CN1159085C - 处理废气的装置及方法和其中应用的脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

一种使用电子流放电等离子体对包含在废气中的有毒成分进行去毒的废气处理方法，所述废气处理方法包括下述步骤：这样地调整在气体分解单元中产生的电子的电子密度，即位于所述气体分解单元中的废气流的上游侧的部分中电子密度高，而位于所述气体分解单元中的废气流的下游侧的部分中电子密度低；和通过在气体分解单元产生电子流放电等离子体，然后通过使废气流过该气体分解单元来对包含在废气中的有毒成分进行分解。

Description

处理废气的装置及方法和 其中应用的脉冲发生器
本发明总的涉及使用电子流放电等离子体(streamer discharge plasma)处理有毒或有害物质、诸如包含在热(电)发电厂、垃圾燃烧设施(即垃圾焚烧设备)、有毒物质处理设备及汽车的废气或烟气中的NOX及SOX或类似物的装置和方法。更具体地，本发明涉及电子流放电等离子体处理装置及方法，用于对包含在热电厂等的废气或烟气中的氮氧化物(以下写为NOX)及硫氧化物(以下写为SOX)进行分解及去毒。此外，本发明应用于在化工厂或类似工厂中产生的VOC(即挥发性有机化合物)气体进行分解及去毒。另外，本发明涉及在上述废气处理装置及方法中使用的脉冲发生器，更具体地，涉及在这样情况下作为电源使用的脉冲发生器，即电极被放置在例如由热电厂或类似设施排放的气体中，然后通过对这些电极提供脉冲功率(或能量)(即，通过在电极上施加脉冲电压)产生出(电子流放电)等离子，及通过电作用对有毒物质进行处理。
迄今，例如已采用了所谓氨催化还原法来分解NOX。此外，已采用了所谓石灰-石膏法来分解SOX。因此，所谓的化学处置或处理方法(工艺)已经成为从废气或烟气中除去其中的NOX及SOX的主要技术。
同时，近年来，一种电子流放电等离子体废气处理方法已被应用作为这种技术。在使用电子流放电等离子体处理废气中所含有毒物质的装置中，在(等离子体)反应室中产生出电子流放电等离子体。例如，在图15及16中分别表示出传统线对圆柱形反应室A及另一传统线对平板形反应室B的构造。在反应室A和B中分别通过在图15的线电极01及圆柱形电极02之间及在图16的线电极06及平板电极08之间分别地施加(相同的)高电压V0产生出电子流放电等离子体。
从电子流放电等离子体中产生(或得到)的电子受到电场的加速，使得这些电子变成高能电子。包含在电子流放电等离子体中的高能电子通过与有毒物质碰撞使有毒物质如NOX及SOX分解和去毒。例如，在分解NO的情况下，这种高能电子与NO及N2相碰撞，由此引起以下反应： ，于是NO被分解。
有助于NO分解的游离基浓度(radical density)是由投入或施加给电子流等离子体的能量确定的。此外，反应系统中反应成份的反应速率也被确定(顺便提及，当游离基浓度确定时就自然确定了NO的处理率)。
在传统的方法及系统中，使用了高容量的高压电源及高容量的反应室，以便产生出电子流放电等离子体。顺便提及，在图15及16中，标号04，05，010和011表示电流导入线。
但是，在如图15或16所示具有一个高压电源及一个反应室的反应器的情况下，恒定的能量被投入到整个反应室中，而不管有毒物质的浓度如何。因此，会引起反应室出口中有毒物质浓度低的区域上能量的过大浪费。结果增加了处理所需的能量。即，当有毒物质的浓度降低到反应室中的目标值时，在其浓度低的区域中将消耗不小于所需能量值的能量值。
此外，与传统的化学处置或处理方法相比较，传统的电子流放电等离子体废气处理方法具有很大优点，即其设备价廉且装设该设备所需的空间小。传统的电子流放电等离子体废气处理方法具有的大缺点是：产生电子流放电等离子体所需的能耗约为10Wh/Nm3，故略小于传统化学处置或处理方法情况下所需能耗(即约6Wh/Nm3)的两倍。
同时，用于产生高电压脉冲的脉冲发生器已被用作在实施电子流放电等离体废气处理方法的装置中所用的电源。
图17概要地表示使用同轴电缆的分布常数(或参数)类型的传统脉冲发生器的结构图。在该图中，标号1-1及1-2表示分布常数(或参数)线(即传输线)；3表示高压侧导线(或电线)；4表示低压侧导线；V0表示直流充电器；S1表示短路开关；V1-1及V1-2分别表示与分布常数线1-1及1-2相应的箭头方向上产生的电压；Z表示负载；及VP表示施加于负载Z的电压。
分布常数线1-1及1-2是同轴电缆，它们的特性阻抗分别为Z1a及Z1b，它们的长度为L。此外，每个分布常数线1-1及1-2的组成为：芯体(或芯线)1-1a及1-2a中的一个相应芯线；分别经过绝缘材料(未示出)包围芯线1-1a及1-2a的外导体1-1b和1-2b(由屏蔽编织物或覆盖材料或类似物制成)中的一个相应导体。顺便提及，后折点即后折部分是仅由无外层的芯线1-1a及1-2a构成的。这些芯线1-1a及1-2a彼此串联连接。另外，这些芯线的一端(输入侧部分)通过高压侧导线3连接到直流充电器V0。另一方面，外导体1-1b及1-2b通过短路开关S1侧的短路线5-1彼此相连接(即在输入侧端子或端部分上)并由此被短路。此外，外导体1-1b的输入侧端部分连接到用作低压侧导线4的地线。再者，外导体1-2b的输入侧端部通过短路开关S1连接到高压侧导线3。
在此情况下，作为电源工作的直流充电器V0的阻抗与负载Z的阻抗适配，即Z＝Z1a+Z1b。
此外，在分布常数线1-1及1-2的特性阻抗彼此相等的情况下，即，在使用十分相同的分布常数线1-1及1-2的情况下，在这些分布常数线1-1及1-2中的电压信号的(电压)传播速度彼此相等。在绝缘材料的介电常数为∈及其磁导率为μ的情况下，电压传播速度V由下式(1)给出：
V = 1 ∈ μ - - - ( 1 )
在这种脉冲发生器的情况下，短路开关S1在起始状态下是断开的。然后，由粗线表示的高压侧导线3借助直流充电器V0充电到电压V0。在此情况下，分布常数线1-1的输出电压V1-11为V0，而分布常数线1-2的输出电压V1-2为-V0。此外，施加于负载Z上的电压Vp为0。分别在分布常数线1-1及1-2中传播的电压波的合成是由图18(a)及图18(b)中时刻t＝0时刻所示的前向波及后向波的总和来表示的。
也即，图18(a)及18(b)表示在时刻t＝0，在接收到后完成短路开关S1的操作(即，导通)时分别在分布常数线1-1及1-2中传播的电压波的状态。更精确地说，相应于时刻t＝0的这些图代表极接近短路开关S1合闸之前的这些电压波的状态。在时刻t＝L/2v时，在分布常数线1-2中，在位于短路开关S1侧的短路开关侧部分中发生电压极性反转。相反地，在分布常数线1-1中不发生电压波的变化，因为分别位于短路开关S1侧及负载Z侧的短路开关侧端部及其负载侧端部为开端(确切说，这两个终端或端部被看作开端是因为能量的交换真正发生在负载及每个分布常数线1-1及1-2之间，但交换的能量被抵消)。
接着，在时刻t＝L/v时，位于负载Z侧的分布常数线1-2的负载侧端部被置入到短路状态，使得施加于负载Z的电压Vp变成V0。这引起在分布常数线1-1上出现电压变化。如上所述，充电器V0的阻抗与负载Z的阻抗相匹配，在分布常数线1-1及1-2中传播的电压波不被它们的端面反射，而是开始从其中传播到负载Z。随后，在时刻t＝L/v及t＝3L/v之间的时间期间产生的电压被施加于负载并被负载吸收，如图18(c)所示。其结果是，具有峰值(或电位)V0并具有脉冲宽度2L/v的电压被施加于负载Z，如图18(c)中所示。
然后，当短路开关S1释放即断开时，该脉冲发生器再次被置入初始状态。上述过程被重复地进行。
在峰值电压使用图17中所示装置升高的情况下，通过以彼此独立的方式叠置该装置形成图19所示构造的装置，所构造的装置能满足这种目的。
在图19中，标号V0表示直流充电器，S1，S2，…，SN表示短路开关，1-1，1-2，2-1，2-2，…N-1，N-2表示分布常数线；L表示每个分布常数线的长度；Z表示负载；Vp表示施加于负载Z的输出电压；3表示高压侧导线；4表示低压侧导线；5-1，5-2，5-N表示短路线。这里，应注意各对外导体((1-2b，2-1b)，(2-2b，3-1b)，…，((N-1)-2b，N-1b))中的每对作为上一级及下一级彼此相连接，并在分布常数线1-1，1-2，2-1，2-2，…，N-1，N-2的输出侧终端或端部通过连接线9-1，9-2，…，9-(N-1)相互串联连接。另一方面，外导体对((1-2b，2-1b)，(2-2b，3-1b)，…，((N-1)-2b，N-1b))在位于短路开关S1，S2，…，SN侧上的分布常数线1-1，1-2，2-1，2-2，…，N-1，N-2的输入侧端部彼此不相连接。图20中所示的电路是图19中所示电路的等效电路。在图20中，同样的标号表示图19电路中相同的部件。并且，这里省略了对于这些部件(冗余)的描述。
这里，考虑到使用如在该图中看到的从最下级(即第一级)到最上级(即第N级)的全部分布常数线1-1，1-2，2-1，2-2，…，N-1及N-2的情况，它们具有相同的特性阻抗及相同的长度。顺便地说，在该情况下，假定负载阻抗Z与电源阻抗相匹配，即，Z＝Z1a+Z1b+Z2a+Z2b+…+ZNa+ZNb。
在初始状态下，短路开关S1，S2，…，SN被断开。此外，由粗线所示的高压侧导线3借助直流充电器V0充电到电压V0。
当完成充电时，短路开关S1，S2，…，SN在时刻t＝0同时被导通。如果短路开关S1，S2，…，SN被完全同时地导通，在这时施加给负载2的电压Vp具有如图21中所示的波形。因此，将峰值电压为NV0而脉冲宽度为2L/v的脉冲提供给负载Z。
图22是表示使用平行平板的分布常数类型的另一传统脉冲发生器的结构的概图。在该图中相同的标号表示图6中相同的部分。
如图22所示，分布常数线11-1及11-2具有平板11-1a、11-2a及11-3，各个平板具有相同长度L及相同宽度W。此外，平板11-3这样地插在平板11-1a及11-2a之间，即，这三个平板彼此平行。在此时，平板11-2a具有连接到直流充电器V0对面的短路开关S1一个端部上的输入侧端部，并与平板11-1a类似地接地，平板11-1a具有连接到作为接地线的低压导线4的输入侧端部。平板11-3具有连接到高压侧导线3的输入侧端部。平板11-1a，11-2a及11-3由介电绝缘材料(或绝缘子)绝缘，它们分别插在相邻的平板(11-1a，11-3)之间及相邻的平板(11-3，11-2a)之间，并具有相同的介电常数∈，相同的磁导率μ及相同的厚度D，并具有类似于电容器的功能。
因此，由平板11-1a及11-3构成特性阻抗为Z11a的分布常数线11-1，而平板11-1b及11-3构成特性阻抗为Z11b的分布常数线11-2。
在此情况下(这些分布常数线11-1及11-2的)电容量C由下式给出：C＝2∈LW/D。
因此，通过改变尺寸(即长度L×宽度W)、厚度D或介电常数∈可使该电容量C增大到大的数值。
这里，应指出，直流充电器V0的阻抗与负载Z的阻抗相匹配，即，Z＝Z11a+Z11b。另外，分布常数线11-1及11-2具有相同的特性阻抗。即，在使用相同分布常数线11-1及11-2的情况下，在这些分布常数线中电压(波)的传播速度v彼此相等。
即使在上述由平行平板这样构成的脉冲发生器中，通过与由图5同轴电缆构成的脉冲发生器情况相似的作用，将如图18(C)中所示的脉冲电压提供给负载Z。
在使用图22中所示电路升高峰值电压的情况下，通过以彼此独立的方式叠置这些在图22中所示的电路或单元形成图23中所示结构的装置，该装置能满足这种目的。该装置相应于图19中所示的装置。于是，在图23中，相同的标号表示图19的相同部分。此外省略了对该部分冗余的描述。
通过叠置N(级)具有图22中所示结构的并用作组成单元的脉冲发生器可获得图23的脉冲发生器。即，该装置具有N级分布常数线11-1，11-2，12-1，12-2，…，NN-1，NN-2，它们由平行平板构成。顺便地说，在上及下级的每对(或级)中，单个平板既用作下级的上方平板又用作上级的下方平板。
即使在这种脉冲发生器的情况下，在完成预定准备时通过同时导通短路开关S1，S2，…，SN产生出如图21所示的脉冲电压，类似于图19中脉冲发生器的情况。
但是，在借助于图19及23所示结构的脉冲发生器产生脉冲的情况下，必须使这些短路开关S1，S2，…，SN同时地导通，然而这些开关的每个其操作不是与另外的那些开关精确定时(即完全同步)地执行，并由此可看到输出电压Vp下降的现象。这是因为，脉冲宽度是纳秒(ns)等级的，因此非常短；由此，因分别相应于短路开关S1，S2，…SN的导线阻抗之间的差别引起的触发电压的施加或放电的延时影响被加大，要使短路开关的导通操作同步是困难的(即，使N个开关同时导通是困难的)。
如果在触发电压施加时产生延时，三个电路的输出电压Vp例如具有图24中所示的波形A、B及C。于是，由这三个脉冲A、B及C合成的合成脉冲(A+B+C)具有如该图中所示的波形。结果，未获得具有100ns脉冲宽度及3V0峰值电压的理想波形。
本发明是鉴于传统装置及方法的上述各种问题作出的。
因此，本发明的第一目的是提供一种多级废气处理装置，它能减少气体处理反应器的能耗并减小其尺寸及重量，该气体处理反应器被供以来自高电压的能量及具有一个用于产生电子流放电等离子体的反应室并通过使废气流过该室而将有毒物质分解。
另外，本发明的第二目的是提供一种电子流放电等离子体气体处理装置及方法，它通过防止其电力(或功率)的损耗超过使用传统化学处理或处置方法的情况中的能耗来节省能量。
再者，本发明的第三目的是提供一种脉冲发生器，它能将彼此并联的多个脉冲发生部分的输出提供给负载并使脉冲具有理想波形。
为了达到上述第一目的，根据本发明的一个方面，提出一种通过将反应室划分成多个反应分室、然后将多个反应分室串联连接成多个级构成的废气处理装置。并且，该装置适于：将大能量投入上游的反应分室，并随着待提供能量的反应分室变得愈接近最下游的反应分室时投入反应分室的能量逐渐减小(对多个室的每个相继下游侧室提供较小的能量)。顺便地说，当多个反应分室串联连接时，多级反应分室可连接成一种曲折构形或同轴地布置。
利用根据本发明气体处理反应器或装置及方法的上述构型可使投入下游的反应分室中的能量耗损减至最小。此外，通过根据在每个反应分室入口处有毒物质的浓度设置投入能量可使处理有毒物质的效率提高。
此外，为了实现本发明的上述第二目的，提供了一种使用电子流放电等离子体对包含在废气中的有毒成分或组分进行去毒的电子流放电等离子体废气处理装置。在该装置中，在气体分解单元中产生的电子的电子密度被这样地调整，即位于该单元废气流的前侧或上游侧(即上游一侧)处的部分中的电子密度高，而位于该单元废气流的后侧(即下游侧(就是下游一侧))处的部分中的电子密度低。
再者，上述电子流放电等离子体废气处理装置这样地被应用，即在气体分离单元中用于产生电子流放电等离子体的线圈的圈数密度(或称为导线密度(即单位长度的圈数))在位于该单元废气流的上游侧的部分中为高(或大)，而在位于该单元废气流的下游侧的部分中线圈密度为低。
另外，在上述电子流放电等离子体废气处理装置中，气体分解单元中废气的流速在位于该单元废气流上游侧的(前侧(或上游侧))部分中被调整到低值，而在位于该单元废气流的下游侧的(后侧或(下游侧)部分中被调整到高值。
除这些以外，根据一种电子流放电等离子废气处理方法，通过使用上述电子流放电等离子体废气处理装置之一对有毒成分或组分去毒。
顺便提一下，这里所称的“电子流放电等离子体”是在其中放电路径已形成的放电初始条件下的放电等离子。因此，“电子流放电等离子体”在处理废气时是有效的。
并且，在废气中，有毒成分，即NOX或SOX的浓度在位于该单元的废气流的上游侧(即在入口侧)的部分中为高，而这种有毒成分的浓度在位于该单元的废气流的下游侧(即出口侧)的部分中为低。此外，已经知道，因为有毒成分如NOX或SOX的分子被电子流放电等离子体产生的高能电子分解，在气体分解单元的下游侧部分中高能电子产生率低于该单元的上游侧部分的高能电子产生率。因此，根据本发明的技术，这样应用气体分解单元，即使得高能电子产生率相应于(即正比于)NOX或SOX的浓度(或分子数)。由此，防止提供过大的能量，尤其是在下游侧部分。
应指出，这里所称的“电子产生率”规定为单位容量(或容积)的废气及单位时间所产生的电子数目，即废气的电子密度(/cm3·sec)。因此，本发明通过建立(废气的)电子密度和待分解的气体成分浓度之间的比例关系来获得节能。此外，在本发明的装置及方法的描述中，“(电子密度设置成)在上游侧部分中为高，而在下游侧部分中为低”的表达意味着电子密度是这样设置的，即在从废气上游侧流向其下游侧的方向上是减小的。
此外，为获得本发明的上述第三目的，本发明的脉冲发生器使用以下结构：
(1)本发明的脉冲发生器包括：
多个相同结构的级，各设有具有高电压侧输入(侧)端部的分布常数线，这些输入端部共同连接到与直流充电器的高电压侧端部相连接的高电压侧导线上，并还具有低电压侧输入(侧)端部，它们共同连接到与直流充电器低电压侧端部相连接的作为低压侧导线的接地线上；
各自相应于各级的相邻上一及下一分布常数线的相邻分布常数线的低电压侧输出(侧)部分，它们顺序地或串联地连接；
在最上级的最上一个分布常数线的低电压侧输出(侧)端部及在最下级的最下一个分布常数线的低电压侧输出(侧)端部之间连接的负载；及
连接在高电压侧导线及低电压侧导线之间的短路开关。
(2)在上述的结构(1)中，分别用于每个单级部件单元的分布常数线的芯线析四部分连接到高压侧导线上。另外经过绝缘材料围绕着非连接到高压侧导线的剩余芯线部分的两个外部导体被连接到低压侧导线。此外，相邻外部导体的输入侧端部由一个短路线被短路。
(3)在上述结构(1)中，分别用于每个单级部件单元的分布常数线的各具有U形截面的两个平板被连接到低侧导线。此外，通过绝缘材料插入在各具有U形截面的两个平板之间的另外两个平板被连接到高压侧导线。另外，与低压侧导线相连接的平板在其输入(侧)端部被短路线短路。再者，与高压侧导线相连接的平板在其输出(侧)端部被短路线短路。
(4)在上述结构(1)中，分别用作每个单级部件单元的分布常数线的彼此以平行方式设置的平板被连接到低压侧导线。此外，以平行于这两平行平板的方式插入在这两个平行平板之间的另一平板被连接到高压侧导线。
从以下参照附图对优选实施例的描述中可阐明本发明的另外特征，目的及点，在附图的多个图中的相同标号表示相同或相应的部分，其附图为：
图1是表示本发明第一实施例的废气处理反应器的线对圆柱形反应室的结构的概图；
图2是表示本发明第一实施例的废气处理反应器的线对平板形反应室的结构的概图；
图3是表示处理有毒物质所需能量及有毒物质的每个量之间关系的曲线图，由于它们初始浓度不同而彼此的曲线不同；
图4是表示用于两者比较的本发明的多级反应室及传统反应室的能耗状态之间的关系的曲线图；
图5是表示本发明第二实施例的废气处理反应器的曲折形多级反应室的结构的概图；
图6是表示本发明第三实施例的废气处理反应器的同轴多层多级反应室的结构的概图；
图7是表示本发明第四实施例的结构的透视图；
图8是表示本发明第五实施例的结构的透视图；
图9是表示在本发明该实施例中电子密度及NO分解率(即NO的分解速率)之间关系的曲线图；
图10是表示本发明的脉冲发生器第一例的概图；
图11是表示图10中脉冲发生器的等效电路的电路图；
图12是表示图10及14的脉冲发生器的输出电压波形的波形图；
图13(a)是表示本发明的脉冲发生器的第二例中一个部件单元的概图；
图13(b)是表示本发明的脉冲发生器的第二例中一个部件结构的框图；
图14是表示本发明的脉冲发生器的第二例的整体结构的概图；
图15是表示传统废气处理的反应器的线对圆柱形反应室的结构的概图；
图16是表示传统废气处理反应器的线对平板反应室的结构的概图；
图17是表示使用同轴电缆的分布常数型传统脉冲发生器的结构的概图；
图18是表示图17的脉冲发生器中脉冲发生原理的波形图；
图19是表示将图17所示的每个脉冲发生器叠置多级而具有大容量的脉冲发生器的结构的概图；
图20是表示图19的脉冲发生器的等效电路的电路图；
图21是表示图19及23的脉冲发生器的理想输出波形的波形图；
图22是表示使用平行平板的分布常数型传统脉冲发生器的结构的概图；
图23是表示将图22中所示的每个脉冲发生器叠置多纵而具有大容量的脉冲发生器的结构的概图；及
图24是表示图19及23的脉冲发生器的实际输出波形的波形图。
以下，参照附图来具体、详细地描述本发明的优选实施例，即实施本发明的废气处理装置(或多级废气处理反应器)。
废气处理装置的第一实施例
首先，以下将描述实施本发明的废气处理装置的第一例。图1表示该装置的每个反应室作成线对圆柱体形状的例子；图2表示该装置的每个反应室作成具有线对平板结构形式的例子。图1中装置的例子的工作原理与图2中装置的例子的工作原理相同。如图1及2所示，n级反应室R-1，R-2，…及Rn在废气流动的方向上相串联连接。此外，高压电源或供电器V1，V2，…及Vn分别与反应室R-1，R-2，…及Rn相连接。
在图3中表示了处理有毒物质所需能量与各有毒物质的量(即它们的排除率)之间的关系，这些有毒物质的量由于其初始浓度的不同而彼此不同。
如从图3的特性曲线即曲线图中所看到的，如果有毒物质的初始浓度高，实现相同排除率所需的能量增加。相反地，通过将与有毒物质浓度相对应的能量投入到该装置的反应室中可减少该装置的能耗。
有助于有毒物质分解的游离基浓度是由有毒物质的初始浓度及投入或施加到电子流放电等离子体的能量确定的。另外，反应系统的反应成分的反应速率也被确定。因此，当有毒物质的初始浓度愈低，获得相同排除率而投入及所需的能量就愈低(即，当其初始浓度低时，待分解的有毒物质的分子数目减少，结果可通过对装置投入低能量来达到有毒物质的分解)。
如图4所示，反应室R1放置在废气的上游侧，使在该反应室中有毒物质的浓度高。于是，对其投入了高能量E1，以使得相应于初始浓度50％左右的有毒物质的量被处理或分解。然后小于能量E1的最佳能量E2被投入或施加到反应室R2，以使得相应于初始浓度50％左右的有毒物质的量(即，反应室R1中其初始浓度的75％)被处理或分解了。然后，处理被重复进行，直到在反应室Rn中有毒物质被完全分解为止。于是，通过减少投入能量将有毒物质排除到它的一定浓度(表示为反应室R1中有毒物质初始浓度的{1-(50/100)n}％)。由此使投入的能量显著地减少。
通过将相应于废气中所含有毒物质的浓度的能量投入到反应室中可增大有毒物质的处理效率(即，对废气中所含有毒物质的浓度高的上游侧反应室施加(相对)高的能量，而对废气中所含有毒物质的浓度低的下游侧反应室施加(相对)低的能量)。例如，在该装置具有三级反应室的情况下，在第一级(或反应室)中分解了相应于其初始浓度50％左右的有毒物质的量。然后，在第二级中进一步分解了相应于其剩余浓度50％左右的另一部分有毒物质的量。接着，在第三级中又进而分解了相应于剩余浓度50％左右的又一部分有毒物质的量。最后，在第三级中分解了相应于初始浓度87.5％(即，(1-0.53)×100％)的有毒物质的量。在这种情况下，与在常规装置中的情况下需要的能量相比减少了30％左右的所需要的能量。
因此，由于利用多级结构的结果，即在这种方法中利用多个废气处理反应室，通过任意地选择投入到每个反应室中的能量使该装置工作在最佳状态下，如下列表1中所描述的。随便提一下，在这个表中，符号 a、 b和 c代表三种情况。此外，栏(1)、(2)和(3)代表排除率。
                      表1
    (1)     (2)     (3)
     a：     40％     60％     50％
     b：     50％     50％     50％
     c：     60％     60％     60％
此外，根据有毒物质的类型通过设置相应于每个级的处理速率能够确定级数(例如，在相应于每个级的排除率是30％和级数是5的情况下，排除了相应于初始浓度83％(因为(1-0.73)×100％＝83％)的有毒物质的量)。除了线对圆柱体结构和线对平板结构之外的其它结构的室可以被用作为反应室。借助于一个把反应室连接到一个用于检测有毒物质的类型和测量其浓度的装置(没有示出)上的控制器能够控制投入到每级中的能量。
废气处理装置的第二实施例
下面结合附图5来描述根据本发明的废气处理装置的第二实施例。
这个废气处理装置或反应器，即第二实施例利用了一个通过把若干个级的反应室连接起来得到的多级反应器系统，每一级包括一个外圆柱电极15和一个内线(或直线)电极16，类似一个曲折图形。
与在第一实施例中的情况类似，当待被提供能量的反应室变为更接近最下游侧反应室时，待投入到一个反应室中的能量被减少。在第二实施例的情况下，通过把若干个级的反应室17串联连接成一个曲折图形，整个反应器系统的尺寸被减小(即，整个反应器系统的尺寸可小型化)。
废气处理装置的第三实施例
下面结合附图6来描述根据本发明的废气处理装置的第三实施例。
在这个废气处理装置，即第三实施例的情况下，外部圆柱电极30和40按顺序同轴地被插入到一个外部圆柱电极20中，以致于反应系统由同轴设置的外部圆柱电极构成。直线电极21、31和41分别与圆柱电极20、30和40相对应。在图6中，黑色箭头表示处理气体的流向。
通过利用这样一个结构能够使处理装置的第三实施例的尺寸小型化，即在该结构中，待处理的废气在同轴反应室中从最内侧反应室到最外侧反应室来回交替地流动。在这种情况下，这种处理装置可用来使待处理的废气在同轴反应室中从最外侧反应室到最内侧反应室来回交替地流动。因此，整个废气处理装置能够被制造得小型化。
如上所述，在本发明的废气处理装置的情况下，能量是由高电压电源提供的。此外，在废气流动的方向上用于产生电子流放电等离子体的每个反应室被串联连接成若干个级。因此，当待被提供能量的反应室变为更接近最下游侧反应室时，待投入到一个反应室中的能量被减少(更少的能量被提供给若干个室的更下游侧反应室)。因而该装置的功率损耗能够被减小。此外，通过把若干个级的反应室17串联连接成一个曲折图形或通过同轴地设置若干个级的反应室，能够实现该装置的小型化。
废气处理装置的第四实施例
图7示出了一个气体分解单元的结构，该气体分解单元是实施本发明的(电子流放电等离子体)废气处理装置的第四实施例的一个主要部分。该气体分解单元设置有一个缠绕有线圈53的内侧圆柱体53和一个包围着内侧圆柱体53的外侧圆柱体52。此外，在内侧圆柱体53和外侧圆柱体52之间形成一个环形空间通道部分54。外侧圆柱体52是一个空心的圆柱体并且由像SUS这样导电材料构成。此外，内侧圆柱体53也一个空心的圆柱体并且由像特氟隆(Teflon)(“Teflon”是聚四氟乙烯的商标)、玻璃或陶瓷这样绝缘材料构成。内侧圆柱体53和外侧圆柱体52是同轴被设置的。此外，环形空间通道部分54的环形横截面的宽度(ΔR＝R-r)、内侧圆柱体53的外径r和外侧圆柱体52的内径R在气体分解单元的纵向上是恒定的。
线圈51的匝数的“密度”(即，导线密度)这样地被设置，即在气体分解单元的前侧(即上游侧)中导线密度是高的，和在气体分解单元的后侧(即下游侧)中导线密度是低的。这样设置线圈51的导线密度的高值和低值，以使高能电子产生率相应于NOX或SOX的浓度(或分子数)来变化。由此，气体分解单元设计成，在气体分解单元的前侧(即上游侧)中电子密度是高的，和在气体分解单元的后侧(即下游侧)中电子密度是低的。在此，应该指出的是：说法“相应于…变化”一般意味着例如：  电子密度沿着如在图9(将在后面解释)中所示的一个曲线变化。通常，在每个工厂使用几十个或几百个单个气体分解单元(或圆柱体)，每个气体分解单元的直径是几十厘米(cm)，其长度是五到十米(m)。此外，在每个单个气体分解单元中线圈51的总匝数通常是在从几十到几百的范围内。
在上述结构的实施例的情况下，包含像NOx和SOx这样的有毒成分的废气流过在内侧圆柱体53和外侧圆柱体52之间的环形空间通道部分54。另一方面，一个高压超短脉冲(例如，它的脉冲宽度是30ns和它的电压是29kV)从电源(没有示出)提供给线圈51。结果，在该单元(或装置)中产生电子流放电等离子体。因此大量的高能电子被产生。因而，例如NOx被分解成N2和O2。此外，该单元还适用于使高能电子的产生率对应于NOx、SOx或类似物的浓度(分子数)而变化。由此，防止过量的能量提供给气体分解单元。
废气处理装置的第五实施例
图8示出了一个气体分解单元的结构，该气体分解单元是实施本发明的(电子流放电等离子体)废气处理装置的第五实施例的一个主要部分。该气体分解单元设置有一个缠绕有线圈71的内侧圆柱体73和一个外侧圆柱体72。此外，在内侧圆柱体73和外侧圆柱体72之间形成一个环形空间(锥形)通道部分74。外侧圆柱体72是一个空心的圆柱体并且由像SUS这样导电材料构成。此外，内侧圆柱体73也一个空心的圆柱体并且由像特氟隆、玻璃或陶瓷这样绝缘材料构成。内侧圆柱体73和外侧圆柱体72是同轴被设置的。此外，环形空间通道部分74的环形横截面的宽度(ΔR＝R-r)在气体分解单元的纵向上是恒定的，而内侧圆柱体73的外径r和外侧圆柱体72的内径R设置成，朝向最下游端部逐渐地和连续地减小。同时，线圈71的匝数(即，导线密度)的“密度”被设置成恒定。
由此，在气体分解单元的入口(即在前面或上游侧)侧上的一部分中废气的滞留(或保留)时间是(相对)长的，而在气体分解单元的出口(即在后面或下游侧)侧上的一部分中废气的滞留(或保留)时间是(相对)短的。换句话说，废气的流速设置成，在气体分解单元的前面即上游侧上的一部分中废气流速是低的，而在气体分解单元的后面即下游侧上的一部分中废气流速是高的。通常，在每个工厂使用几十个或几百个单个气体分解单元(或圆柱体)，每个气体分解单元的直径是几十厘米(cm)，其长度是五到十米(m)。此外，在每单个气体分解单元中线圈71的总匝数通常是在从几十到几百的范围内。
因此，该实施例获得了与由于在气体分解单元的前侧(即上游侧)部分中电子密度是高的，和在气体分解单元的后侧(即下游侧)部分中电子密度是低的结果所获得的优点和效果等效的优点和效果。换句话说，废气处理装置的第五实施例获得了与第一实施例等效的优点和效果。这是因为电子密度(/cm3·sec)与每单位废气的体积和每单位时间的电子数相对应。随便说一下，外侧圆柱体72的内径R和内侧圆柱体73的外径r这样地设置从而能够获得上述优点和效果。
在上述结构的第五实施例的情况下，包含像NOx和SOx这样的有毒成分的废气流过在内侧圆柱体73和外侧圆柱体72之间的环形空间通道部分74。另一方面，一个高压超短脉冲(例如，它的脉冲宽度是30ns和它的电压是29kV)从电源(没有示出)提供给线圈71。结果，在该单元(或装置)中产生电子流放电等离子体。因此大量的高能电子被产生。因而，例如NOx被分解成N2和O2。此外，该单元适用于使高能电子的产生率对应于NOx、SOx或类似物的浓度(分子数)而变化。由此，防止过量的能量提供给气体分解单元。
比较实施例和第一和第二工作实施例
在单元的入口上废气的流速是150升(l)/分(min)的条件下通过使包含NO的一种废气，即浓度为200ppm的废气流过来试验下列每个比较实施例和第一和第二示范实施例的性能。
比较实施例是采用的常规装置，在废气处理单元的纵向上线圈的圈数是恒定的并且气体的滞留时间是恒定的。
第一示范实施例与在图7中所示的实施例相对应。此外，线圈51的导线密度设置成，在气体分解单元的前侧部分中导线密度是高的，而在气体分解单元的后侧部分中导线密度是低的，以实现电子密度沿着图9的直线61减小的条件。
第二示范实施例与在图8中所示的实施例相对应。该装置的实施例设置成，环形空间通道部分74的环形横截面的宽度(ΔR＝R-r)在气体分解单元的纵向上是恒定的，而内侧圆柱体73的外径r和外侧圆柱体72的内径R在朝着下游端部的方向逐渐地和连续地减小。因此，该装置的实施例设置成，使电子密度沿着图9的直线61方向减小，与第一示范
实施例中的情况类似。
随便说一下，如在图9中明显看到的，分解率ζN在位于距离气体分解单元的大约(1/5)长度的一个位置上一般接近于70％。此外，可以发现分解率逐渐地变化。
在下列表2中，相对于NO分解率的各个值描述了第一和第二示范实施例的功率损耗与比较实施例(即，常规装置或方法)的功率损耗的比。在每个线圈51和71上提供有由超短电压脉冲(脉冲宽度是30ns)的高电压(即，20kV)。在本发明的第一和第二工作实施例的情况下，功率损耗不大于在比较实施例的情况下的功率损耗。因此，可以肯定本发明的工作实施例比常规装置或方法具有明显的节省功率的优点。
随便说一下，在本发明的第一和第二工作实施例的情况下，利用一个小型的单个单元即直径为96mm和长度为3.5的圆柱体来进行试验。线圈的总匝数是350。
                               表2
    常规方法     本发明的第一工作实施例     本发明的第二工作实施例
80％的NO被分解     1.00     0.49     0.50
90％的NO被分解     1.00     0.43     0.42
95％的NO被分解     1.00     0.38     0.39
如从前面描述中明显看到的，根据本发明，在气体分解单元中高能电子的产生率这样地变化，即相应于有毒物质NOx和SOx的浓度(即分子数)(即与浓度成正比)来变化。因此，在气体分解单元的后侧或下游侧部分中功率损耗被显著地减小。此外，在气体分解单元的前侧即上游侧部分中的电子密度足以实现有毒物质的分解。因此气体分解特性没有变坏。由此，整个装置的能量损耗能够被显著地降低。
脉冲发生器的第一实施例
图10是表示本发明的脉冲发生器的第一实施例的概图。图11是表示图10中脉冲发生器的等效电路的电路图。这个实施例是通过改进图19的脉冲发生器而获得的。因此，相同的附图标记代表图19中的相同的部分。在此省略对这些部分的描述。
如在图10中所示的，在一个直流充电器V0和第一级的分布常数线1-2的外导体1-2b的输入端部之间仅设置有一个短路开关S1。每个级的外导体(1-2b、2-2a)、  (2-2b、…、N-2a)的输入端部借助于接地线6-1、6-2、…、6-(N-1)相互连接。从而外导体1-1b、1-2b、2-1b、2-2b、…、N-1b、N-2b是在地电位。
在此应该指出的是：从底部即第一级到顶部即第N级的所有级均使用了分布常数线1-1、1-2、2-1、2-2、…、N-1、N-2，每个分布常数线具有相同的特性阻抗和相同的长度。此外，一个负载Z的阻抗与功率源或电源的阻抗相匹配。
在这种脉冲发生器中，短路开关S1在初始状态下断开。此外，由一个粗线表示的高压侧导线3借助于直流充电器V0被充电到电压V0。直到充电完成时，如果短路开关S1在t＝0的时刻上被导通，那么在每一对分布常数线(1-1、1-2)、(2-1、2-2)、…、(N-1、N-2)中产生一个脉冲宽度为(2L/v)和峰值电压为V0的脉冲电压。由于这些电压脉冲叠加的结果，一个N倍于电压Vp的电压提供给负载Z，如在图12中所示的。因此，一个峰值电压为NV0和脉冲宽度为(2L/v)的脉冲提供给负载Z。此后，当短路开关S1被关断时，该装置再次处在初始状态。随后上述的过程被重复地进行。
脉冲发生器的第二实施例
图13(a)、13(b)和14是表示本发明的脉冲发生器的第二实施例的概图。这个实施例是通过改进图12的脉冲发生器而获得的。因此，相同的附图标记代表与图12中相同的部分。在此省略对这些部分的描述。
图13(a)是用于表示用作第二实施例的第一级的一个脉冲发生单元概图。如在该图中所示的，这个脉冲发生单元具有分布常数线21-1和21-2。这些分布常数线21-1和21-2具有平板21-1b和21-2b和平板21-1a和21-2a，其中平板21-1b和21-2b被向后折成一个字母“U”形，而平板21-1a和21-2a被分别插入到折成一个字母“U”形的平板21-1b和21-2b中。此外，具有相同介电常数ε、相同磁导率μ和相同厚度D的介电绝缘材料设置在平板21-1a和平板21-1b以及21-2b和21-2a之间。
平板21-1a和21-2a的输出端部通过一个短路线7被相互连接。此外，平板21-1b的输入端部与高压侧导线3连接。此外，平板21-1b和21-2b输入端部通过短路线8被相互连接并且被接地。
该实施例的脉冲发生器是通过把部分单元叠加起来构成的，每个部分单元包括作为多级的分布常数线21-1和21-2。因此，该实施例由一个方框来表示，如在图13(b)中所示。在下面的描述中，假设分布常数线I、II、…、N由这个方框来表示。
此外，符号“I”、“II”和“N”分别地代表第一级分布常数线、第二级分布常数线和第N级分布常数线。在图13(b)中端子 a、 b、c、 d和 s分别与图13(a)中端子 a、 b、 c、 d和 s相对应。因此，在第一级的分布常数线的情况下，端子 s与高压侧导线3连接。类似地，端子 b与低压侧导线4连接。此外，端子 c和 d相互连接。而且，端子 s通过通过短路开关S1与高压侧导线3连接。
此外，这时，端子 a与平板21-2a输入(侧)端部连接。端子 b与平板21-1b输入(侧)端部连接。此外，端子 c与平板21-2b输出(侧)端部连接。端子 d与平板2 1-1b输出(侧)端部连接。此外，端子 s与短路开关8连接。因此，在短路开关S1断开的一个充电状态中，平板21-1a和21-2a是在一个高电位上，而平板21-1b和21-2b是在地电位。
图14是表示该实施例的一个脉冲发生器，该脉冲发生器是通过把在图13(b)中所示的部分单元叠加起来构成的，在图14中，相同的附图标记代表与图10中相同的部分。在此省略对这些部分的描述。
如在图14中所示的，分布常数线“I”、“II”和“N”端子 a与高压侧导线3连接。此外，分布常数线“I”、“II”和“N”端子 b通过低压侧导线4相互连接。此外，单个短路开关S1被连接在高压侧导线3和低压侧导线4之间。
各相邻对的两个级中较低的一个级的端子 c通过连接线9-1、9-2、…、9-(N-1)中的一个相应的线顺序地与两个级中的较高的一个级的端子 d连接。此外，负载Z被连接在顶级的端子 c，即分布常数线N的端子 c和底级的端子 d，即分布常数线I的端子 d之间。此外端子 s被释放或被断开。在此应该指出的是：从底部即第一级到顶部即第N级的所有级的分布常数线I到N具有相同的特性阻抗和相同的长度。另外，负载Z的阻抗与作为电源的一个直流充电器的阻抗相匹配。
在这种脉冲发生器中，短路开关S1在初始状态下被释放。此外，高压侧平板21-1a和21-2a借助于直流充电器V0被充电到电压V0。直到充电完成时，如果短路开关S1在t＝0的时刻上被导通，那么在各个分布常数线I到N中产生的脉冲电压被叠加。由于这些电压脉冲叠加的结果，提供给负载Z的电压Vp，如在图12中所示。因此，一个峰值电压为NV0和脉冲宽度为2L/v的脉冲被提供给负载Z，它与在上述实施例的情况类似。此后，当短路开关S1被关断时，该装置再次处在初始状态。随后上述的过程被重复地进行。
随便说一下，通过增大高压侧平板21-1a和21-2a和低压侧平板21-1b和21-2b的区域，并通过使在平板之间的间隙变窄或通过利用一个具有高电介质常数的介电物质作为插入在平板之间的绝缘材料来增加每个部分单元的电容。结果，整个脉冲发生器的电容能够被增大。
此外，在上述实施例的情况下，分布常数线I到N的每个部分单元是由分布常数线21-1和21-2构成的。然而，每个部分单元并不限于分布常数线21-1和21-2。例如，如果每个部分单元是由图22的分布常数线11-1和11-2构成的，那么能够获得相同的优点和效果。这时，图13(a)和13(b)中的端子 a与平板11-3连接。此外，假设从那时起端子 b类似地与位于平板11-1a的直流充电器V0侧上的端部连接。而且，端子c与位于平板11-1a的直流充电器V0侧相对侧上的相对侧端部连接。此外，端子 c与位于平板11-1b的直流充电器V0侧相对侧上的相对侧端部连接。
如在上面所描述的本发明的例子或实施例，在本发明的装置或方法的情况下，作为直流充电器V0的一个输出电压的高电压通过单个短路开关S1同时提供给并联连接的分布常数线1-1、1-2、2-1、2-2、…、N-1和N-2。该线路利用了在分布常数线1-1、1-2、2-1、2-2、…、N-1和N-2之间传播(延迟)时间的差别。由于在分布常数线1-1、1-2、2-1、2-2、…、N-1和N-2的开关侧S1上的外导体1-1b、1-2b、2-1b、2-2b、…、N-1b和N-2b接地的结果，这些外导体可由粗线表示的高压侧导线3和单个短路开关S1同时短路。
利用这种结构，单个短路开关S1是足够的。这就消除了产生下列问题的可能性，即短路开关S1以不精确的定时(即与其它开关的定时不完全同步)进行导通操作，与在常规装置中的情况类似。因而，能够防止输出电压的减小。因此，利用一个单个短路开关能够操作本发明的脉冲发生器。从而，本发明消除了常规装置的问题，即多个短路开关的导通操作与另一个开关不精确同步地进行以及输出电压下降。因而，根据本发明能够获得希望的或理想的大的电压脉冲。
虽然在上面已经描述了本发明的最佳实施例。但是，应该理解的是本发明不限于这些实施例，其它变型对于本领域的技术人员来说是显而易见的，它们没有脱离本发明的精神。
因此，本发明的保护范围完全由附加权利要求来确定。

Claims (3)

1.一种使用电子流放电等离子体对包含在废气中的有毒成分进行去毒的废气处理方法，所述废气处理方法包括下述步骤：
这样地调整在气体分解单元中产生的电子的电子密度，即位于所述气体分解单元中的废气流的上游侧的部分中电子密度高，而位于所述气体分解单元中的废气流的下游侧的部分中电子密度低；和
通过在气体分解单元产生电子流放电等离子体，然后通过使废气流过该气体分解单元来对包含在废气中的有毒成分进行分解。
2.根据权利要求1的废气处理方法，其特征在于：还包括步骤：预先调整在所述气体分解单元中用于产生电子流放电等离子体的线圈的匝数密度，使在位于所述气体分解单元中的废气流的上游侧的部分中匝数密度为高，而在位于所述气体分解单元中的废气流的下游侧的部分中匝数密度为低。
3.根据权利要求1或2的废气处理方法，其特征在于：还包括步骤：调整在所述气体分解单元中废气的流速，使得在位于所述气体分解单元中的废气流的上游侧的部分中流速被调整到低值，而在位于所述气体分解单元中的废气流的下游侧的部分中流速被调整到高值。
CNB011194545A 1996-04-04 1997-04-03 处理废气的装置及方法和其中应用的脉冲发生器 Expired - Fee Related CN1159085C (zh)

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