电场增强的等离子体放电装置及利用该装置增强电场的方法

摘要

本发明涉及低温等离子体技术领域，公开了一种电场增强的等离子体放电装置及利用该装置增强电场的方法，该装置包括：同轴设置的等离子体反应管(4)、中心高压电极(1)和金属线圈(2)以及紧贴于等离子体反应管(4)外壁的接地电极(3)；所述金属线圈(2)设置于所述中心高压电极(1)与所述接地电极(3)的放电间隙内。本发明提供的等离子体放电装置能够增强局部电场，一方面降低等离子体放电起始电压，保障等离子体反应器安全稳定长周期运行。另一方面电场增强，有助于提高等离子体产生效率。

说明书

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地涉及一种电场增强的等离子体放电装置及利用该装置增强电场的方法。

背景技术

低温等离子体技术是一种通过对气体施加高压电场导致气体电离产生高化学活性粒子(包括电子、正负离子和中性粒子等)，利用这些高活性粒子参与化学反应。另一方面，高压电场还可以产生的高速粒子，并且具有正负离子湮灭的瞬间高能量。这些特征使得低温等离子体技术具有广泛的应用前景。比如，等离子体灭菌消毒，利用等离子体技术产生活性自由基以及具有高动能的电子或离子，破坏细胞或病毒结构，从而达到杀菌消毒的效果；等离子体材料表面改性，利用一定能量的粒子轰击固体表面，诱发表面原子或分子生成新的化学键；此外，等离子体有毒有害气体处理等，利用高活性粒子与污染物气体分子发生氧化还原反应从而实现无害化排放。针对日益严重的环境问题，利用电场电离气体产生的等离子体方法是一种经济高效的降解低浓度大气量挥发性有机物(VOCs)的方法，还可以用于等离子体分解硫化氢、粉尘处理、烟气脱硫脱硝以及恶臭处理等。

在以上等离子体技术中，电场的强度与分布直接影响着等离子体的产生和作用效率。电场的强度与分布直接决定于电源和等离子体发生器结构(即放电形式)。电源涉及的影响因素有电压、频率以及电源形式(如直流、高频交流、脉冲等)。然而，在实际应用的大装置中，等离子体发生器结构难以调整、驱动电源固定，电压和频率可调范围有限。在面对成分复杂实际工况时，比如反应器表面结焦或结垢附着，待处理物浓度波动较大等，电压调节有限的等离子体处理装置无法满足实际应用需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种电场增强的等离子体放电装置，通过在原电场中增加悬浮导体，正负电极之间距离减小，形成畸变电场，局部提高电场强度，导致等离子体放电起始电压降低，因此在电源原本设计范围内可调电压区间相对扩大，适用于待处理物浓度波动较大的情况。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种电场增强的等离子体放电装置，该装置包括：同轴设置的等离子体反应管、中心高压电极和金属线圈以及紧贴于等离子体反应管外壁的接地电极；所述金属线圈设置于所述中心高压电极与所述接地电极的放电间隙内。

优选地，所述金属线圈围绕所述中心高压电极设置。

优选地，所述金属线圈的内径大于或等于所述中心高压电极的外径。

优选地，所述金属线圈的内径小于或等于所述等离子体反应管的内径。

优选地，所述金属线圈的螺距为0.2-15mm。

优选地，所述金属线圈的线径为0.05-3mm。

优选地，在25℃下，所述中心高压电极、接地电极以及金属线圈的导电率为10

优选地，所述中心高压电极、接地电极以及金属线圈为耐高温导电金属。

优选地，所述金属线圈的表面光滑或者具有螺纹。

优选地，所述金属线圈的表面附着有催化剂。

优选地，所述等离子体反应管为绝缘介质管。

优选地，所述绝缘介质为石英、陶瓷、刚玉或聚四氟乙烯。

优选地，所述中心高压电极为管状或棒状。

优选地，所述管状中心高压电极为绝缘介质管，所述绝缘介质管内填充有导电金属粉末。

优选地，所述绝缘介质管内具有导电金属棒。

优选地，所述绝缘介质管内具有导电金属管。

优选地，所述绝缘介质管的材质为石英、陶瓷、刚玉或聚四氟乙烯。

本发明第二方面提供一种电场增强方法，其中，所述方法采用本发明所述的等离子体放电装置。

通过上述技术方案，能够在驱动电源固定、电压和频率可调范围有限的情况下，一方面通过增加悬浮导体线圈，可以降低起始放电电压，保障反应器和电源长周期安全稳定运行；另一方面调节悬浮导体线圈的线径、外径或者螺距该可以局部增强电场的强度和改变电场分布，适用于待处理废气浓度波动大的情况，提高等离子体产生活性粒子浓度，从而提升等离子体反应器整体的处理效率。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为现有技术中的电场示意图；

图2为本发明一实施方式提供的等离子体放电装置的结构示意图；

图3为本发明另一实施方式提供的等离子体放电装置的示意图；

图4为本发明另一实施方式提供的等离子体放电装置的示意图；

图5为本发明实施例1中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图；

图6为本发明实施例2中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图；

图7为本发明实施例3中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图；

图8为本发明实施例4中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图；

图9为本发明实施例5中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图；

图10为本发明实施例6中的等离子体放电装置的静电场强模拟示意图。

附图标记说明

1、中心高压电极 2、金属线圈

3、接地电极 4、等离子体反应管

5、石英管 6、金属粉末

7、金属棒 8、气体入口

9、气体出口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右，“内、外”是指对应结构的内部和外部。

在本发明中，废气包括挥发性有机物VOCs(volatile organic compounds)，是一类常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点不高于260℃的有机化合物，检出的VOCs约150余种，此外，还包括硫化氢、粉尘处理、烟气脱硫脱硝以及恶臭等。

第一方面，本发明提供了一种电场增强的等离子体放电装置，该装置包括：同轴设置的等离子体反应管4、中心高压电极1和金属线圈2以及紧贴于等离子体反应管4外壁的接地电极3；所述金属线圈2设置于所述中心高压电极1与所述接地电极3的放电间隙内。图2为本发明一实施方式提供的等离子体放电装置的结构示意图。如图2所示，中心高压电极1与等离子体反应管4同轴设置，接地电极3紧贴于等离子体反应管4外壁，金属线圈2设置在中心高压电极1与接地电极3的放电间隙内。

本发明提供的电场增强的等离子体放电装置，通过在高压电极与接地压电极之间施加驱动电压的放电间隙中增加金属线圈，可使电场发生畸变，不仅可以降低起始放电电压，还可以进一步增强局部电场。电场一般通过公式1计算得到。

式1中，E表示正负电极之间的平均电场，单位为V/m；U为施加电压，单位为V；r为电极板之间的距离，单位为m。图1为现有技术中的电场示意图；如图1所示，当电场中无其他导体存在时，电场强度即可通过公式1计算得到。当放电空间内存在某一直径为d的导体时，该导体内部会极化(导体仍然呈电中性，即电荷为0)，相对应的上下表面会富集电荷，形成上下r

在本发明的具体实施中，为了进一步利用现有装置实现增强局部电场，提高气体电离产生的活性粒子浓度的目的，主要在实际操作过程中固定电压和频率的操作参数(或者由于采用现有装置，从而其中的等离子体发生器放电间隙以及配套电源的电压调节范围U和频率f参数是固定值)，在具体实施方式中为了满足不同待处理废气的需求，在利用现有同轴设置的等离子体发生装置的基础上，可以通过在放电间隙内增加悬浮金属线圈来增强局部电场。

在本发明中，优选地，所述金属线圈2围绕所述中心高压电极1设置。

在本发明中，优选地，所述金属线圈2的内径大于或等于所述中心高压电极1的外径。如图3所示，中心高压电极为金属棒7，金属线圈2绕金属棒7设置，金属线圈2的内径大于金属棒7的外径，金属线圈2不接入线路内，悬浮于高压与地电极之间的放电间隙内。在本发明的具体实施方式中，金属线圈2缠绕中心高压电极1设置时，金属线圈2的内径也可以与中心高压电极1的外径相同，即，金属线圈2直接缠绕于中心高压电极，此时，为保证金属线圈2不接入线路内，中心高压电极为填充导体的绝缘管，例如，具体可以由石英、陶瓷、刚玉管或聚四氟乙烯作为绝缘管，在管内填充有金属粉末的构成方式作为中心高压电极；而在本发明的另一具体实施方式中，可以由石英、陶瓷、刚玉管或聚四氟乙烯作为绝缘管，在管内嵌入金属棒的构成方式作为中心高压电极，如图4所示；而在本发明的另一具体实施方式中，同样是以绝缘管内嵌入金属管的构成方式作为中心高压电极。

上述金属线圈的螺距小于放电区域长度即可，在本发明中，优选地，所述金属线圈2的螺距为0.2-15mm；更优选地，所述金属线圈2的螺距为3-10mm。

上述金属线圈的线径小于放电间隙即可，在本发明中，优选地，所述金属线圈2的线径为0.05-3mm；更优选地，所述金属线圈2的线径为0.3-1.5mm。

对于上述悬浮的实施方式，可以通过同轴或非同轴设置方式实现，具体地，同轴设置时，中心高压电极与金属线圈的圆心重合，且中心高压电极的圆心到等离子体反应管内壁上的一个固定点的距离R

对于上述中心高压电极、接地电极以及金属线圈的导电率没有特别的限定，能够实现影响电场的强度以及气体电离产生的活性粒子的浓度即可，在本发明中，优选地，在25℃下，所述中心高压电极、接地电极以及金属线圈的导电率为10

在本发明中，优选地，所述中心高压电极、接地电极以及金属线圈为耐高温导电金属；进一步优选为铂、铑、钯、金、铜、钨、铁和含镍和钛的不锈钢中一种或多种；更进一步优选为铁、铜或钨。

在本发明中，优选地，所述金属线圈2的表面光滑或者具有螺纹。

对于上述螺纹没有特别的限定，可以为任意形貌。本领域技术人员可以实际需要进行选择使用。

在本发明中，优选地，所述金属线圈2的表面附着有催化剂，在本发明的具体实施方式中，为了进一步促进/利于废气降解，采用金属线圈2的表面具有螺纹的方式，通过在负载催化剂，进一步提升废气的处理效率。

对于上述可负载的催化剂的种类没有特别的限定，能够进一步促进废气处理的催化剂即可，例如可以为金属氧化物、金属硫化物或硅化物等，能够提高废气处理速率或者减少副反应即可。例如，可以为用于降解苯系物的Ag催化剂，用于降解烃类的Pd催化剂，或用于降解H

对于上述等离子体反应管没有特别的限定，可以为本领域常规的各种具有绝缘性能的反应管，在本发明中，优选地，等离子体反应管4为绝缘介质管；更优选地，绝缘介质为石英、陶瓷、刚玉或聚四氟乙烯。在本发明的一个具体实施方式中，等离子体反应管为石英管；在本发明的另一个具体实施方式中，等离子体反应管为刚玉管。

对于上述中心高压电极的形状没有特别的限定，可以为本领域常规使用的各种形状的电极，在本发明中，优选地，所述中心高压电极1为管状或棒状。

对于上述管状高压电极没有特别的限定，可以为本领域常规的各种具有绝缘性能的管，在本发明中，优选地，管状中心高压电极1为绝缘介质管；所述绝缘介质管内填充有导电金属粉末。

对于上述绝缘介质管没有特别的限定，在本发明中，优选地，所述绝缘介质管为石英、陶瓷、刚玉或聚四氟乙烯管。在本发明的一个具体实施方式中，绝缘介质管为石英管；在本发明的另一个具体实施方式中，绝缘介质管为刚玉管。

对于上述导电金属粉末没有特别的限定，在本发明中，优选地，所述导电金属粉末为铁、铜或镁中的一种或多种。图4为本发明另一实施方式提供的等离子体放电装置的示意图。如图4所示，本发明提供的等离子体放电装置中，中心高压电极由绝缘介质管5以及内部填充的金属粉末6组成。在本发明的具体实施方式中，选用铁粉作为金属导电粉末，填充于绝缘介质管(具体为石英管)中作为中心高压电极。本领域技术人员也可以根据需要选择其他具有导电性能的金属粉末填充于绝缘介质管中作为中心高压电极进行使用。

在本发明中，优选地，中心高压电极1为绝缘介质管，所述绝缘介质管内具有导电金属棒。在本发明的另一具体实施方式中，可以由石英、陶瓷、刚玉管或聚四氟乙烯作为绝缘管，在管内嵌入金属棒的构成方式作为中心高压电极；而在本发明的另一具体实施方式中，在绝缘管内嵌入金属管作为中心高压电极。

对于上述嵌入绝缘管内金属棒或金属管的材质没有特别的限定，例如可以为导电率为10

对于上述棒状高压电极没有特别的限定，例如可以为本领域常规的各种高压电极。图3为本发明一实施方式提供的等离子体放电装置的示意图。如图3所示，本发明提供的等离子体放电装置中，中心高压电极为金属棒7。在本发明的一个具体实施方式中，中心高压电极1为导电率为9.9×10

对于上述接地电极没有特别的限定，例如可以为金属网或金属片等。上述网状接地电极的目数为5-500目，优选为10-100目。

对于本发明中等离子体放电装置内的工作气体没有限定，可以为本领域常用固定空气、氮气、氦气或氩气等，本领域技术人员也可以根据实际需求选择一种或多种。

第二方面，本发明提供了一种电场增强方法，其中，所述方法采用上述等离子体放电装置。具体地，采用图2所示装置，其中，等离子体放电装置为同轴设置的等离子体反应管4、中心高压电极1和金属线圈2以及紧贴于等离子体反应管4外壁的接地电极3；所述金属线圈2设置于所述中心高压电极1与所述接地电极3的放电间隙内。

本发明提供的电场增强的等离子体放电装置，通过在高压电极与接地压电极之间施加驱动电压的放电间隙中增加金属线圈，通过改变金属线圈的线径、外径和螺距，可以获得不同强度的电场。其原理在于同样电压下距离的变化引起电场的变化。在本发明的一个具体实施方式中，中心高压电极的外径为10mm，等离子体反应管的内径为11.6mm，放电间隙为0.8mm，金属线圈的外径为11.2mm，金属线圈的线径为0.4mm，两者同轴设置，同一纵界面中，金属线圈距离高压电极和等离子体反应管内表面均为0.2mm。在本发明的另一个具体实施方式中，采用与上述相同的等离子体反应器，不同的是金属线圈的外径为11.4mm，两者同轴设置，同一纵界面中，金属线圈距离高压电极和等离子体反应管内表面分别为0.1mm和0.3mm。

在本发明的另一个具体实施方式中，采用与上述相同的等离子体反应器，不同的是金属线圈的奇数线圈外径为11.2mm，偶数线圈外径为11.4mm，线圈的外径组合可以按照需要排列。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，如无特别说明，所用的各材料均可通过商购获得，如无特别说明，所用的方法为本领域的常规方法。

实施例1

采用图2所示的等离子体放电装置，中心高压电极1(具体为金属棒)位于等离子体反应管4(具体为石英管)内，与等离子体反应管4同轴设置，接地电极(具体为金属片)3紧贴于等离子体反应管4外壁，金属线圈2绕中心高压电极1设置，不与中心高压电极1接触，等离子体反应管4上设有气体入口8和气体出口9，其中，放电间隙为0.8mm，金属线圈2的线径为0.4mm，金属线圈处于放电间隙中间，距离上下面均为0.2mm，螺距为2mm。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例1正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图5所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，可以发现放电间隙中未添加金属线圈的静电场比较均匀，1.15×10

实施例2

与实施例1采用相同的等离子体放电装置，不同之处在于，其中，金属线圈2的线径减小为0.05mm。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例2正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图6所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，可以发现放电间隙中未添加金属线圈的静电场比较均匀，1.15×10

实施例3

与实施例1采用相同的等离子体放电装置，不同之处在于，其中，金属线圈2的线径增大为0.6mm。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例3正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图7所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，可以发现放电间隙中未添加金属线圈的静电场比较均匀，1.15×10

实施例4

与实施例1采用相同的等离子体放电装置，不同之处在于，金属线圈的内径增大，0.4mm线径的金属线圈2处于放电间隙5/8处，距离上表面0.1mm，距离下表面0.3mm。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例4正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图8所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，除了未有金属导体涉及区域电场为1.15×10

实施例5

与实施例4采用相同的等离子体放电装置，不同之处在于，金属线圈2的螺距减小为0.66mm。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例5正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图9所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，可以发现添加金属线圈后的静电场出现四处可达2.56×10

实施例6

与实施例5采用相同的等离子体放电装置，不同之处在于，金属线圈2的奇数线圈处于放电间隙1/2处，偶数线圈处于放电间隙5/8处，奇偶数线圈内径不同。

采用多功能物理场模拟软件COMSOLMultiphysics来模拟实施例6正视角剖面的电场强度，施加电压为3000sin(100πt)V。如图10所示，在正弦交变电场作用下，取长度为8mm的放电长度，可以发现添加金属线圈后的静电场出现局部可达2.84×10

本发明提供的方法，通过采用不同的金属线圈的直径和螺距，导致电场的畸变程度不同，从而实现对电场增加程度的控制。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。