一種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)裝置及反應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于工業(yè)廢氣低溫等離子催化處理領(lǐng)域，具體涉及一種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)裝置及反應(yīng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體技術(shù)是高新技術(shù)研究的前沿之一，等離子體是由電荷數(shù)目相近的正粒子、負(fù)粒子(其中包括正離子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)等)組成的集合體，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性非凝聚系統(tǒng)，是固體、液體和氣體三態(tài)以外的新的聚集態(tài)，又稱物質(zhì)的第四態(tài)。氣體本身是電的絕緣體，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的著火電壓時(shí)，氣體分子被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體低溫等離子體。放電過程中雖然電子溫度很高，但是重粒子溫度很低，整個(gè)體系呈低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體。它們在宏觀上呈電中性，其粒子的平均能量為:l〈W〈2xl069V?，F(xiàn)在利用等離子體的高能量可以進(jìn)行常規(guī)條件下難于進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)或材料的加工制備等。
[0003]等離子技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于化學(xué)合成、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、表面科學(xué)、生物及生命科學(xué)等領(lǐng)域。應(yīng)用于環(huán)?；瘜W(xué)化工上的等離子體是含有各種激發(fā)態(tài)的電子、原子、自由基和離子等活性基團(tuán)的離子化氣體。這種低溫等離子體用于降解污染物，其利用的是這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)的各種反應(yīng)，以達(dá)到降解污染物的目的。
[0004]典型的常溫常壓條件下用于產(chǎn)生低溫等離子體的方法主要有電暈放電(coronadischarge)、輝光放電(glow discharge)和介質(zhì)阻擋放電(Dielectric BarrierDischarge，DBD)等。
[0005]輝光放電通常通過在放置板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓氣體，并在兩極間施加較高電壓來獲得，其功率密度適中而且放電均勻，可以用來產(chǎn)生具有較高電子能量的非平衡態(tài)低溫等離子體。輝光放電非常適合應(yīng)用于材料表面改性及薄膜沉積等領(lǐng)域，但其產(chǎn)生需要昂貴的真空設(shè)備，在應(yīng)用時(shí)不能連續(xù)運(yùn)行，需采用分批處理的方式，故難以滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的要求。
[0006]電暈放電一般通過不對稱電極來獲得，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的非平衡態(tài)低溫等離子體。目前，這種形式的放電已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)污染治理。但電暈通常發(fā)生在極不均勻電場中的強(qiáng)場強(qiáng)區(qū)域的小范圍空間內(nèi)，不適于工業(yè)上的大規(guī)模表面處理。且這種放電較弱，產(chǎn)生等離子體及活性粒子的效率太低，大大限制了其應(yīng)用前景。
[0007]介質(zhì)阻擋放電的機(jī)理和過程是給電極施加一定頻率和電壓的交流電，并在放電間隙插入阻擋介質(zhì)，當(dāng)達(dá)到氣體的擊穿場強(qiáng)時(shí)，工作氣體會放電。通過放電間隙的電流是由大量叫做微放電的納秒級快脈沖電流細(xì)絲組成，這些微放電在時(shí)間和空間上無規(guī)則地分布在整個(gè)放電空間，在微放電中平均電子能量較高(1 一 10eV)，而離子能量不高，S卩非平衡態(tài)的低溫等離子體。介質(zhì)可以覆蓋在電極上也可以懸掛在放電空間里。其運(yùn)行氣壓范圍較寬，能夠在接近常溫和大氣壓下產(chǎn)生大面積、高能量密度的低溫非平衡等離子體，且其產(chǎn)生無需真空設(shè)備。在這樣的等離子體氛圍下，再配加其他一些工藝條件，如選擇合適的工作氣體、氣壓以及電氣參數(shù)等，即可達(dá)到化學(xué)合成、分解等不同的工作目的。反應(yīng)裝置放電功率的大小，對于工作狀態(tài)、運(yùn)行效果有著重要影響。介質(zhì)阻擋放電是更適合大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)應(yīng)用的一種氣體放電形式，被廣泛地應(yīng)用于許多生產(chǎn)和研究領(lǐng)域。利用氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體處理工業(yè)廢氣等污染物，具有處理流程簡便、凈化效率高、能耗低、無二次污染以及能夠同時(shí)處理微粒等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
[0008]目前介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)裝置主要有平板電極結(jié)構(gòu)和同軸圓柱結(jié)構(gòu)(軸向進(jìn)氣)兩種，均存在反應(yīng)裝置單元結(jié)構(gòu)的氣體通流截面積增大困難的問題。
[0009]平板電極結(jié)構(gòu)放電區(qū)域氣體通流截面積為垂直于氣流進(jìn)入方向的放電氣隙高度與平板長度的乘積。增大氣體通流截面積可增加放電氣隙高度或增加平板長度。平板反應(yīng)裝置的擊穿放電電壓與放電氣隙高度成正比，增加氣隙高度將導(dǎo)致裝置工作電壓的線性增加，使電源設(shè)計(jì)制造及系統(tǒng)絕緣困難。受限于生產(chǎn)工藝，較長面積的平面阻擋介質(zhì)(陶瓷、石英等)加工制造困難、成本尚、強(qiáng)度低、易損壞。
[0010]軸向進(jìn)氣的同軸圓柱結(jié)構(gòu)放電區(qū)域氣體通流截面積僅取決于芯電極與管電極間的環(huán)形面積，與電極軸向長度無關(guān)。增大氣體通流截面積只能通過增加芯電極與管電極間的氣隙間距，增加氣隙高度將導(dǎo)致裝置工作電壓的增加，使電源設(shè)計(jì)制造及系統(tǒng)絕緣困難，難以用于處理大流量氣體。傳統(tǒng)介質(zhì)阻擋放電同軸柱筒式反應(yīng)裝置，如專利(2013100935014)中所示單元結(jié)構(gòu)，均未采用導(dǎo)流模塊，氣體由柱筒軸向進(jìn)入反應(yīng)裝置中，認(rèn)為氣體均勻分布于芯電極與電極殼之間形成的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，且環(huán)形區(qū)域空間有限，導(dǎo)流模塊難于設(shè)計(jì)和布置，因此該種反應(yīng)裝置中不設(shè)置導(dǎo)流模塊。上述結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于:在上述反應(yīng)裝置中，氣體沿著柱筒軸向流動(dòng)，在環(huán)形區(qū)域內(nèi)主要以層流方式流動(dòng)，擾動(dòng)非常微弱。沿柱筒徑線方向，在芯電極附近，電場強(qiáng)度高，被激發(fā)為等離子態(tài)的高能粒子較多，而在電極殼附近，電場強(qiáng)度較弱，被激發(fā)的高能粒子較少，低能態(tài)粒子較多。層流流動(dòng)不利于強(qiáng)、弱電場間高能態(tài)粒子與低能態(tài)粒子間的能量交換(主要以粒子碰撞方式進(jìn)行)，因此，不設(shè)置導(dǎo)流模塊的該種反應(yīng)裝置對強(qiáng)化DBD沒有效果。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型的目的是為了解決以上技術(shù)問題，提供一種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)裝置及反應(yīng)系統(tǒng)，本裝置能夠多維度調(diào)節(jié)DBD放電區(qū)域通流截面積；能夠處理大流量氣體；能夠增強(qiáng)氣體擾動(dòng)，強(qiáng)化等離子體催化；并且能夠提高多種氣體混合均勻程度；DBD擊穿電壓和放電功率均較低，可降低處理廢氣成本；可單獨(dú)工作也可矩陣布置工作的介質(zhì)阻擋放電低溫等離子催化裝置。
[0012]為了解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0013]—種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)裝置，包括芯電極、電極罩殼、絕緣介質(zhì)以及驅(qū)動(dòng)電源，其中，所述芯電極與電極罩殼同軸設(shè)置，絕緣介質(zhì)安裝在芯電極與電極罩殼之間，驅(qū)動(dòng)電源分別與所述芯電極和電極罩殼連接，所述電極罩殼上設(shè)置有兩個(gè)沿電極罩殼軸向的氣體通道，這兩個(gè)氣體通道相對于芯電極棒的中心線對稱設(shè)置。由于芯電極、電極罩殼以及絕緣介質(zhì)可以設(shè)定不同的長度，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)裝置的氣體流通面積的軸向調(diào)節(jié)，改變氣體通流截面積的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣體的流量。
[0014]優(yōu)選的，所述反應(yīng)裝置還包括導(dǎo)流模塊，所述導(dǎo)流模塊沿一個(gè)所述氣體通道的外側(cè)設(shè)置。
[0015]優(yōu)選的，所述芯電極為芯電極棒。反應(yīng)裝置內(nèi)部電場強(qiáng)度不均勻，當(dāng)采用小曲率半徑的內(nèi)電極時(shí)，相對較低的輸入電壓在內(nèi)電極表面處即可獲得較大的電場強(qiáng)度，從而有利于氣體的擊穿和低溫等離子體的產(chǎn)生。
[0016]優(yōu)選的，所述電極罩殼為一個(gè)整體。
[0017]優(yōu)選的，所述電極罩殼包括對稱設(shè)置的兩部分，這兩部分配合，構(gòu)成氣體通道；電極罩殼與所述芯電極棒之間的距離能夠調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)電極罩殼與芯電極棒之間的距離，實(shí)現(xiàn)氣體流通面積的徑向調(diào)節(jié)，改變氣體通流截面積的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣體的流量。
[0018]優(yōu)選的，所述絕緣介質(zhì)的形狀為中空圓柱體。絕緣介質(zhì)采用管式結(jié)構(gòu)(石英管、陶瓷管)，與平面結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的阻擋介質(zhì)，具有制造加工工藝簡便、成本低、強(qiáng)度相對較高的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠通過增加介質(zhì)管軸向及徑向尺寸來獲得較大的DBD區(qū)域容積。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述絕緣介質(zhì)緊密套合在芯電極棒上。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述絕緣介質(zhì)套合在芯電極棒上，且與芯電極棒之間留有間隙。
[0021]—種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)系統(tǒng)，所述反應(yīng)系統(tǒng)由若干個(gè)所述的反應(yīng)裝置并聯(lián)和/或串聯(lián)而成，所述反應(yīng)系統(tǒng)的氣體入口端設(shè)置導(dǎo)流裝置。并聯(lián)的反應(yīng)裝置可以同時(shí)處理大量的氣體，提高氣體的凈化效率，串聯(lián)的反應(yīng)裝置通過延長氣體的催化時(shí)間進(jìn)而可以提高氣體的催化凈化效果，串聯(lián)加并聯(lián)的反應(yīng)系統(tǒng)，不光可以提高氣體的催化效率，還能提高氣體的催化凈化效果，增強(qiáng)反應(yīng)裝置對氣體流量與流速的適應(yīng)性。
[0022]—種筒式介質(zhì)阻擋放電低溫等離子反應(yīng)系統(tǒng)，所述反應(yīng)系統(tǒng)由若干個(gè)所述的反應(yīng)裝置軸向疊加而成，所述反應(yīng)系統(tǒng)的氣體入口端設(shè)置導(dǎo)流裝置。軸向疊加可以是通過改變反應(yīng)裝置軸向長度，即可以增加氣體通道的長度。在阻擋介質(zhì)不變的情況下，反應(yīng)裝置DBD電壓主要取決于兩電極間放電間隙的距離。因此，軸向調(diào)節(jié)增大氣縫長度(L)，只增加氣體通流截面積S，而不會引起DBD電壓的增大。
[0023]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0024]1、本實(shí)用新型反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)單元可以同時(shí)采用徑向調(diào)節(jié)和軸向調(diào)節(jié)的方式改變氣體通流截面積大小，進(jìn)而增大處理氣體的流量。徑向調(diào)節(jié)是通過改變固體絕緣介質(zhì)套筒與金屬電極罩殼單位軸向長度的半徑差值實(shí)現(xiàn)的，即調(diào)節(jié)氣縫高度。軸向調(diào)節(jié)是通過改變反應(yīng)裝置軸向長度實(shí)現(xiàn)的，即氣縫長度。本實(shí)用新型的反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)可是實(shí)現(xiàn)DBD區(qū)域徑向與軸向的雙維度變化，可在不增大驅(qū)動(dòng)電源工作電壓的情況下增加氣體通流截面積(軸向調(diào)節(jié))，也可在驅(qū)動(dòng)電源工作電壓略有增加的情況下增加氣體通流截面積(徑向調(diào)節(jié))。因此，本實(shí)用新型有效解決了平板式反應(yīng)裝置和軸向進(jìn)氣線管式反應(yīng)裝置單元結(jié)構(gòu)的氣體通流截面積難以增大的缺陷。
[0025]2、本實(shí)用新型反應(yīng)裝置帶有前置導(dǎo)流模塊，導(dǎo)流模塊具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]a、混合充分