[发明专利]一种大气压非热等离子体发生器

说明书

技术领域

本发明属于低温等离子体技术领域，涉及到一种等离子体发生器，特别涉及到一种大气压非热等离子体发生器。

背景技术

低温等离子体可以分为热等离子体和非热等离子体。热等离子体由于需要同时加热等离子体中的所有粒子，而需要消耗更多的能量，并且由于所有粒子都被加热，导致等离子体气体温度高达5000 K以上，进而对电极和发生器的材料与结构要求比较苛刻，同时需要快速冷却降温系统。但是在非热等离子体中，电子温度远高于重粒子温度，故气体可以保持在较低的温度，甚至室温。大气压下产生非热等离子体的方法主要有电晕放电、介质阻挡放电、火花放电和滑动弧放电等。其中，前两种非热等离子体的电子密度低，反应活性低。火花放电等离子体的电子密度高，反应活性高，但其产生的等离子体有效体积太小。这很难满足工业上对大体积等离子体反应区的需求。滑动弧放电虽然可以得到大体积的等离子体反应区，但是由于滑动弧放电等离子体的产生需要高的气体流速推动弧通道的滑动来实现，这导致其能量密度相对较低，能量密度可调范围窄，并且其内在机制是由热等离子体转变为非热等离子体，即等离子体空间分布的均匀性较差(Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, 38: R1-R24)。目前尚无同时兼顾大体积、均匀的空间分布、高能量密度并且能量密度可调范围宽的等离子体发生器。

发明内容

本发明提供了一种大体积、空间分布均匀、高能量密度并且能量密度可调范围宽的非热等离子体发生器，克服现有的大气压非热等离子体发生器存在的上述问题。

为实现此目的，本发明的技术方案是在发生器的外管内，通过电极旋转带动火花或非热弧放电通道绕电极旋转的轴心转动，包围形成一个大体积的等离子体反应区。火花或非热弧放电通道受到旋转电极的带动而快速转动，使等离子体均匀地分布在整个反应区。在发生器的外管内，设置两个电极，一个电极旋转另一个不旋转或两个电极同时旋转。旋转电极具有一个或一个以上的放电端，不旋转的电极采用金属棒、金属管、金属环或金属网。发生器的不同电极结构，如附图所示。电极旋转半径为5 - 500 mm，两电极间距为5 - 500 mm。电极上施加脉冲或非脉冲的直流或交流高压，交流高压频率为50 Hz - 500 kHz。由此可以获得圆台状、圆柱状、圆锥状等不同空间形状的等离子体。由于放电通道的转动不是通过高速气流吹动而实现的，这使得本发明提供的这种大气压非热等离子体发生器，不仅适用于高流速气流，也适用于低流速气流，即适用于气体流速范围不大于 20 m/s的气流。因此，该发生器所产生的等离子体可在很宽的能量密度范围调节。针对不同的反应体系所需，调节合适的能量密度，以获得最佳的能量效率。

本发明的效果和益处是，所提供的一种大气压非热等离子体发生器，不仅可获得大体积、空间分布均匀和能量密度高的等离子体反应区，而且其能量密度可调范围和气体流速适应范围都非常宽。该发生器在大气压和低温下运行，无需真空设备，装置简便易行，能量效率高，适用于工业上大规模生产需求。

附图说明

图1是具有一个放电端的旋转电极和棒状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图2是具有一个放电端的旋转电极和管状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图3是具有一个放电端的旋转电极和环状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图4是具有一个放电端的旋转电极和网状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图5是具有一个放电端的两个旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图6是具有多个放电端的旋转电极和棒状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图7是具有多个放电端的旋转电极和管状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图8是具有多个放电端的旋转电极和环状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图9是具有多个放电端的旋转电极和网状不旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图10是具有多个放电端的两个旋转电极的非热等离子体发生器的结构示意图。

图中：1.棒状电极；2.发生器的外管；3.一个放电端的旋转电极；4.管状电极；5.环状电极；6.网状电极；7.多个放电端的旋转电极

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

采用直径6 mm不锈钢棒，位于直径30 mm的石英外管轴心，作为不旋转的棒状电极。仅有一个放电端的旋转电极，使用直径3 mm的不锈钢丝作为放电端，绕石英外管轴心以半径10 mm旋转。两电极间距为17 mm。将频率为95 kHz的正弦波高压，施加于电极上，即可得到大体积、空间分布均匀和能量密度高且可调范围宽的非热等离子体。该等离子体发生器用于生物气的氧化重整反应，在能量密度128 kJ/mol，气体流量为1.4 SLM，流速为0.12 m/s，CH₄:CO₂:O₂=3:2:2时，原料气中O₂, CH₄和CO₂的转化率分别达到99%，91%和44%，能量效率高达60%。