[发明专利]一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统

说明书

技术领域

本发明属于工业废气低温等离子催化处理领域，具体涉及一种U型板式介质阻挡放电低温等离子反应器及反应系统。

背景技术

等离子体技术是高新技术研究的前沿之一，等离子体是由电荷数目相近的正粒子、负粒子(其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等)组成的集合体，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统，是固体、液体和气体三态以外的新的聚集态，又称物质的第四态。气体本身是电的绝缘体，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体低温等离子体。放电过程中虽然电子温度很高，但是重粒子温度很低，整个体系呈低温状态，所以称为低温等离子体。它们在宏观上呈电中性，其粒子的平均能量为：l<W<2x1069V。现在利用等离子体的高能量可以进行常规条件下难于进行的化学反应或材料的加工制备等。

等离子技术已广泛地应用于化学合成、环境科学、材料科学、表面科学、生物及生命科学等领域。应用于环保化学化工上的等离子体是含有各种激发态的电子、原子、自由基和离子等活性基团的离子化气体。这种低温等离子体用于降解污染物，其利用的是这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应，以达到降解污染物的目的。

典型的常温常压条件下用于产生低温等离子体的方法主要有电晕放电(corona discharge)、辉光放电(glow discharge)和介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)等。

辉光放电通常通过在放置板状电极的玻璃管内充入低压气体，并在两极间施加较高电压来获得，其功率密度适中而且放电均匀，可以用来产生具有较高电子能量的非平衡态低温等离子体。辉光放电非常适合应用于材料表面改性及薄膜沉积等领域，但其产生需要昂贵的真空设备，在应用时不能连续运行，需采用分批处理的方式，故难以满足大规模工业应用的要求。

电晕放电一般通过不对称电极来获得，可以产生稳定的非平衡态低温等离子体。目前，这种形式的放电已被广泛应用于工业污染治理。但电晕通常发生在极不均匀电场中的强场强区域的小范围空间内，不适于工业上的大规模表面处理。且这种放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低，大大限制了其应用前景。

介质阻挡放电的机理和过程是给电极施加一定频率和电压的交流电，并在放电间隙插入 阻挡介质，当达到气体的击穿场强时，工作气体会放电。通过放电间隙的电流是由大量叫做微放电的纳秒级快脉冲电流细丝组成，这些微放电在时间和空间上无规则地分布在整个放电空间，在微放电中平均电子能量较高(1—10eV)，而离子能量不高，即非平衡态的低温等离子体。介质可以覆盖在电极上也可以悬挂在放电空间里。其运行气压范围较宽，能够在接近常温和大气压下产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体，且其产生无需真空设备。在这样的等离子体氛围下，再配加其他一些工艺条件，如选择合适的工作气体、气压以及电气参数等，即可达到化学合成、分解等不同的工作目的。反应器放电功率的大小，对于工作状态、运行效果有着重要影响。介质阻挡放电是更适合大规模连续化工业应用的一种气体放电形式，被广泛地应用于许多生产和研究领域。利用气体放电产生的低温等离子体处理工业废气等污染物，具有处理流程简便、净化效率高、能耗低、无二次污染以及能够同时处理微粒等优点，应用前景广阔。

目前介质阻挡放电反应器主要有平面电极结构和同轴圆柱结构(轴向进气)两种，均存在反应器单元结构的气体通流截面积增大困难的问题。

平板电极结构存在的主要问题是：(1)催化气体垂直于两平板电极流入DBD区域，在DBD矩形区域内，气体以层流形式流过平板电极，在靠近平板电极附近，电场强度较高，被激发为等离子态的高能粒子较多，而在远离两平板电极处，即矩形区域中间位置，电场强度较弱，被激发的高能粒子较少，低能态粒子较多。气体层流流动不利于强、弱电场间高能态粒子与低能态粒子间的能量交换(主要以粒子碰撞方式进行)。因此，该种反应器对于DBD没有强化效果。(2)平板电极DBD区域气体的通流截面积为垂直于气流进入方向的放电气隙高度与平板长度的乘积。在处理大流量催化气体时，需要增大气体通流截面积，主要采取的方式是增加放电气隙高度或增加平板长度。平板反应器的击穿放电电压与放电气隙高度成正比，增加气隙高度将导致装置工作电压的线性增加，使电源设计制造及系统绝缘困难，影响反应器DBD的安全性。此外，受限于生产工艺，较长面积且壁厚较小的平板阻挡介质(陶瓷、石英等)加工制造和运输都非常困难，且成本高、强度低、易损坏。