CN2535118Y - 立式优化时空分布的随机性流光放电反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，该反应器由气体入口、等离子体化学反应区、放电极、高压连接线、高压电源、接地极及气体出口等部分构成，所述等离子体化学反应区由放电极和接地极组成一个或多个单元，每个单元由一段或多段构成，所述放电极平行于气流方向设置，并均匀分布在所述接地极之间，对于由放电极和接地极构成的极配进行了优选。所述高压电源的输出电压为直流基压与周期为6.67微秒－62.5微秒的周期性电压叠加。该反应器具有良好的时空分布性能，还具有反应器体积小、能量效率高、价格低的优点。适用于处理烟气量在20000m³/h以下的锅炉烟气。

Description

立式优化时空分布的随机性流光放电反应器

技术领域：

本实用新型涉及等离子体化学领域，特别是在不含有介质阻挡层的电极间隙中产生时空分布优化的随机性流光放电非热等离子体的化学反应器。

背景技术：

等离子体反应器包含等离子体发生器和相应的反应器，在等离子体发生器方面涉及用高压电源引发气体流光放电发生非热等离子体，在反应器方面涉及在不同反应区内采用不同放电系统发生等离子体化学反应。

目前采用的一种同步性流光放电，是用脉冲宽度为几十至几百纳秒的高电压发生流光放电时，每个脉冲激发的流光放电在放电极各尖端、在若干纳秒时间范围内同时发生，每个流光放电的电流脉冲宽度为几十至百余纳秒；另一种随机性流光放电，是在两电极间设固体绝缘介质阻挡层，并在两极施加交流高电压，在每半个电压周期内，在电极与固体表面间发生微流光放电，每个流光放电的电流脉冲宽度为十几纳秒，这些流光放电在空间上随机地发生在不同部位，在时间上随机地分布在若干毫秒的范围。上述两种类型的流光放电都能在反应器中引发显著的化学反应，但在工业应用上，前一种电源昂贵，后一种能量效率低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，该反应器不含有介质阻挡层，具有良好的时空分布性能，还具有反应器体积小、能量效率高、价格低的优点。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，包括气体入口1、等离子体化学反应区2、放电极3、高压连接线4、高压电源5、接地极6和气体出口7。气体入口1位于等离子体化学反应区2的上端或下端，气体出口7则相对应地位于等离子体化学反应区2的下端或上端，所述等离子体化学反应区2由放电极3和接地极6组成一个单元或多个单元并联，每个单元由一段或多段串联构成，所述放电极3平行于气流方向设置，并均匀安置在所述接地极6之间，所述高压电源5通过高压连接线4与放电极3连接，高压电源5输出电压为直流基压与周期性电压叠加。所述高压电源5的周期电压周期为6.67微秒--62.5微秒。所述接地极6的形状为平板时，放电极3与接地极6之间的异极距为1cm-30cm；所述接地极6的形状为圆筒或正多边形筒时，放电极3设置在筒的轴心位置，放电极3与接地极6之间的异极距为1cm-30cm。所述接地极6为导体或绝缘体，朝向放电极3的表面为光面，或多孔介质面，或敷有高比表面积衬物。所述放电极3为十字锯齿型或米字锯齿型，齿间距δ为1mm--10mm，齿高χ为0.5mm--10mm，杆芯直径d为5mm--25mm，锯基高μ为0mm--5mm，放电极长L为0.1m--15m，朝向接地极(3)相邻锯齿面夹角α为45°-90°。

本实用新型公开的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器与含有介质阻挡层的随机性流光放电与同步性流光放电相比，具有如下的有益效果：

1、具有良好的时间分布性能，能量效率高。立式优化时空分布的随机性流光放电反应器采用直流基压叠加周期在6.67微秒--62.5微秒之间的周期性电压，在不含有介质阻挡层的电极间隙中，可以得到重复率为100-40000pps的随机性流光放电。在这样放电能量时间分布条件下，分配在每一个流光脉冲的能量远小于窄脉冲放电情形，故在同等功率条件下，前者产生的瞬间自由基的密度低，于是降低了放电发生的自由基的复合率，也即降低了能耗，提高了能量效率。

2、具有良好的空间分布性能，反应器体积小。在每一根放电极附近，放电产生的活性粒子的密度约与径向距离成反比，单元反应器放电极与接地极之间的距离为R，R过大会使放电注入气相的活性粒子过度不均匀，放电极附近的活性粒子密度大，致使自复合速率高，导致能量效率低；远离放电极的地方，活性粒子密度过低，导致化学反应速率低，不能充分发挥反应器设备的效用，另外，R大需要电压等级高的电源供电，增加了电源的难度。因此，为了得到流光放电优化的空间分布，限制R在2cm--60cm之间，并把反应器分解为多个单元和段，构成若干个并联的单元和若干个串联的段，根据各段处理气体的实际需要，分配注入流光放电的功率。

此外，对放电极3和接地极6的形状、尺寸及其间的几何关系进行优选也十分重要。流光放电分布角θ定义为流光放电从放电极3中心点对接地极6分布的角度，在线--圆筒形极配状况下，θ＝360°，流光放电空间分布最好；在线--平板极配状况下，θ＝60°。

为了综合比较不同反应器单元、段的布置和不同极配的流光放电空间分布优劣，定义流光放电反应器的空间分布因数Y＝(Sθ)/360，其中S为流光放电空间体积对反应区外形体积比，显然S最大为1，对于线--平板结构的放电系统，S接近于1，而θ＝60°，所以Y≈1/6，显然Y值最大为1，越接近于1越好。

本实用新型对放电极3的形状进行了优选，采用如图2所示的十字锯齿型和米字锯齿型，其优点在于流光起晕位置稳定，尖端的耐电腐蚀寿命长。

3、价格低。本实用新型所使用的直流基压叠加周期性电压的电源价格只有同功率窄脉冲电源的十分之一。

4、立式优化时空分布的随机性流光放电反应器在相同条件下处理气体耗能较少、占空间较少。所述立式反应器气流方向垂直于地面，放电极3平行于气流方向，易于优化其极配和反应单元的布置，Y值高，所以处理气体耗能较少、占空间较少。此外，所述立式优化时空分布的随机性流光放电反应器适用于处理烟气量在20000m³/h以下的锅炉烟气。

附图说明：

图1为立式优化时空分布的随机性流光放电反应器结构示意图；

图2为十字锯齿型放电极和米字锯齿型放电极结构及几何参数示意图；

图3为采用两单元两段线--板结构的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器结构示意图；

图4为采用矩形并列线-圆筒结构的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器反应区横截面示意图；

图5为矩形并列圆筒密集布置反应区横截面示意图；

图6为六角形并列圆筒密集布置反应区横截面示意图；

图7为圆形并列圆筒密集布置反应区横截面示意图；

图8为并列蜂窝型布置反应区横截面示意图；

图9为同心圆套筒布置结构横截面示意图；

图10为矩形并列28个圆筒密集布置反应区横截面示意图。

具体实施方式1

采用图4示出的一种矩形并列线--圆筒布置的立式优化时空分布的随机性流光放电反应区的横截面，60个并列接触设置的圆筒，圆筒间隔5mm，筒壁厚3mm，筒内半径R皆为10cm，内壁敷5mm厚多孔陶瓷衬里，矩形反应器壁厚5mm，长2.12m，宽1.28m，高2m，故体积为5.42m³；流光放电空间体积为3.402m³，S＝62.7％，流光轴对称分布，θ＝360°，故该流光放电反应器芯部的效能因数Y＝62.7％。采用米字形锯齿放电极：齿间距δ＝10mm、齿高χ＝10mm、杆芯直径d＝5mm、锯基高μ＝5mm、放电极长L＝2m、齿厚ε＝1mm，使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp＝10kV，直流25kV，每个电晕点的流光频率约1.0kHz，0.3mJ/流光，每米800个尖，流光放电功率约为240W/m，反应器放电总功率为28.8kW，反应器单位体积功率为5.31kW/m³，等离子体化学反应区功率密度为8.47kW/m³，如果处理气体使用的能量密度为3Wh/m³，则处理的气体量为9600m³/h，停留时间1.28秒。电源和反应器花费只有窄脉冲的30％。

具体实施方式2

采用图8示出的一种并列线--蜂窝型立式优化时空分布的随机性流光放电反应区的横截面，蜂窝型由37个并列正六面形筒组成，筒壁厚3mm，中心到边距离R皆为10cm，内壁敷5mm厚多孔陶瓷衬里，高2m，故反应区体积为2.72m³；流光放电空间体积为2.314m³，S＝85.1％。流光分布不均匀，存在死区，θ≈180°，Y＝42.6％。采用米字形锯齿放电极：齿间距δ＝10mm、齿高χ＝10mm、杆芯直径d＝5mm、锯基高μ＝5mm、放电极长L＝1m、齿厚ε＝1mm，使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp＝10kV，直流25kV，每个电晕点的流光频率约1.8kHz，0.3W/尖，每米800个尖，流光放电功率约为240W/m，反应器放电总功率为17.76kW，反应区单位体积功率为6.529kW/m³，如果处理气体使用的能量密度为4Wh/m³，则处理的气体量为4440m³/h，停留时1.88秒。

具体实施方式3

采用图9示出的是一种同心圆套筒立式优化时空分布随机性流光放电反应器，高2m，内筒半径R₁＝10cm；外筒内半径R₂＝30.3cm；筒壁厚3mm，故反应区体积为0.588m³；流光放电空间体积为0.577m³。流光放电空间体积对反应器体积比S＝98.1％。流光分布在内筒轴对称，在内外筒间不均匀，存在死区，中心放电极采用米字形锯齿线，内外筒间设置6条十字形锯齿线：齿间距δ＝10mm、齿高χ＝10mm、杆芯直径d＝5mm、锯基高μ＝5mm、放电极长L＝1m、齿厚ε＝1mm，使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp≈5kV--10kV，直流20kV-25kV，中心放电极流光放电功率约为500W/m，内外筒间放电极流光放电功率为200W/m，反应器放电总功率为3.4kW，反应器单位体积功率为5.78kW/m³。处理气体使用的能量密度为3.5Wh/m³，处理的气体量为1652m³/h，停留时间1.28秒。

具体实施方式4

采用图10示出的是一种28个圆筒矩形外壳立式优化时空分布随机性流光放电反应器，筒高2m，半径R＝10cm；壁厚2mm，筒间距3mm，周边留宽5mm，故反应区长1.245m，宽0.931，反应区体积为2.318m³；流光放电空间体积对反应器体积为1.759m³。流光放电空间体积对反应器反应区外形体积比S＝75.9％。流光分布在内筒轴对称，θ＝360°，Y＝75.9％。采用米字形锯齿放电极：齿间距δ＝10mm、齿高χ＝10mm、杆芯直径d＝5mm、锯基高μ＝5mm、放电极长L＝2m、齿厚ε＝1mm，使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp＝10kV，直流25kV，每个电晕点的流光频率约1.8kHz，0.5mJ/流光，每米800个尖，流光放电功率为720W/m，反应器放电总功率为40.32kW，反应区单位体积功率为22.2kW/m³。处理气体使用的能量密度为4Wh/m³，则处理的气体量为10080m³/h，停留时间0.628秒。

具体实施方式5采用图6示出的是一种六角形立式优化时空分布随机性流光放电反应器，由37个圆筒紧密布置在一个正六边棱柱面外壳内，筒高2m，筒半径R＝10cm，壁厚2mm。筒间距3mm，周边留宽5mm，六角形边长742.24mm，体积为2.863m³；流光放电空间体积为2.325m³。流光放电空间体积对反应区外形体积比S＝81.22％，流光分布在筒内轴对称，θ＝360°，Y＝81.22％。采用米字形锯齿放电极：齿间距δ＝10mm、齿高χ＝10mm、杆芯直径d＝5mm、锯基高μ＝5mm、放电极长L＝2m、齿厚ε＝1mm，使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp＝9kV，直流25kV，每个电晕点的流光频率约1.2kHz，0.3mJ/流光，每米800个尖，流光放电功率为288W/m，反应器放电总功率为21.31kW，芯部单位体积功率为7.44kW/m³。处理气体使用的能量密度为2Wh/m³，则处理的气体量为10655m³/h，停留时间0.785秒。

Claims (5)

1、一种立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，包括气体入口(1)、等离子体化学反应区(2)、放电极(3)、高压连接线(4)、高压电源(5)、接地极(6)和气体出口(7)，其特征在于：气体入口(1)位于等离子体化学反应区(2)的上端或下端，气体出口(7)则相对应地位于等离子体化学反应区(2)的下端或上端，所述等离子体化学反应区(2)由放电极(3)和接地极(6)组成一个单元或多个单元并联，每个单元由一段或多段串联构成，所述放电极(3)平行于气流方向设置，并均匀设置在所述接地极(6)之间，所述高压电源(5)通过高压连接线(4)与放电极(3)连接，高压电源(5)输出电压为直流基压与周期性电压叠加。

2、根据权利要求1所述的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，其特征在于：所述高压电源(5)的周期电压周期为6.67微秒--62.5微秒。

3、根据权利要求1所述的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，其特征在于：所述接地极(6)的形状为平板时，放电极(3)与接地极(6)之间的距离为1cm--30cm；所述接地极(6)的形状为圆筒或正多边形筒时，放电极(3)设置在筒的轴心位置，放电极(3)与接地极(6)之间的距离为1cm--30cm。

4、根据权利要求1所述的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，其特征在于：所述接地极(6)为导体或绝缘体，朝向放电极(3)的表面为光面，或多孔介质面，或敷有高比表面积衬物。

5、根据权利要求1所述的立式优化时空分布的随机性流光放电反应器，其特征在于：所述放电极(3)为十字锯齿型或米字锯齿型，齿间距δ为1mm--10mm，齿高χ为0.5mm--10mm，杆芯直径d为5mm--25mm，锯基高μ为0mm--5mm，放电极长L为0.1m--15m，朝向接地极(3)相邻锯齿面夹角α为45°--90°。

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