CN106102293A - 并联式介质阻挡放电反应器 - Google Patents

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仲蕾
董江峰
任庆霜
陈晓飞
王国莹
付海燕
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Abstract

本发明提供了并联式介质阻挡放电反应器，包括筒状的放电单元支撑架和其内的放电模块，所述放电模块由若干介质阻挡放电单元并联组成，每个介质阻挡放电单元包括高压极、低压极、阻挡介质和高压极固定支架，所述阻挡介质为筒状结构，所述低压极套设在阻挡介质外圆周侧，两个所述高压极固定支架分别固定在阻挡介质的两端，两个所述高压极固定支架的中心分别连接高压极的两端。本发明具有以下优势：结合气体放电、低温等离子体物理化学等多门学科理论，推出一种多管并联式介质阻挡放电低温等离子体反应器，可以有效降低柴油机颗粒物排放，效率可达50‑90％，同时可避免由载体填充或颗粒物捕集引起的排气背压增加。

Description

并联式介质阻挡放电反应器
技术领域
本发明属于颗粒污染物控制技术领域，尤其是涉及一种并联式介质阻挡放电反应器。
背景技术
空气中的颗粒物PM(Particulate Matter)因其致癌性给环境和人类健康带来巨大危害，因此备受关注。目前，我国颗粒物污染的主要来源主要是燃煤和机动车，由于排放法规的日益严格，单纯的燃烧控制技术很难满足法规要求，因此燃烧源的后处理技术亟待解决。
低温等离子体用于颗粒物控制技术最早起源于静电除尘技术，常用于以煤为燃料的工厂、电站和冶金等场所，主要以电晕放电方式产生低温等离子体，大量的电子和离子吸附在颗粒物上使颗粒物荷电，并通过电场捕获颗粒物。目前，鉴于低温等离子体化学性质活泼，含有大量高能粒子，可以引发一系列的物理和化学反应，被应用于颗粒物、HC、NOx和SOx等污染物的氧化。基于低温等离子体上述优势，美国汽车工程协会将其认定为未来全面、有效解决柴油机排气污染问题的最具希望的一项技术。
然而，将低温等离子体技术应用于柴油机排气后处理还有一段距离，研究多数处于试验室阶段，在反应器结构设计、电源运行工况、能量消耗以及物理化学反应方面还有许多亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种并联式介质阻挡放电反应器，可以提高排气净化效率，同时适应更大的柴油机排气流量，适合涉及固定或是大型移动燃烧源颗粒物的排放后处理。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
并联式介质阻挡放电反应器，包括筒状的放电单元支撑架和其内的放电模块，所述放电模块由若干介质阻挡放电单元并联组成，每个介质阻挡放电单元包括高压极、低压极、阻挡介质和高压极固定支架，所述阻挡介质为筒状结构，所述低压极套设在阻挡介质外圆周侧，两个所述高压极固定支架分别固定在阻挡介质的两端，两个所述高压极固定支架的中心分别连接高压极的两端，且多个高压极之间通过导电压片相连。
进一步的，所述阻挡介质的轴向长度大于低压极的轴向长度，阻挡介质在轴向上的两端均从低压极的两端延伸出一段距离。
进一步的，所述高压极固定在阻挡介质的轴心处。
进一步的，所述高压极采用的是直径为0.4-2mm的金属细丝，接通15-25kV的交流电，频率范围为8-25kHZ。
进一步的，所述阻挡介质采用的是相对介电常数范围为3.6-15的石英玻璃、陶瓷或Al2O3，其径向放电间隙为2-20mm。
进一步的，所述低压极采用的是金属薄壳或是金属网。
进一步的，所述高压极固定支架为聚四氟乙烯材质，为工形结构。
进一步的，所述反应器工作时采取两种工作档位：当污染源处于低负荷运转时，高压极连接低档位的工作电压；当工况负荷加大时，高压极连接高档位的工作电压。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明结合气体放电、低温等离子体物理化学等多门学科理论，推出一种多管并联式介质阻挡放电低温等离子体反应器，可以有效降低柴油机颗粒物排放，效率可达50-90％，同时可避免由载体填充或颗粒物捕集引起的排气背压增加；
(2)本发明采用介质阻挡放电可以产生比电晕放电更高的能量密度和较均匀的放电空间；
(3)采用的同轴圆柱结构NTP反应器制造加工工艺简便、成本低，而且可以获得较大的放电区容积，可以避免排气背压过大影响燃烧；采用直径较小的放电极可以增大放电区的场强和减小临界击穿电压，有利于颗粒和NOx等有害物的氧化；
(4)本发明采用多管并联的圆柱结构NTP反应器，既可以提高净化效率，同时适应更大的柴油机排气流量，此外反应器结构设计也大大降低了能量消耗，提高了能量利用率，结构紧凑集成度高，可靠性高，压降小。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述反应器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述反应器的内部构成图；
图3为本发明实施例所述介质阻挡放电单元的结构示意图。
附图标记说明：
1-高压极，2-高压极固定支架，3-阻挡介质，4-放电单元支撑架，5-低压极。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
并联式介质阻挡放电反应器，如图1、2所示，包括筒状的放电单元支撑架4和其内的放电模块，所述放电模块由若干介质阻挡放电单元并联组成，如图3所示，每个介质阻挡放电单元包括高压极1、低压极5、阻挡介质3和高压极固定支架2，所述阻挡介质3为筒状结构，接地的所述低压极5套设在阻挡介质3外圆周侧，两个所述高压极固定支架2分别固定在阻挡介质3的两端，两个所述高压极固定支架2的中心分别连接高压极1的两端，将高压极1固定在阻挡介质3的轴心处，并且多个高压极1之间通过导电压片相连；每个高压极1通过高压极固定支架2实现独立支撑结构，保证每个高压极1都处于介质阻挡放电单元的轴心处和避免机械结构振动带来的高压极1摆动或是拉断。
所述阻挡介质3的轴向长度大于低压极5的轴向长度，阻挡介质3在轴向上的两端均从低压极5的两端延伸出一段距离，来避免两极之间发生爬电现象。
所述反应器的筒状的放电单元支撑架4的两端为进气口，采用轴向进气，没有采取周向进气，这样可以降低局部压降损失，反应器采用气流流向与反应器轴线方向一致的结构也可减小由于弯管引起的气流压降损失。
所述放电模块的介质阻挡放电单元的并联数目根据排放源的排量和排放管道尺寸决定，并联数目的多少直接影响到交流高压电源的功率，因此需要权衡废气的净化效率和电源功率之间的关系，使其都能满足使用需求。
所述高压极1采用的是直径为0.4-2mm的金属细丝，本实施例选择的是细不锈钢棒，接通15-25kV的交流电，频率范围为8-25kHZ。
所述低压极5采用的是金属薄壳或是金属网。
所述阻挡介质3采用的是相对介电常数范围为3.6-15的石英玻璃、陶瓷或Al2O3等绝缘材料，其径向放电间隙为2-20mm，可权衡净化效率和排气背压的利弊来选择和设计。
所述高压极固定支架2为聚四氟乙烯材质，为工形结构，起到绝缘、连接和支撑每个介质阻挡放电单元的作用。
本发明反应器工作时采取两种工作档位：
当污染源处于低负荷运转时，排气量较小(具体流量根据效率和排气管尺寸计算得到)，采用低档位的工作电压，电压范围为15-17KV，使反应器处于微放电阶段，通过电场力吸附带电颗粒物；
当工况负荷加大时，排气量增加到一定程度，电源采用高档位的工作电压，电压范围为17-25KV，反应器内气体被击穿发生介质阻挡丝状放电，排气的大部分颗粒发生氧化反应，从而减小向大气中排放，同时通过反应器内的活性基团氧化颗粒物、HC，NOx和Sox。
本发明反应器是利用介质阻挡放电原理捕集和氧化废气中的颗粒物，同时氧化其他气态污染物，如SOx、NOx和HC等。
本发明反应器的工作过程如下：
当固定源废气流经本发明反应器时，废气中的颗粒物在介质阻挡放电反应器中会吸附电荷，同时在电场力的作用下会向集尘极驱进，由于高压极1是交流高压电，因此电场方向也周期性变化，荷电颗粒物也会有规律的向集尘极靠近。到达集尘极后电荷迅速被转移；当增加反应器交流电压时，反应器内的带电粒子会明显增加，甚至发生丝状放电，产生大量的活性基团(O*，O3和OH等)，颗粒物在这些带电粒子和活性基团的作用下发生氧化，同时废气中的SOx、NOx和HC也会被氧化。由于采用并联式的介质阻挡反应器，会增加反应器内部的能量密度，提高颗粒物被捕集和氧化的效率，同时保持气流流向与反应器轴线方向一致也可减小气流压降损失，此外结合排气管道尺寸，通过设计计算放电单元的数目和放电间隙可以同时兼顾净化效率和排气背压，提高能量利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：包括筒状的放电单元支撑架(4)和其内的放电模块，所述放电模块由若干介质阻挡放电单元并联组成，每个介质阻挡放电单元包括高压极(1)、低压极(5)、阻挡介质(3)和高压极固定支架(2)，所述阻挡介质(3)为筒状结构，所述低压极(5)套设在阻挡介质(3)外圆周侧，两个所述高压极固定支架(2)分别固定在阻挡介质(3)的两端，两个所述高压极固定支架(2)的中心分别连接高压极(1)的两端，且多个高压极(1)之间通过导电压片相连。
2.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述阻挡介质(3)的轴向长度大于低压极(5)的轴向长度，阻挡介质(3)在轴向上的两端均从低压极(5)的两端延伸出一段距离。
3.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述高压极(1)固定在阻挡介质(3)的轴心处。
4.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述高压极(1)采用的是直径为0.4-2mm的金属细丝，接通15-25kV的交流电，频率范围为8-25kHZ。
5.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述阻挡介质(3)采用的是相对介电常数范围为3.6-15的石英玻璃、陶瓷或Al2O3，其径向放电间隙为2-20mm。
6.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述低压极(5)采用的是金属薄壳或是金属网。
7.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述高压极固定支架(2)为聚四氟乙烯材质，为工形结构。
8.根据权利要求1所述的并联式介质阻挡放电反应器，其特征在于：所述反应器工作时采取两种工作档位：
当污染源处于低负荷运转时，高压极(1)连接低档位的工作电压，范围为15-17KV；
当工况负荷加大时，高压极(1)连接高档位的工作电压，范围为17-25KV。
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