CN114189972A - 一种稳定等离子体放电装置、控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定等离子体放电装置、控制方法和系统，属于低温等离子体领域。包括：磁体，所述磁体位于壳体外侧，在壳体内产生与电极平面垂直的磁场，所述磁体产生的磁场方向与流经第一电极、第二电极的电流方向满足左手定则，使磁场作用力与气流推动力力大小相等、方向相反。在磁场的作用下，等离子体放电通道的位置以及长度是稳定的，放电能稳定维持在辉光放电，使放电保持稳定，避免间隙反复的击穿，因而能避免电极击穿过程的大电流所导致的诸多问题。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体领域，更具体地，涉及一种稳定等离子体放电装置、控制方法和系统。
背景技术
等离子体是一种由电子、离子、中性粒子以及多种活性自由基组成的粒子集合，具有极高的化学活性，在杀菌消毒，表面改性，污染治理，特别是气体催化转化与化工合成等领域显示出良好的应用前景。滑动弧放电是一种大气压低温等离子体的发生方式，具有能量密度高，化学活性强等特点，其中含有的大量高能电子以及活性自由基，能够使某些化学反应过程在较低的温度条件下发生，作用效果明显优于电晕放电或介质阻挡放电。
专利CN205133431U公开了一种滑动弧放电固氮发生装置，等离子体在两个刀型分叉电极之间产生，并在气流的推动下，向顶部移动。等离子体放电中产生的大量活性基团能激发空气产生NOx，也能对空气中的细菌有效灭活。在气流的作用下，滑动弧放电要不断重复从击穿起弧到电弧拉长至最后熄灭的过程，处理效果十分有限。专利CN105792495A公开了一种大气压均匀等离子体刷，即使在两个固定的针电极之间放电产生等离子体，等离子体也会在气流的推动下移动，移动速度接近于气流速度，无法保持稳定，因而大部分气体无法与等离子体直接接触，只有部分气体能参与反应。
专利CN101844744A公开了一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置，等离子体在中心电极和圆筒电极之间持续旋转，实现了三维区域的放电，相比于二维放电区域，增大了等离子体放电区域，处理效果有所提高，但是，因为等离子体放电区域本身的面积很小，在电极之间旋转的过程中，超过90％的气体没有与等离子体直接接触，因而等离子体中短寿命、高活性的粒子无法直接参与反应。
现有的等离子体发生装置，在进行气体催化转化合成，例如：等离子体固氮、合成氨、催化CO2转化、甲烷裂解制氢等过程中，在气流的推动下，等离子体随着气流一起移动，移动速度与气流速度十分接近，无法稳定在某一个固定的位置，因此，只有固定的一部分气体能够与等离子体直接接触，而大部分气体无法直接参与化学反应，导致气体利用率低，产物浓度低，气体转化效率差，能量消耗巨大。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种稳定等离子体放电装置、控制方法和系统，其目的在于等离子体在气流作用下也能够固定在某一位置，保证全部的气体都能够通过等离子体放电区域，提高等离子体中短寿命、高活性的粒子和自由基与气体反应物的接触效率，更有效地引发等离子体物理化学反应，使全部的气体成分都能够参与到反应中，提高整个系统的工作效率。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种稳定等离子体放电装置，所述装置包括：第一电极、第二电极和壳体，所述壳体内设有气道，用于供待处理气体流动；所述第一电极嵌于壳体上，一端位于壳体外，用于连接高电压，另一端位于壳体内且紧贴气道壁，用于与通入的气体接触；所述第二电极嵌于壳体上，一端位于壳体外，用于接地，另一端位于壳体内且紧贴气道壁，用于与通入的气体接触；所述第一电极与第二电极紧贴气道壁的一端相对且共面，该共面与气道之间的夹角满足(0°,90°]，所述装置还包括：磁体，所述磁体位于壳体外侧，在壳体内产生与该共面垂直的磁场，所述磁体产生的磁场方向与流经第一电极、第二电极的电流方向满足左手定则，使磁场作用力与气流推动力大小相等、方向相反。
优选地，所述磁体产生的磁场的磁感应强度满足以下公式：
F气流＝BIL
其中，F气流表示气流推动力，B表示磁场磁感应强度，I表示流经第一电极、第二电极的电流，L表示第一电极、第二电极紧贴气道壁的一端之间的距离在与气流垂直方向的分量。
优选地，第一电极、第二电极为两个反方向的三角形刀片电极，其位置满足：沿着气流方向电极间隙逐渐减小。
有益效果：本发明采用反方向的三角形刀片电极，可以在较低的电压下实现击穿，并在磁场的安培力的作用下，放电可以沿着气流的反方向，向电极间隙逐渐增大的位置移动，并且同样能够使放电稳定在固定的位置，不会随着气流移动。
优选地，该共面与气道之间的夹角为90°。
有益效果：本发明优选上述结构，在相同的磁感应强度作用下，等离子体放电通道受到的磁场作用力最大，放电能在最小的磁感应强度下实现气流推动力与磁场作用力大小相等方向相反，维持放电的稳定。同时，放电长度相同的情况下，夹角90°的情况下气道截面最大，单位时间内有更多的反应物气体被处理，提高整个系统的工作效率。
优选地，所述装置应用于气体催化转化、空气消杀或污染治理。
有益效果：本发明所述的装置，在磁场的作用下，等离子体能够固定在某一位置，不随气流移动，同时能够充满放电腔室整个截面，所有气体反应物都能够与等离子体充分接触，提高等离子体中活性成分的密度，其中的电子、离子、激发态和亚稳态粒子以及活性自由基，能够有效引发气体反应物中的物理化学反应，提高反应物的利用率，节约原料成本，提高产物浓度，降低能量消耗，使整个系统的工作效率提高。不仅适用于以空气或不同比例的氮气与氧气的混合气体作为反应物的等离子体固氮反应。也能够通过改变通入放电腔室的反应物气体原料，实现二氧化碳转化、等离子体合成氨、甲烷裂解制氢等气体催化合成反应。也可以用于空气消杀，将环境中的空气通过气泵通入放电腔室中，等离子体产生的多种活性成分，能有效杀灭空气中的细菌和病毒。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的稳定等离子体放电装置的控制方法，该方法包括：
S1.初始化输入电压、待处理气体流速和磁场磁感应强度大小，使得第一电极和第二电极之间发生间隙击穿；
S2.改变输入电压、待处理气体流速、磁场磁感应强度大小中的至少一个，使得监测到的电压波动不超过设定阈值；
S3.实时监测第一电极和第二电极之间的电压，一旦监测到的电压波动超过设定阈值，则进入步骤S2。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种稳定等离子体放电装置的控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第二方面所述的稳定等离子体放电装置的控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供了一种稳定等离子体放电装置，磁体产生与该共面垂直的磁场，所述磁场方向与流经第一电极、第二电极的电流方向满足左手定则，使磁场作用力与气流推动力大小相等、方向相反。在磁场的作用下，等离子体放电通道的位置以及长度是稳定的，放电能稳定维持在辉光放电，使放电保持稳定，避免间隙反复的击穿，因而能避免电极击穿过程的大电流所导致的诸多问题。同时，放电保持在一个固定的位置，不随气流移动，能够保证所有的待处理气体都能与等离子体直接接触，充分利用等离子体中的短寿命、高活性成分，提高反应物的处理效率，降低能量消耗，提高整个装置的工作效率。
(2)本发明提供了一种稳定等离子体放电装置的控制方法，实时监测第一电极和第二电极之间的电压，一旦监测到的电压波动超过设定阈值，则表明不稳定，再改变输入电压、待处理气体流速、磁场磁感应强度大小中的至少一个，使其趋于稳定，使放电保持稳定。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别为本发明提供的一种利用磁场稳定两个针电极放电产生的等离子体的装置示意图和正视图。
图2为本发明提供的一种采用两个三角形刀片电极的磁稳定等离子体的装置正视图。
图3为本发明提供的一种采用两个圆弧形刀片电极的磁稳定等离子体的装置正视图。
图4为本发明提供的一种采用两个通有循环冷却水的金属管电极的磁稳定等离子体的装置正视图。
图5为本发明提供的一种等离子体移动方向与气流方向相反的磁稳定等离子体的装置正视图。
图6(a)和图6(b)分别为本发明提供的两种催化剂与磁稳定等离子体协同作用的装置正视图。
图7为本发明提供的一种多级磁稳定等离子体气体催化反应系统的示意图。
图8(a)为本发明提供的一种适用于工业应用的大气流、多组磁稳定等离子体放电装置的示意图，图8(b)为对应大气流、多组磁稳定等离子体放电装置排布方式示意图，图8(c)为对应大气流、多组磁稳定等离子体放电装置的矩形阵列排布方式示意图，图8(d)为对应大气流、多组磁稳定等离子体放电装置的环形排布方式示意图。
图中标记为：
1-第一电极，2-第二电极，3-绝缘外壳，4-进气口，5-出气口，6-气流方向，7-磁场方向，8-催化剂，9-催化剂固定网，10-等离子体，11-磁铁，12-高压电源，13-高压导线，14-反应物存贮器，15-减压阀，16-流量控制器，17-气管，18-气体成分检测仪，19-产物，20-绝缘挡板，21-循环冷却水。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种采用磁场稳定等离子体放电的方法，包括第一电极、第二电极、横向气流以及垂直于气流和等离子体所在平面的磁场。在两个电极上施加电压使间隙击穿产生等离子体，在横向气流的推动下，等离子体会随着气流移动，同时，等离子体中的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力作用，改变磁场磁感应强度的大小，使带电粒子受到的洛伦兹力与气流的推动力大小相等、方向相反，放电产生的等离子体即使在气流的作用下，也能固定在某一位置，不会随着气流移动。因而，所有气体都能够流经等离子体，与等离子体充分接触，更有效地引发物理化学反应，显著提高系统工作效率。
第一电极经高压导线与高压电源，第二电极接地。如图1(a)-1(b)所示，第一电极和第二电极可以是两个针电极，针尖相对，电极直径1～3mm，电极之间的距离1～10mm，固定在绝缘外壳两侧，绝缘外壳构成一个截面为矩形的气路，使用气泵或高压气瓶将反应物气体从绝缘外壳下方的进气口通入，经过电极之间的区域，从出气口流出。气路的宽度1～3mm，与针电极直径一致，等离子体产生后能够充满整个截面。在电极上施加电压使间隙击穿，产生等离子体，在横向磁场的作用下，放电能够稳定在同一位置，不会重复发生击穿、向前推进、熄灭并再击穿的过程，所有气体都能充分接触等离子体，直接参与物理化学反应，提高整个等离子体系统在催化气体转化，在较低温度条件下实现化学合成的气体利用效率，显著降低能耗。
第一电极可以分别接高压电源或接地，第二电极也可以分别接地或接高压电源，即两个电极可以分别充当介质阻挡放电的阳极和阴极，相应地改变施加的磁场的方向，保证带电粒子所受洛伦兹力的方向与气流方向相反。
如图2所示，第一电极和第二电极可以是两个三角形的刀片电极，厚度1～3mm，与气路的厚度一致，反应物气体从两个刀片电极之间的空隙通过，向下游流动。两个刀片电极之间的最小距离可以为0.1～3mm，两个电极施加电压后，从间隙最小的位置击穿产生等离子体，因为截面面积较小，气体流速较大，带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力小于气流的推动力，所以会在气流的推动下向电极间隙更大的方向移动，放电长度增大，随着等离子体的移动，截面面积逐渐增大，气体的流速逐渐减小，直到气流的作用力与洛伦兹力的大小相等，方向相反，放电能够稳定，不会重复发生熄弧-再击穿过程。采用刀片电极，能够显著降低放电的击穿电压，放电受到磁场作用力所稳定的位置，以及放电通道的长度不会受影响。
通过改变气体流量大小或磁场的磁感应强度，能够对放电稳定发生的位置进行控制，调节放电的长度，从而改变等离子体的电子密度、气体温度等特性，是除了改变电源电压电流以外的另外一种调控手段，有利于根据实际需要获得最优的等离子体特性参数。
如图3所示，第一电极和第二电极可以是两个圆弧形的刀片电极，或者锯齿状等其他不规则形状的电极，此处对电极形状不做限定。
刀片电极之间的夹角可以从10°～180°范围内变化(两个针电极的情况相当于电极夹角180°)，采用这种电极结构的目的是适当降低击穿电压，可以在较低的电压条件下产生等离子体，不会改变放电稳定时的放电通道的长度、等离子体区域的面积和等离子体性质。
如图4所示，第一电极和第二电极可以是有一定夹角的金属管电极，在管状电极中通循环水对电极进行冷却，避免放电对电极的烧蚀，延长使用寿命。
通过改变磁场的磁感应强度，增大带电粒子所受洛伦兹力的大小，大于气流的作用力，能够使等离子体向着气流的反方向移动。相应地，电极可以是两个针尖相对的针电极，为了降低间隙击穿电压，可以采用如图5所示的两个反方向的三角形刀片电极，沿着气流方向电极间隙逐渐减小。放电最初在电极间隙最小的位置产生，在磁场洛伦兹力的作用下，向大间隙的位置移动，并且也能够使放电稳定在固定的位置。
可以单独使用等离子体进行气体催化转化，也可以如图6(a)-6(b)所示，与催化剂配合使用，利用磁场将放电稳定在一个固定位置，在该位置放置合适的催化剂，使等离子体、反应物气体、催化剂能同时充分接触，提高催化剂的作用效率，提高产物的浓度，降低能量消耗。
放电所需的高压电源可以是直流电源、交流电源或其他类型的电源。在使用交流电源时，放电电流方向不断改变，采用与电流同步并不断改变方向，大小也不断变化的磁场，使带电粒子所受洛伦兹力的方向和大小保持一致，从而实现放电稳定。
稳定放电所需的磁场可以由永磁铁产生，或者通过电磁铁线圈通电产生磁场，改变电流大小可以改变磁场的大小。
电极和其他导电材料可以但不限于为铜、铝、钨等材料中的一种。
绝缘外壳和挡板等绝缘材料可以但不限于为石英玻璃、陶瓷等材料中的一种。
利用磁场稳定等离子体放电的装置可以应用在多种工作气体中，根据用途选择不同种类的反应物气体，可以但不限于是空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气、甲烷等气体中的一种或多种气体。可以用于等离子体固氮、二氧化碳转化、合成氨、甲烷裂解等化学合成过程。也可以应用于空气消杀，将环境中的空气通过气泵通入放电腔室中，等离子体产生的多种活性成分，能有效杀灭空气中的细菌和病毒。
实施例1
如图7所示，装置由两组三角形刀片电极并联组成放电回路，两个第一电极1经高压导线13与高压电源12相连，两个第二电极2接地。两组电极固定在绝缘外壳3围成的矩形放电腔室两侧，多种反应物气体由多个反应物贮存器14，经过流量控制器16，并混合后从进气口4进入放电腔室，反应物气体依次通过两组电极放电产生的等离子体10区域，与等离子体进行多次反应。经过等离子体催化转化后的产物19，从放电腔室的出气口5排出，经气体成分检测仪18，检测产物19的成分及浓度后，收集贮存或进行下一道工序。
两组第一电极1和第二电极2可以是三角形刀片电极，夹角10°～180°，也可以是针电极，电极之间的间隙可以是0.1mm～20mm，电极可以但不限于为铜、铝、钨等材料中的一种。
两组并联电极之间的距离5cm～1m，根据不同的应用需求进行调整，第一级放电产生的等离子体能产生许多长寿命的激发态和亚稳态粒子，可以随着气流到达第二级电极，继续参与第二级反应，能够显著提高反应效率，降低能耗。
可以设置两组以上电极，通过多级磁稳定等离子体放电，进行等离子体催化气体转化的相关反应。
高压电源12可以选择高压直流电源，电压幅值3～10kV。直流电源激励的等离子体放电电流方向固定，只需要提供恒定的横向磁场就能使等离子体放电稳定。
在绝缘外壳3外部两侧放置两个永磁铁提供稳定放电所需的磁场，磁场方向根据电流电极接线方式决定，使得带电粒子所受洛伦兹力与气流的作用力大小相等、方向相反。
绝缘外壳3的材料可以但不限于为石英玻璃、氧化铝(氧化锆)陶瓷等绝缘材料，外壳厚度2～5mm。
放电反应物气体根据进行的化学合成过程的需要进行选择，包括空气，氮气、氧气、氢气、二氧化碳、甲烷中的一种或几种气体，能够进行等离子体固氮、合成氨、二氧化碳转化、甲烷裂解制氢等化学合成过程，满足多种不同的应用需求。
实施例2
如图8(a)所示，绝缘外壳3构成的放电腔室中有多组电极，能同时产生多个放电，每组电极都用绝缘挡板20与电极紧贴，使气流只能从每组的两个电极之间的间隙通过，反应物气体能全部与等离子体直接接触，而不是从其他没有等离子体的位置流走。放电腔室的气路截面面积大，可以从进气口4通入更大流量的反应物气体，适用于工业实际应用过程中，大产量、大功率、高效率的需求。经过多组电极放电产生的等离子体引发相应的物理化学反应后，产物气体从出气口5流出。
多组第一电极1和第二电极2可以是刀片电极，夹角10°～180°，也可以是不规则形状的刀片电极，也可以是针电极，电极之间的间隙可以是0.1mm～20mm，电极可以但不限于为铜、铝、钨等材料中的一种。多组电极的形状、夹角可以相同也可以不同。
多组电极之间的距离可以是1～5cm。如图8(b)～(d)所示，电极的分布可以排成一排，也可以矩形排布、环形排布或其他排布方式，并且进气口4可以采用相同的排布形式，反应物气体从进气口4通入电极间隙之间。
高压电源12可以选择高压直流电源，电压幅值3～10kV。直流电源激励的等离子体放电电流方向固定，只需要提供恒定的横向磁场就能使等离子体放电稳定。
在绝缘外壳3外部两侧放置两个永磁铁11提供，使等离子体放电稳定在固定的位置所需的磁场，多组电极可以共用同一个磁场。磁场方向根据电流电极接线方式决定，使得带电粒子所受洛伦兹力与气流的作用力大小相等、方向相反。
可以将图8(a)所示的大气流、多组磁稳定等离子体放电系统与图7所示的多级磁稳定等离子体催化反应系统结合，在每组电极的上方，再设置一组电极，使得反应物气体能够两次与等离子体接触，形成级联效果。
放电反应物气体根据进行的化学合成需要进行选择，包括空气，氮气、氧气、氢气、二氧化碳、甲烷中的一种或几种气体，能够进行等离子体固氮、合成氨、二氧化碳转化、甲烷裂解制氢等化学合成过程，满足多种不同的应用需求。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种稳定等离子体放电装置，所述装置包括：第一电极、第二电极和壳体，所述壳体内设有气道，用于供待处理气体流动；所述第一电极嵌于壳体上，一端位于壳体外，用于连接高电压，另一端位于壳体内且紧贴气道壁，用于与通入的气体接触；所述第二电极嵌于壳体上，一端位于壳体外，用于接地，另一端位于壳体内且紧贴气道壁，用于与通入的气体接触；所述第一电极与第二电极紧贴气道壁的一端相对且共面，该共面与气道之间的夹角满足(0°,90°]，其特征在于，
所述装置还包括：磁体，所述磁体位于壳体外侧，在壳体内产生与该共面垂直的磁场，所述磁体产生的磁场方向与流经第一电极、第二电极的电流方向满足左手定则，使磁场作用力与气流推动力大小相等、方向相反。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁体产生的磁场的磁感应强度满足以下公式：
F气流＝BIL
其中，F气流表示气流推动力，B表示磁场磁感应强度，I表示流经第一电极、第二电极的电流，L表示第一电极、第二电极紧贴气道壁的一端之间的距离在与气流垂直方向的分量。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一电极、第二电极为两个反方向的三角形刀片电极，其位置满足：沿着气流方向电极间隙逐渐减小。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该共面与气道之间的夹角为90°。
5.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置应用于气体催化转化、空气消杀或污染治理。
6.一种如权利要求1至5所述的稳定等离子体放电装置的控制方法，其特征在于，该方法包括：
S1.初始化输入电压、待处理气体流速和磁场磁感应强度大小，使得第一电极和第二电极之间发生间隙击穿；
S2.改变输入电压、待处理气体流速、磁场磁感应强度大小中的至少一个，使得监测到的电压波动不超过设定阈值；
S3.实时监测第一电极和第二电极之间的电压，一旦监测到的电压波动超过设定阈值，则进入步骤S2。
7.一种稳定等离子体放电装置的控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的稳定等离子体放电装置的控制方法。
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