CN109289457B - 一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置及方法，该装置包括刀片滑动弧稳定系统及反应器；所述刀片滑动弧稳定系统包括第一直流电源、第二直流电源、电感线圈、二极管、电磁继电器开关；第二直流电源的电压大于反应器两个电极之间最小击穿电压；第一直流电源的电压为反应器两个电极之间最小击穿电压的1/8～1/2；由第二直流电源提供击穿电压，由第一直流电源维持供电；所述反应器包括外罩、两个电极、两个平板磁铁、喷嘴；所述外罩为直四棱柱结构，横截面为矩形，两个平板磁铁相互平行地布置在外罩外侧。本发明改进了传统的刀片反应器，通过磁场和气流场的双驱动，显著改善了其对温室气体的处理能力，并且大大延长了反应器寿命。

Description

一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置及方法
技术领域
本发明涉及了一种温室气体转化装置，特别是涉及一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置及方法。
背景技术
滑动弧放电等离子体(Gliding arc discharge,GAD)由法国的H.Lesueur和A.Czernichowski等人于1988年首次提出，是一种可以在大气压下产生的周期性摆动的非平衡等离子体。传统的滑动弧反应器主要由两个叉开布置的电极组成，两个电极的喉部顶端布置一个进气喷嘴，电极两边接通高压，从电极喉部击穿，在气流的推动下，电弧沿两级边缘移动，电弧拉长直到熄灭，之后再在喉部重新击穿形成新的电弧，进行循环。
滑动弧放电由于在刺激化学反应方面具有独特优势，并且具有较高的反应温度和高效的选择性，因此在被提出之后便立即成为了研究热点，被广泛地应用于燃料裂解、辅助燃烧、污染物的降解、表面杀菌、纳米材料的改性和制备等各个领域。
在处理温室气体方面，滑动弧被证明是一个理想的方式，在达到可观的处理量的同时，还能兼具较高的能量效率。但是，传统的刀片滑动弧的电弧驱动方式仅为气流驱动，电弧与气流存在较大速度差，电弧很容易因为速度差距过大产生的热量流失而断弧，从而整个等离子体区域被限制在很小的区域里，并且传统反应器外罩为圆柱形，从喷嘴出发的反应气体大部分并未通过等离子体区域，使得其对于温室气体的处理能力受限，同时，刀片滑动弧会产生阴极斑点现象，长时间放电会损坏反应器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置及方法；本发明改进了传统的刀片反应器，通过磁场和气流场的双驱动，显著改善了其对温室气体的处理能力，并且大大延长了反应器寿命。
为了达到更好的温室气体处理效果，本发明采用如下技术方案：一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，包括刀片滑动弧稳定系统及反应器；
所述刀片滑动弧稳定系统包括第一直流电源、第二直流电源、电感线圈、二极管、电磁继电器开关；第一直流电源、电感线圈、二极管串联，电磁继电器开关和第二直流电源串联，两个串联支路并联后接入反应器的两个电极；两个直流电源的正负极同向并且负极接地；所述第二直流电源的电压大于反应器两个电极之间最小击穿电压；所述第一直流电源的电压为反应器两个电极之间最小击穿电压的1/8～1/2；
所述反应器包括外罩、两个电极、两个平板磁铁、喷嘴；所述电极为圆弧形刀片电极，两个电极均布置在反应器下壁板上，且相对放置；所述外罩为直四棱柱结构，横截面为矩形，两个平板磁铁相互平行地布置在外罩外侧；所述喷嘴设置在两个电极正中间对应的反应器下壁板上；所述喷嘴将温室气体喷入反应器内部，气体流量由流量计控制。
进一步地，所述电极的半径为15-30mm，由金属材料制成，具有良好的导电性和耐热性，两电极最窄距离为2-5mm。
进一步地，所述反应器的外罩由石英制成，反应器上壁板与下壁板用耐高温绝缘材料氧化铝陶瓷制成；上下壁板与外罩间垫有石墨垫片，通过螺杆和螺母压紧上下壁板，从而固定外罩。
进一步地，所述喷嘴直径1-2mm，喷嘴出口离两电极最窄处距离5-15mm。
进一步地，该装置还包括尾气测量系统，所述尾气测量系统包括气泵、CO检测模块、CO2检测模块、O2检测模块，对尾气成分进行实时检测。
一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置的温室气体转化方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过喷嘴向反应器内部通入温室气体；
(2)闭合电磁继电器开关，使得第一直流电源、第二直流电源均处于开启状态，此时由第二直流电源提供击穿电压，在两电极最小间距处击穿；
(3)待反应器电极击穿产生稳定电弧后，通过电磁继电器开关断开第二直流电源，通过第一直流电源维持电弧；电弧在磁场和气流的双重作用下向两电极尖端发展，不断拉长直至湮灭，重复循环，形成等离子体区域；此过程中产生高能电子以及各种活性粒子，降解温室气体。
本发明的有益效果在于：
1.运用双电源系统，实现高压电源击穿，低压电源维持供电，并通过电感线圈维持电流稳定，省去传统的限流电阻，节省了大部分能量。
2.运用四棱柱石英外罩，将反应气体集中在等离子体区域，增加了气体与等离子体的接触机会。
3.增加磁场，电弧在磁场与气流的双重作用下移动更快，使得电弧与气流速度差减小，热量损失减少，电弧发展得更长，形成的等离子体区域更大，增加了反映气体在等离子体区域的停留时间。同时，解决了阴极斑点现象，电弧在阴极的放电位置在洛伦兹力作用下会强行发生滑移，不仅使电弧发展更好，也避免了长时间同一位置放电产生的热损坏反应器。
4.增设尾气测量系统，能够对处理能力与尾气成分进行实时监测。
附图说明
图1为本发明温室气体转化装置总图；
图2为刀片滑动弧稳定系统的结构图；
图3为反应器的结构图，(a)为半剖正视图，(b)为侧视图；
图中，1流量计，2反应器部分，3尾气测量系统，4第一直流电源，5第二直流电源，6电感线圈，7二极管，8电磁继电器开关，9下壁板，10喷嘴，11电极，12外罩，13磁铁，14上壁板。
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详细说明。
如图1-3所示，本发明提供的一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，包括刀片滑动弧稳定系统及反应器；
所述刀片滑动弧稳定系统包括第一直流电源4、第二直流电源5、电感线圈6、二极管7、电磁继电器开关8；第一直流电源4、电感线圈6、二极管7串联，电磁继电器开关8和第二直流电源5串联，两个串联支路并联后接入反应器的两个电极11；两个直流电源的正负极同向并且负极接地；所述第二直流电源5的电压大于反应器两个电极之间最小击穿电压；所述第一直流电源4的电压为反应器两个电极之间最小击穿电压的1/8～1/2。一种具体的实现方式如下，但并不限于此：第一直流电源4采用1.5kV直流电源，第二直流电源5采用10kV直流电源，电感线圈6采用30mH的电感线圈；由10kV第二直流电源5提供击穿电压，由1.5kV第一直流电源4维持供电。
所述反应器包括外罩12、两个电极11、两个平板磁铁13、喷嘴10；所述电极11为圆弧形刀片电极，两个电极11均布置在反应器下壁板9上，且相对放置；所述外罩12为直四棱柱结构，横截面为矩形，两个平板磁铁13相互平行地布置在外罩12外侧；所述喷嘴10设置在两个电极11正中间对应的反应器下壁板上9；所述喷嘴10将温室气体喷入反应器内部，气体流量由流量计1控制。
进一步地，所述电极11的半径为15-30mm，由金属材料制成，具有良好的导电性和耐热性，两电极11最窄距离为2-5mm。
进一步地，所述反应器的外罩12由石英制成，反应器上壁板14与下壁板9用耐高温绝缘材料氧化铝陶瓷制成；上壁板14、下壁板9与外罩12间垫有石墨垫片，通过螺杆和螺母压紧上下壁板，从而固定外罩9。外罩9的一种具体设计方式如下，但并不限于此：外罩内部尺寸为45*12*110mm左右，壁厚2mm左右。
进一步地，所述喷嘴10直径1-2mm，喷嘴出口离两电极11最窄处距离5-15mm。
进一步地，该装置还包括尾气测量系统3，所述尾气测量系统3包括气泵、CO检测模块、CO2检测模块、O2检测模块，对尾气成分进行实时检测。
一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置进行温室气体转化的方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过喷嘴10向反应器内部通入温室气体；
(2)闭合电磁继电器开关8，使得第一直流电源4、第二直流电源5均处于开启状态，此时由第二直流电源5提供击穿电压，在两电极11最小间距处击穿；
(3)待反应器电极11击穿产生稳定电弧后，通过电磁继电器开关8断开第二直流电源5，通过第一直流电源4维持电弧；通过电感线圈6和二极管7进行稳流，在第一直流电源4供电过程中，如果电弧不稳定，出现断弧现象，这时电流急剧下降，电感线圈6产生极高的电感电动势，从而使得电极11重新击穿，反应重启，达到稳定反应器的效果；电弧在磁场和气流的双重作用下向两电极尖端发展，不断拉长直至湮灭，重复循环，形成等离子体区域；此过程中产生高能电子以及各种活性粒子，降解温室气体。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，其特征在于，包括刀片滑动弧稳定系统及反应器；
所述刀片滑动弧稳定系统包括第一直流电源、第二直流电源、电感线圈、二极管、电磁继电器开关；第一直流电源、电感线圈、二极管串联，电磁继电器开关和第二直流电源串联，两个串联支路并联后接入反应器的两个电极；两个直流电源的正负极同向并且负极接地；所述第二直流电源的电压大于反应器两个电极之间最小击穿电压；所述第一直流电源的电压为反应器两个电极之间最小击穿电压的1/8~1/2；
所述反应器包括外罩、两个电极、两个平板磁铁、喷嘴；所述电极为圆弧形刀片电极，两个电极均布置在反应器下壁板上，且相对放置；所述外罩为直四棱柱结构，横截面为矩形，两个平板磁铁相互平行地布置在外罩外侧；所述喷嘴设置在两个电极正中间对应的反应器下壁板上；所述喷嘴将温室气体喷入反应器内部，并连接有流量计。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，其特征在于，所述电极的半径为15-30mm，由金属材料制成，具有良好的导电性和耐热性，两电极最窄距离为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，其特征在于，所述反应器的外罩由石英制成，反应器上壁板与下壁板用耐高温绝缘材料氧化铝陶瓷制成；上下壁板与外罩间垫有石墨垫片，通过螺杆和螺母压紧上下壁板，从而固定外罩。
4.根据权利要求1所述的一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，其特征在于，所述喷嘴直径1-2mm，喷嘴出口离两电极最窄处距离5-15mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用磁场加强刀片滑动弧的温室气体转化装置，其特征在于，该装置还包括尾气测量系统，所述尾气测量系统包括气泵、CO检测模块、CO2检测模块、O2检测模块，对尾气成分进行实时检测。
6.一种利用权利要求1所述装置进行温室气体转化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）通过喷嘴向反应器内部通入温室气体；
（2）闭合电磁继电器开关，使得第一直流电源、第二直流电源均处于开启状态，此时由第二直流电源提供击穿电压，在两电极最小间距处击穿；
（3）待反应器电极击穿产生稳定电弧后，通过电磁继电器开关断开第二直流电源，通过第一直流电源维持电弧；电弧在磁场和气流的双重作用下向两电极尖端发展，不断拉长直至湮灭，重复循环，形成等离子体区域；此过程中产生高能电子以及各种活性粒子，降解温室气体。
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