纳秒脉冲火花放电高效转化甲烷的实验研究

火花放电是一种气体温度介于电弧放电和介质阻挡放电(DBD)之间的放电形式,具有设备简单、成本较低、转化率高和能量利用效率高等优点,是存在工业化潜力的甲烷高效转化技术。纳秒脉冲放电具有窄脉宽和上升沿,能够提高火花放电等离子体的不平衡程度,降低气体温度,进一步提高甲烷转化能量利用效率。本文研究纳秒脉冲甲烷放电的放电特性和产物分布,实验结果表明在输入能量为170kJ/mol的条件下,甲烷转化率可达60%、氢气选择性和产率分别为44.4%和26.6%、乙炔选择性和产率分别为28.8%和16.8%、总能量利用效率为33.9%、氢气能量利用效率为23%。获得了350～700nm的甲烷等离子发射光谱(OES),包括Ha、Hb、Hg 氢原子等Balmer谱线和CH、C~+、C_2等谱线,并利用Ha 的Stark展宽效应估算了电子密度约为1017cm-3量级。利用ICCD和单色仪获得了电子密度和CH、C_2发射光谱演变过程,实验结果表明电子密度随时间逐渐减少;C+几乎仅在外加脉冲时存在,CH仅在外加脉冲结束后出现,说明C+主要是由电子碰撞产生的,而C+在放电结束后与H发生反应生成CH,CH进一步复合生成C_2H2。     

脉冲介质阻挡放电等离子体催化CH_4直接转化

研究了微秒脉冲和纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体CH_4转化过程。对比了两种脉冲电源激励的CH_4介质阻挡放电等离子体特性,考察了不同脉冲电源激励时重复频率、流速和输入功率对CH_4转化效率及气态产物分布的影响,并对不同实验条件下CH_4转化反应路径的选择进行了分析。实验结果发现,CH_4转化气态产物均以H_2、C2H_6为主,CH_4转化率和H_2产率随着重复频率的上升而下降,但随流速的增大而减小。相同重复频率和流速条件下,微秒脉冲电源激励时CH_4转化率和H_2产率较高,而纳秒脉冲电源激励时具有能量利用率高的优势。在高重复频率、低流速条件下,在石英管内壁和金属电极上会产生更多的积炭和液态烃,因此导致反应的碳氢平衡降低。微秒脉冲电源激励时,随着输入功率的升高氢气和乙烷选择性下降,纳秒脉冲电源激励时呈现出相反的趋势。     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.     

新型复合静电除尘器脱硝性能研究

NO是燃烧产生的重要气体污染物之一。脉冲放电与直流放电相结合的新型除尘方式在有效提高对粒径小于 2.5 mm的颗粒物(PM2.5)脱除效率的同时,还具有氧化NO的能力。高压脉冲放电产生的高能电子可以产生强氧化性的自由基,对NO进行氧化,同时还可以直接打断N-O键,游离态的N原子大部分生成了N2分子。线筒式放电结构氧化NO的能力明显优于线板式放电,与除尘能力具有一致性。氧化效率随着电压的升高而升高,由于一定电压下对NO的处理量趋于定值,氧化效率与NO的初始浓度具有重要的关系,同时也受NO2浓度的影响。在该文讨论的反应器中,当脉冲峰值电压达到50kV,NO初始体积分数低于10-4时,NO的氧化率可以达到90%以上。氧化产物NO2可以在湿法脱硫设备中脱除。     

平行磁场对脉冲针–板介质阻挡放电物理化学特性的影响EI北大核心CSCD

为在大气压下产生高强度的介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体,该文利用永磁铁产生平行于电场方向的磁场,用于增强纳秒脉冲针–板DBD等离子体的物理化学活性,并探究不同脉冲参数下磁场对等离子体特性的影响规律和机制。考察平行磁场辅助脉冲针–板DBD等离子体的动态演化特性,并从电学、光学和臭氧生成特性等方面研究了脉冲电压幅值、上升沿时间和下降沿时间等参数对平行磁场辅助脉冲针–板DBD特性的影响规律。实验结果表明:平行磁场通过磁化电子改变DBD等离子体特性;施加平行磁场后,针–板DBD中空间流光放电及介质表面流光放电强度增强;不同脉冲放电参数下,施加平行磁场对放电强度及臭氧产量均显示出增强效果,在短脉冲上升沿时间条件下平行磁场的增强效果尤为显著。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

不同介质下纳秒脉冲介质阻挡放电特性对比

介质阻挡材料是影响介质阻挡放电的一个重要因素。为此,采用聚四氟乙烯、K9玻璃和环氧分别作为介质阻挡材料,研究了介质阻挡层厚度、气隙距离、施加脉冲电压幅值、重复频率对放电特性的影响,并对结果进行了对比分析。实验结果表明,阻挡材料的介电常数越大,越容易产生强烈的放电;玻璃为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许介质厚度范围最大,但漏电也最为严重;聚四氟乙烯为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许频率范围最大;环氧为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许电压范围最大。     

双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究

利用火花隙开关的双极性陡前沿窄脉冲高压电源 ,产生双极性陡前沿窄脉冲 ,在放电反应器中引发介质阻挡放电。试验结果表明 :该种形式的放电兼有短脉冲电晕放电和介质阻挡放电的优点 ,合成臭氧产率高 :进气为露点 <-40℃的干燥空气 ,臭氧质量浓度在 4～ 8g/ m3时 ,产率为 90～ 12 0 g/ (k Wh) ;进气为工业瓶装氧气 ,臭氧质量浓度在 3～18g/ m3时 ,对应产率为 30 0～ 390 g/ (k Wh) ,对比普通的介质阻挡放电提高产率幅度 >30 %。     

高压纳秒脉冲下介质阻挡放电的仿真研究

为研究ns脉冲高电压条件下介质阻挡放电的特性,在实验测量正极性ns脉冲介质阻挡放电电压、放电电流的基础上,根据脉冲介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的气隙电压、放电电流及功率等参数进行了计算。计算结果表明,气隙电压、电流均为双极性脉冲且放电瞬时功率呈现双峰,分析认为此双极性脉冲是由介质层累积电荷所致;阻挡介质材料、厚度和施加电压频率不同,正极性ns脉冲介质阻挡放电结果也不同;施加电压类型对介质阻挡放电影响很大,相比交流、单极性μs脉冲和单极性亚μs脉冲的介质阻挡放电,正极性ns脉冲介质阻挡放电的放电电流大很多。     

多针-平板电极介质阻挡放电的特性及影响因素研究

通过电压-电流波形图和电压-电荷李萨育图形的测量，研究了空气中多针-平板电极介质阻挡放电特性，比较了这种放电和平板-平板电极介质阻挡放电的区别。通过实验研究了放电间隙距离、多针电极针的密度、阻挡介质材料性质对多针-平板电极介质阻挡放电放电功率的影响。实验结果表明，在相同的条件下，与平板-平板电极介质阻挡放电相比，多针-平板电极介质阻挡放电消耗较大的放电功率；放电空间消耗的功率随外加电压和介电常数的增加而增加，随气隙距离的增加而减小。     

介质阻挡放电的放电过程仿真研究

为深入地理解介质阻挡放电(DBD)的放电机理和实现DBD等离子体的大规模工业应用,采用基于连续性方程和泊松方程的DBD模型仿真研究了大气压空气中DBD的放电过程,计算得到放电空间的电子密度、电场强度和电压电流随时间变化的规律,讨论了阻挡介质在DBD放电不同阶段的作用。仿真结果表明,DBD的微放电过程可分为电子崩、流注和放电熄灭3个连续的阶段。在电子崩和流注阶段间,阻挡介质主要起到加速流注形成的作用;而在放电熄灭阶段,阻挡介质主要起到限制放电电流的自由增长,从而阻止放电发展到电弧的作用。     

Sterilization of E. coli by underwater pulsed streamer discharges in a continuous flow system

Underwater pulsed streamer discharges using a wire‐to‐cylinder electrode contained in a 42‐mm‐diameter glass tube were investigated with respect to its spatial spread associated with voltage waveforms. A discharge reactor with a continuous flow system was employed to sterilize E. coli suspended in saline water (10 mS/m). The discharge electrode consisted of a 0.1‐mm‐diameter metal wire for the high voltage and a mesh cylinder for the ground electrode. Tens of disk‐shaped discharges emerged from the wire electrode and propagated toward the cylinder as long as the voltage lasted. The spatial expanse of the discharge was proportional to the cube of the pulse duration and to the amplitude of the voltage. The sterilization experiment showed that the survival ratio of bacteria over discharges was proportional to the average number of the exposures to the discharges while in the reactor. The minimum ratio of surviving bacteria was only 15% under 130 exposures, which corresponds to an energy expenditure of 35 J/ml. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 164(1): 1–7, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20554     

Behavioral characteristics of nanosecond pulsed discharge in coaxial electrodes

The environmental improvements by pulsed discharge plasma, a type of nonthermal plasma, have received much attention all over the world. The observation of discharge plasmas is beneficial for better understanding of the plasma physics of this growing field. Recently, nanosecond (ns) pulsed discharge with a short pulse duration of 5 ns achieved the higher energy efficiency on ozone generation and NO removal. However, the underlying mechanisms of these high efficiencies remain unclear. In the present study, the effects of electrode geometry on propagation process of ns pulsed discharge in coaxial electrodes were investigated using an ICCD camera. As the results, increasing wire diameters from 0.2 to 2.0 mm lead the different streamer discharge parameters; propagation velocity of streamer heads from 4.8 mm/ns to 12.5 mm/ns, peak of discharge current from 243 to 328 A, respectively. Therefore, it is concluded that the wire diameter is one of the paramount parameters to control the characteristics of the ns pulsed streamer discharge.     

脉冲电弧放电产生医用一氧化氮的放电条件研究

NO作为救治急性呼吸衰竭综合征的新方法而受到关注。空气中的电弧放电可以产生NO。为满足NO医疗应用对NO2和NO2/(NOx)尽可能小的要求,实验采用负脉冲电弧放电,重点研究了电极间距、放电频率和电极极性等参数对NO和NO2浓度的影响。结果发现:NO2/(NOx)的比值在某电极间距范围内有一个最低值,NO和NO2浓度随电极间距和放电频率的提高而增加,电极极性对NO2/NOx比值的影响不明显。可以通过对放电条件的选择与组合,达到降低NO2浓度和NO2/(NOx)比值的目的。     

水中脉冲放电活性粒子的研究

通过发射光谱和化学方法检测蒸馏水中脉冲放电产生的活性粒子，研究了氧气流量造成的放电形式变化(流注和火花放电)，活性粒子(包括羟基、激发态氢原子、氧原子和过氧化氢)变化。实验表明放电形式对各种活性粒子的产率有明显的影响，而气体流量的大小直接决定放电形式的转变，其中氢原子发射光谱强度的变化可以直接表示这种转变，这种转变也决定了OH和H发射光谱强度的差异。     

Energy Efficiency of Corona Discharge Reactor Driven by Inductive Energy Storage System Pulsed Power Generator

Characteristics of a pulse corona reactor driven by an inductive energy storage (IES) pulsed power generator are described in this paper with focusing on the influence of streamer-to-glow transition on NO removal efficiency. A pulsed high voltage with a short rise time of under 30 ns is employed to generate streamer discharges homogeneously in whole the discharge region. Fast recovery diodes are used as semiconductor opening switch (SOS) to shorten the rise time. The various resistors are employed as dummy load to clarify a suitable circuit parameter such as the capacitance of a primary energy storage capacitor and/or the inductance of a secondary energy storage inductor. The energy transfer efficiency of the pulsed power generator has a maximum value of 50% at 714 Omega dummy load resistance. A co-axial cylinder type discharge chamber was used as the corona discharge plasma reactor driven by the IES pulsed power generator. The pulsed power generator supplies 30 kV pulse with 300 pps repetition rate. The co-axial cylinder plasma reactor consists of 1 mm diameter tungsten wire and 19 mm i.d. copper tube with 30 cm length. NO removal from the simulated diesel engine exhaust gas (N₂:O₂=9:1, Initial NO concentration=200 ppm) increased with input energy into the reactor. The energy efficiency for NO removal was obtained to be 25 g/kWh at 30 % removal in gas flow rate of 2 L/min. However, the energy efficiency decreased to 5 g/kWh with increasing capacitance of the primary capacitor from several hundreds pF to several nF. This decrease was caused by a streamer-to-glow transition. The efficiency was affected by oxygen concentration in the gas mixture.     

脉冲放电能量传输的实验研究

针对脉冲电压Up沿放电线传播发生流光电晕放电,脉冲能量注入反应器内产生活性自由基进行烟气脱硫脱硝过程中,沿线Up波形的变形及脉冲能量的衰减会影响活性自由基产生的问题,为给设计工业应用反应器的几何尺寸提供依据,研究了Up及脉冲能量沿放电线变形、衰减的特性,且研究了电压、脉冲成形电容Cp、线径d及线长l等因素对能量传输、衰减的影响。实验结果表明脉冲电压沿放电线传输时,电压波形发生衰减,随着传输距离的增大,电压波形变形严重;电压、Cp、d和l对能量衰减有一定的影响,增大电压、Cp和d,沿线脉冲能量的衰减速度增大;l越短,能量衰减越快。实验得出最佳l≤10 m。     

介质阻挡放电对甲烷离解及燃烧火焰的影响

介质阻挡放电（dielectric barrier discharge,DBD）燃烧强化是等离子体技术领域发展起来的新的应用途径。在未燃烧的气体燃料或者可燃混合气体中进行DBD,利用放电产生的活性自由基,影响燃烧系统的化学平衡,进而达到改善燃料燃烧特性的目的。采用光谱仪分别对放电间隙和燃烧火焰进行光谱测量,并对燃烧的火焰形态进行记录。实验结果表明,甲烷放电后离解生成了CH基和H基,放电电压增加,CH基对应的光谱强度相应增加;放电处理后的甲烷燃烧火焰主要组成成分发生变化;在一定放电条件下,火焰产生回火现象。利用Fluent仿真软件研究了CH基和H基对甲烷燃烧的影响,仿真结果与实验结果吻合。研究认为甲烷燃烧特性的改善是DBD使甲烷离解生成的CH基和H基造成的。     

气体成分对水中脉冲放电产生过氧化氢的影响

通过化学方法检测了水中脉冲放电产生的H2O2,通过拍摄照片研究流注长度的变化。实验发现,在分别通入氮气和氧气的情况下,随着气体流量和放电时间的增加,H2O2的浓度逐渐增加;在电极间距为5cm,所加电压为35kV时,通氮气比通氧气生成的H2O2多,通氮气时流注长度较通氧气时要长。在电极间距为3cm,所加电压为21kV时,通氧气比通氮气生成的H2O2多,而流注长度差异不大。