CN2537458Y - 卧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卧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、接地极、放电极、高压电源、气体出口及高电压输入端等部分构成，所述等离子体化学反应区由接地极和放电极组成一个或多个单元，每个单元由一段或多段构成，所述放电极垂直于气流方向设置，并均匀分布在所述接地极之间，并有良好的极配布置，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以上的锅炉烟气。

Description

卧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卧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：一种卧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、接地极3、放电极4、高压电源5、气体出口6和高电压输入端7，其特征在于：气体入口1位于等离子体化学反应区2的一侧，气体出口6位于等离子体化学反应区2的另一侧，所述等离子体化学反应区2由接地极3和放电极4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4垂直于气流方向设置，并均匀分布在所述接地极3之间，所述高压电源5通过高电压输入端7与放电极4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3的形状为平板或异形板，当接地极3为平板时，板间距为2cm--60cm；当接地极3为异形板时，该异形板以放电极4为轴心形成两面对称的正多边折面或曲面，其折面部分并列布置或错开密集布置，放电极4至接地极3之间的异极距为1cm--30cm。所述接地极3为导体或绝缘体，朝向放电极4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4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1mm--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β为45°--90°。

本实用新型公开的卧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及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。卧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。在处理20000m³/h以上大烟气量的锅炉烟气时需要在很大体积内发生放电等离子体，然而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1cm--30cm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4和接地极3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4对接地极3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°，在接地极3为型板时，即在放电极4两侧接地极3为凹向曲面时，θ角为两曲面部分对放电极4的张角之和，即θ＝2α(图1)。

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。

附图说明：

图1为卧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--板结构的卧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为采用矩形并列开缝圆筒布置接地极的卧式优化时空分布的随机性流光放电反应器反应区截面示意图；

图5为矩形并列开缝圆筒密集布置反应区截面结构示意图；

图6为矩形并列开缝异形板圆筒布置反应区截面结构示意图；

图7为矩形并列开缝正八角形筒布置反应区截面结构示意图。

具体实施方式1

采用图1示出的一种线板型卧式优化时空分布的随机性流光放电反应区的截面，4块高2m、长3m、厚3mm的金属平板，平行等距设置作为接地极，金属平面间距，即板间距2b＝200mm，面对放电极的面敷5mm厚多孔陶瓷衬物，板间中面位置等距设置放电极，放电极间距，即线间距2a＝150mm，形成三个单元，整个反应区体积为3.66m³；流光放电空间体积为3.42m³，S＝93.4％。采用十字形锯齿放电极：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、朝向接地极相邻锯齿面夹角β＝45°，齿厚ε＝1mm，放电极每个尖对接地极的流光分布角θ≈60°，放电极总共60根。使用AC+DC电源，50kHz交流，Vpp＝10kV，直流25kV，每个放电点的流光频率约1.0kHz，0.3mJ/流光，每米400个尖，流光放电功率约为120W/m，反应器放电总功率为14.4kW，反应区单位体积功率为3.93kW/m³，等离子体化学反应区功率密度为4.21kW/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4800m³/h，停留时间2.57秒。

具体实施方式2

采用图4示出的一种卧式优化时空分布的随机性流光放电反应区截面，其长L＝4.21m，宽W＝4.21m，高H＝2m，R＝100mm，G＝10mm，E＝10mm，单元数M＝20，每单元放电极根数N＝20，其外形体积为35.45m³，流光放电空间体积为25.13m³，S＝70.9％。流光分布角θ＝240°，空间分布因数Y＝47.3％。放电极总计400根，每根长2m。采用米字形锯齿放电极，使用AC+DC电源，50kHz交流，气体进口前五列放电极供电功率为400W/m，第二个五列供电功率为200W/m，最后十列供电功率为100W/m，反应器放电总功率为160kW，反应区单位体积平均功率为4.51kW/m³，等离子体化学反应区平均功率密度为6.37kW/m³，处理气体使用平均能量密度为2Wh/m³，则处理的气体量为80000m³/h，停留时间1.13秒。

具体实施方式3

采用图5示出的一种卧式优化时空分布的随机性流光放电反应器反应区截面，其结构和定义的符号除相邻单元圆间距E外，其它与实施方式2相同。圆筒形密集布置，有益于减小反应区体积。R＝100mm，G＝E＝10mm，M＝20，N＝20，L＝4.20m，W＝3.655m，H＝2m，反应区外形体积为30.29m³，流光放电空间体积(全部圆筒形体积)为25.13m³，S＝81.85％，流光分布角θ＝240°，空间分布因数Y＝54.57％。放电极总计400根，每根长2m。采用米字形锯齿放电极，使用AC+DC电源，50kHz交流，气体进口前五列供电功率为400W/m，第二个五列供电功率为200W/m，最后十列供电功率为100W/m，反应器放电总功率为160kW，反应区单位体积平均功率为5.28kW/m³，等离子体化学反应区平均功率密度为6.37kW/m³，如果处理气体使用的平均能量密度为2Wh/m³，处理的气体量为80000m³/h，停留时间1.13秒。

具体实施方式4

采用图7示出的一种卧式优化时空分布的随机性流光放电反应器反应区截面，放电区为正八边筒形密集布置，除极板衬里和筒面间通道所占体积外，筒面所围体积全是放电空间。所述正八边形中心到每边的高R＝100mm，极板厚3mm，反应区长L＝5.56m，宽W＝2.95m，高H＝2m，外形体积为32.8m³，流光分布角θ＞180°，流光放电空间体积为25.8m³，比体积S＝78.8％，θ≈180°，Y≈39.4％。20个单元，每单元放电极20根，每根长2m，放电极总计400根。采用米字形锯齿放电极，使用AC+DC电源，50kHz交流，从气体进口起，分做20列，每列20根。前5列供电功率为400W/m，第二个5列供电功率为200W/m，最后10列供电功率为100W/m，反应器放电总功率为160kW，反应区单位体积平均功率为4.88kW/m³，等离子体化学反应区平均功率密度为6.20kW/m³，处理气体使用的平均能量密度为4Wh/m³，处理的气体量为40000m³/h，停留时间2.29秒。

Claims (5)

1、一种卧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)、接地极(3)、放电极(4)、高压电源(5)、气体出口(6)和高电压输入端(7)，其特征在于：气体入口(1)位于等离子体化学反应区(2)的一侧，气体出口(6)位于等离子体化学反应区(2)的另一侧，所述等离子体化学反应区(2)由接地极(3)和放电极(4)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(4)垂直于气流方向设置，并均匀分布在所述接地极(3)之间，所述高压电源(5)通过高电压输入端(7)与放电极(4)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所述的卧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所述的卧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(3)的形状为平板或异形板，当接地极(3)为平板时，板间距为2cm--60cm；当接地极(3)为异形板时，该异形板以放电极(4)为轴心形成两面对称的正多边折面或曲面，其折面部分并列布置或错开密集布置，放电极(4)至接地极(3)之间的异极距离为1cm--30cm。

4、根据权利要求1所述的卧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(3)为导体或绝缘体，朝向放电极(4)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所述的卧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(4)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1mm--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β为45°-90°。

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