阵布置图。

图6是本发明的板式反应器单元结构N边形(如N＝4)矩阵布置图。

图中1.电极棒；2.固体绝缘介质；3.反应器罩壳；4.导线；5.驱动电源；6.待处理气体，7电极套筒，8电极板，9板式绝缘介质，a混合段，L反应段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种低能耗低温等离子气体反应装置，包括从内圈到外圈依次套装在一起的电极棒1、电极套筒7和反应器罩壳3，在所述的电极棒1的外圈包裹有固体绝缘介质2，电极棒1、电极套筒7和固体绝缘介质2形成一个电极组；且电极棒1、电极套筒7通过导线4与驱动电源5相连，所述的反应器罩壳3与电极套筒7、电极套筒7与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，为这个反应装置的反应段L，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段a；所述的待处理气体6沿电极棒的轴线方向进入反应器中，经电极套筒阻挡，被按比例分流为两路，一路进入电极棒1与电极套筒7的间隙，此间隙为该反应器放电区域；另一路进入电极套筒7与反应器罩壳3的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

如图2所示，所述的低能耗低温等离子气体反应装置，包括两个平行设置的电极板8，两个电极板之间设有贴合在其中一个电极板8侧面的板式绝缘介质9，两个电极板8和板式绝缘介质9形成了一个电极组；每个电极板均与驱动电源5相连，在两个电极板8的外侧套装有反应器罩壳3；所述的反应器罩壳与电极板、两个电极板8之间分别形成供待处理气体6进入的间隙，且在电极板的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段a；所述的待处理气体沿电极板的轴线方向进入反应器中，经电极板阻挡，被按比例分流为两路，一路进入两个电极板8的间隙，此间隙为该反应器放电区域；另一路进入电极板8与反应器罩壳3的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

如图3所示，所述的低能耗低温等离子气体反应装置，包括套装在一起的电极棒1及多个电极套筒7，位于最内圈的电极组包括电极棒、电极套筒和位于电极棒与电极套筒之间设有固体绝缘介质，其余的电极组包括两个套装的电极套筒和位于两个电极套筒之间的固体绝缘介质。且每个电极组均与驱动电源5相连，在最外层的电极套筒7外套装有反应器罩壳3；所述的反应器罩壳3与最外层电极套筒7、相邻两个电极组之间、以及同一个电极组的两个电极之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒1的底部和反应器罩壳3之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒1的轴线方向进入反应器中，经电极套筒7阻挡，被按比例分流为多路，一部分进入每个电极组中两个电极之间的间隙，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入电极组之间以及最外层电极套筒与反应器罩壳的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

如图4所示，所述的低能耗低温等离子气体反应装置，包括一个圆柱状的反应器罩壳，在反应器罩壳内设有一圈电极棒，在每个电极棒的外圈都包裹有固体绝缘介质，在固体绝缘介质的外圈套装有电极套筒，所有的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连；所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，经电极套筒阻挡，被等流量分流为两路，一路进入电极棒与电极套筒的间隙，此间隙为该反应器放电区域；另一路进入电极套筒与反应器罩壳以及电极组之间的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

如图5所示，所述的低能耗低温等离子气体反应装置，包括一个矩形状的反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内设有多个横竖排列的电极棒，在每个电极棒的外圈都包裹有固体绝缘介质，在固体绝缘介质的外圈套装有电极套筒，所有的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连；所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段a；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，经电极套筒阻挡，被按比例分流为多路，一部分进入电极棒与电极套筒的间隙，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入电极套筒与反应器罩壳以及电极组之间的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

如图6所示，所述的低能耗低温等离子气体反应装置，包括多个平行设置的电极板8，相邻的两个电极板8之间设有贴合在其中一个电极板侧面的板式绝缘介质9且构成电极组，每个电极板均与驱动电源相连，在最外层电极板8的外侧套装有反应器罩壳；所述的反应器罩壳与电极板、两个电极板8之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极板的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体6沿电极板的轴线方向进入反应器中，经电极板阻挡，被按比例分流为多路，一部分进入电极组本身形成的间隙，此间隙为该反应器放电区域；另一部分进入电极板与反应器罩壳，以及电极组之间的间隙，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

利用所述的装置在反应器内部处理部分气体，然后将等离子处理后产生的高能态气体与未处理的低能态气体混合。混合过程中，利用等离子处理后的气体中具有的高能态粒子与未处理气体中的分子的碰撞，达到处理全部气体的效果，由于减少了DBD放电处理的气体流量，从而可以降低DBD放电功率，达到降低等离子处理气体成本的目的。

本发明反应装置通过电源驱动，经固体绝缘介质阻挡，可在电极棒、电极套筒、电极板之间产生稳定的DBD区域。被等离子处理的气体在反应器中的实际流通区域为相邻两电极棒(筒、板)之间的区域。

本发明固体绝缘介质采用管式结构(如石英管、陶瓷管)或板式结构(如石英板、陶瓷板)，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，并且能够通过改变介质轴向长度来调节DBD区域容积，通过改变介质厚度来调节DBD强度。

本发明能够降低DBD放电功率和放电电压，可降低处理废气成本；能够按比例处理气体；能够分别调节DBD区域通流截面积和气体总流通截面积；能够适用于处理大流量气体；反应器结构单元能够单独工作也可多组布置工作。

通过调节电极棒1与电极套筒7之间的间隙，可以控制处理气体的比例，并且控制DBD放电功率和击穿电压。

采用板式电极8和板式绝缘介质9。DBD反应区域为两电极板之间的间隙。通过调节两电极板间的距离可以控制处理气体比例，并且控制DBD放电功率和击穿电压。

在图3中，多重电极套筒环形布置，电极套筒与中心的电极棒同轴,相邻两个电极套筒间的间隙为DBD区域。通过调节相邻两个电极套筒的半径R，可以控制处理气体的比例，并且控制DBD放电功率和击穿电压。

在图4中，多个筒式反应器单元结构环形矩阵布置；在图5中，多个筒式反应器单元结构多排矩阵布置；在图6中，多个板式反应器单元结构多排矩阵布置。通过调节相邻两个电极之间的间隙和矩阵布置的反应器单元数量，可以控制处理气体的比例，并且控制DBD放电功率和击穿电压。

本发明能够按照比例调节反应装置中低温等离子处理单元的流通截面积，进而调整等离子处理气体的比例，从而使得低温等离子技术能够更经济的处理大流量工业废气。

本发明能够利用反应单元处理部分气体(2％～50％)，降低DBD放电功率，解决了现有技术中处理大流量工业废气能耗过高，成本过大的问题。

本发明是利用反应装置等离子处理部分气体(如2％～50％)，并将处理后的等离子高能态气体与未处理的低能态气体混合，利用等离子气体中所具有的高能态活性粒子与未处理气体中的分子碰撞，实现全部气体的处理效果。解决了现有技术中等离子处理全部气体导致较多高能态气体发生副反应的问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本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以内。

Claims (10)

1.一种低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内从内圈到外圈依次套装有至少一个电极组和反应器罩壳；位于最内圈的电极组包括电极棒、电极套筒和位于电极棒与电极套筒之间的固体绝缘介质，其余的电极组包括两个套装的电极套筒和位于两个电极套筒之间的固体绝缘介质，所述的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连，所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极组自身形成的间隙内，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

2.如权利要求1所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于，通过调节电极组之间的距离、电极套筒与反应器罩壳之间的距离，改变DBD处理气体的通流截面积大小，调节处理气体的比例。

3.如权利要求1任一所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：通过调节每个电极组中电极棒和电极套筒、电极套筒和电极套筒间的垂直距离，改变DBD击穿电压，并调节放电功率。

4.一种低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内设有多个电极组，每组电极组包括一个电极棒和套装在电极棒外的外圈的电极套筒，在所述的电极棒与电极套筒形成的间隙中设置有固体绝缘介质；所有的电极棒、电极套筒均与驱动电源相连；所述的反应器罩壳与电极套筒、电极套筒与电极棒之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极棒的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极棒的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极棒与电极套筒的间隙，此间隙为该反应器无声放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

5.如权利要求4所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：所述的反应器罩壳为圆柱状时，所述的多个多组电极组排列成一圈。

6.如权利要求4所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：所述的反应器罩壳为矩形状结构时，在所述的矩形反应器罩壳内设有多个横竖排列的电极组。

7.如权利要求5或6所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：通过调整电极组的个数以及排列方式，调节反应装置处理气体的流量的能力。

8.一种低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于：包括一个反应器罩壳，在所述的反应器罩壳内至少设有两个平行设置的电极板，相邻的两个电极板之间设有板式绝缘介质且构成电极组，每个电极板均与驱动电源相连，在最外层的电极板的外侧套装有反应器罩壳；所述的反应器罩壳与电极板、两个电极板之间分别形成供待处理气体进入的间隙，且在电极板的底部和反应器罩壳之间形成反应器混合段；所述的待处理气体沿电极板的轴线方向进入反应器中，被按比例分流为多路，一部分进入电极组自身形成的间隙内，此间隙为该反应器放电区域；其余部分进入相邻电极组以及电极组与反应器罩壳形成的间隙内，此间隙为未处理气体区域；被处理后的气体在反应器混合段与未处理的气体混合。

9.如权利要求8所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于，通过调节相邻电极组之间的间隙、电极组与反应器罩壳之间的距离以及电极组的数量，改变DBD处理气体的通流截面积大小，调节处理气体的比例。

10.如权利要求8所述的低能耗低温等离子气体反应装置，其特征在于，通过调节每个电极组中电极板的垂直距离，改变DBD击穿电压，并调节放电功率。