气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生装置及方法与流程

本发明涉及环境保护中的烟气污染物控制技术，具体涉及到一种通过流动控制达到高效的沿面介质阻挡放电(sdbd)臭氧发生方法，适用于农业、医学、污水处理以及锅炉与工业窑炉的烟气污染物控制。

背景技术：

长期以来，臭氧在农业、医学、环境领域得到了广泛的应用，其强氧化型性以及环境友好特性使得社会对臭氧的需求量增大。然而传统臭氧发生器的高能耗使得造成了臭氧发生过程中高额成本，成为了制约臭氧发生器应用的决定性因素。目前在研究的介质阻挡放电臭氧发生技术有体积介质阻挡放电(vdbd)与沿面介质阻挡放电等。其中沿面介质阻挡放电的结构加工简单且热损失较少，成为一种良好臭氧发生技术。

在现有的沿面介质阻挡放电臭氧发生装置中，气体流动对沿面介质阻挡放电臭氧发生的影响并未大量涉及。sdbd装置主要由放置于流体放电腔室内的陶瓷介质板和附着于介质板正背面的高压电极与接地电极组成。腔室内的气体流动在高压电极与介质层的接触表面产生非平衡态的低温等离子体。传统的沿面介质阻挡放电的气体流动方式主要有如附图1所示的两类：第一类为高压电极方向与气体流动方向平行放置(图1左)，第二类技术为高压电极方向与气体流动方向垂直放置(图1右)。但是，现有sdbd装置的气体流动方向均为单向流动，该单向性造成了混合不均匀导致臭氧发生的低效以及已生成臭氧的不及时排出。单向的气体流动还导致等离子体反应核心区域的温度升高过快加速臭氧分解，降低臭氧发生效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生的方法。其目的是解决传统沿面介质阻挡放电能臭氧发生能耗较高的问题，实现臭氧发生效率的提升。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生装置，包括高压电极、用于导入气源的进气口和用于排放臭氧产物的出气口；该装置还包括一个中空的放电腔，放电腔与高压电极之间由陶瓷介质板实现绝缘隔离；所述进气口和出气口至少有一组且相对布置在放电腔两端，各组进气口和出气口之间的连线方向与高压电极垂直或平行；在中空放电腔的两侧对称布置至少一组扰流气入口，各组扰流气入口之间的连线方向垂直于进气口和出气口的连线方向。

本发明中，所述放电腔是玻璃材质的中空腔体。

本发明中，所述放电腔呈扁平状中空结构。

本发明中，放电腔单侧的气体出入口之间保持均匀间距。

本发明进一步提供了利用前述装置实现气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生方法，包括以下步骤：

(1)从放电腔的进气口引入气源，并从相对设置的出气口喷出，气体流动方向与高压电极垂直或平行；

(2)在高压电极上加载最高至15kv的电压，使沿面介质中的等离子体产生高能量电子以参与臭氧发生过程；

(3)从对称设置的扰流气入口向放电腔中喷入扰流气体，扰流气体的流动方向垂直于气源气体的流动方向，在放电腔中产生扰动以强化混合效果和气流湍流程度，进而提高臭氧发生效率。

本发明中，所述气源为空气或者氧气，其露点大于-50℃，喷入的气体总量为0.5～5l/min。

本发明中，从放电腔两侧以相同流量喷入扰流气体，扰流气体的进气量与气源进气流量的比值为1。

本发明中，在高压电极上加载0～15kv的单极性脉冲电源、0～10kv的双极性脉冲电源，或者是0～15kv的正弦交流电源。

发明原理描述：

本发明在沿面介质阻挡放电装置中采用均匀分布的喷口向反应器内喷入气体，然后加载电源实现电子雪崩及高能电子生成，随后氧气分子与高能电子碰撞分解形成基态氧原子参与三体碰撞反应生成臭氧。进而通过侧面进气口加入来自与初始气流方向垂直的流体扰动，加强等离子体混合与流体湍流程度，从而提高臭氧发生能量利用效率。

本领域技术人员极少利用工程热物理学科的角度来考量放电过程等离子体的反应特性，加之关于沿面介质阻挡放电的臭氧发生应用作为一种新兴技术被研究并不深入。本发明中，主气流的入口方向、主气流喷出方向与高压电极保持平行，在垂直于高压电极方向的两侧相对设置喷入扰流气体的气体入口；同时控制扰流气体流量与主气流进气量比值。其目的是加强等离子体混合程度与反应流体的湍流程度，这样能够实现臭氧发生效率的提升。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的气体流动控制沿面介质阻挡放电臭氧发生的方法，可以提高臭氧发生效率20％以上。

附图说明

图1是两种不用流向的sdbd流动控制示意图；

图2是初始流动与高压电极平行的sdbd流动控制示意图；

图3是初始流动与高压电极垂直的sdbd流动控制示意图。

图中附图标记：1-12为气体进/出口；13为放电腔；14为陶瓷介质板；15为高压电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。

装置结构说明：

气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生装置，包括高压电极15、陶瓷介质板14、中空的放电腔13；放电腔13是玻璃材质的扁平状中空腔体，与高压电极15之间由陶瓷介质板14实现绝缘隔离。放电腔13四周布置气体进/出口1-12。其中包括用于导入气源的进气口和用于排放臭氧产物的出气口，至少有两组且相对布置在放电腔13两端，各组进气口和出气口之间的连线方向与高压电极15垂直或平行。在放电腔13的两侧对称布置至少两组扰流气入口，各组扰流气入口之间的连线方向垂直于进气口和出气口的连线方向。放电腔13单侧的气体出入口之间保持均匀间距。

本发明中，可设置多组冗余的气源-臭氧进出气口与扰流气进出气口，通过预留若干组进出口口的位置以适应后期不同工况及更复杂程度的扰流调整，同时使单个sdbd装置适应多种方式的扰流控制手段。

装置使用方法说明：

气体流动控制的沿面介质阻挡放电臭氧发生方法，包括以下步骤：

(1)从放电腔13的进气口引入气源，并从相对设置的出气口喷出，气体流动方向与高压电极15垂直或平行；气源可选空气或者氧气，其露点大于-50℃，喷入的气体总量为0.5～5l/min。

(2)在高压电极15上加载0～15kv的单极性脉冲电源、0～10kv的双极性脉冲电源，或者是0～15kv的正弦交流电源，使沿面介质中的等离子体产生高能量电子以参与臭氧发生过程。

(3)从对称设置的扰流气入口向放电腔13中喷入扰流气体，扰流气体的流动方向垂直于气源气体的流动方向，在放电腔中产生扰动以强化混合效果和气流湍流程度，进而提高臭氧发生效率。两侧扰流气体喷入流量相同，扰流气体的进气量与气源进气流量的比值为1。

具体实施方案1

气体流动与高压电极平行的sdbd，实现方式如图2所示。

气源经气体流量控制装置从入口1、2、12平行于高压电极方向喷入，从出口6、7、8喷出。加载高压电源后，打开垂直于高压电极方向入口3与入口11引入扰流气。扰流气的总流量与气源进气流量的比值为1。

具体实施方案2

气体流动与高压电极垂直的sdbd，实现方式如图3所示。

气源经气体流量控制装置从入口3、4、5垂直于高压电极方向喷入，从出口9、10、11喷出。加载高压电源后，打开平行于高压电极方向的入口2与入口6引入扰流气。扰流气的总流量与气源进气流量的比值为1。

以上列举的仅为具体实施例子。然而本发明不限于以上实例，还可以产生许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。