脉冲等离子技术(共28张PPT)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Efficient Energy Delivery Condition from Pulse Generation Circuit to Corona Discharge Reactor,从脉冲产生电路到电晕放电反应器有效能量传输条件,刊名：,作者：,Y.S.Mok,Plasma Chemistry and Plasma Processing,等离子体化学与等离子体处理,Department of Chemical Engineering,Cheju National University,South Korea,第1页，共28页。,1,引言,现在，人们非常关注,SO2,和,NOx,的排放量，也在研究这些废气的清洁技术。脉冲电晕放电方法就是一种能同时从各种气流中去除,SO2,和,NOx,的新技术。,本文介绍正极性电晕放电。,第2页，共28页。,1.1 电晕放电,电晕放电,的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别,分为正极性和负极性电晕放电,负极性电晕,放电,：,当电子引起碰撞电离后，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成,负离子,，在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。若电压继续升高，电晕电流的脉冲频率增加、幅值增大，转变为负辉光放电。电压再升高，出现负流注放电，因其形状又称羽状放电或称刷状放电。当负流注放电得以继续发展到对面电极时，即导致火花放电，使整个间隙击穿。,正极性电晕,放电,：,在尖端电极附近分布着,正离子,，但不断被斥向间隙空间，而电子则被吸进电极，同样形成重复脉冲式电晕电流。电压继续升高时，出现流注放电，并可导致间隙击穿。,第3页，共28页。,1.2 正电晕放电去除废气原理,正电晕脉冲放电是由施加在非均匀的电极几何体上的,快速上升窄正高压脉冲,产生的。电晕放电产生的电子能量大小在,5-10eV,。自由电子在漂移的时候与中性的气体分子,碰撞,失去能量,并发,生,化学反应,形成化学活性的物质，最终去除气体污染物。,第4页，共28页。,第5页，共28页。,第6页，共28页。,1.3 论文解决的问题,脉冲电晕放电去除,NOx,和,SO2,的实验装置主要有,脉冲电源,和,反应器负载装置,两部分组成,第7页，共28页。,在,这种方法中的一个,重要的问题,就是提高从脉冲发生装置到反应器负载的能量传输效率,。,设计脉冲发生电路的时候就要考虑脉冲发生电路与反应器负载的匹配问题,脉冲放电的原理,是基于脉冲形成电容的充电和反应器负载的放电。脉冲形成电容在脉冲发生电路中起着关键的作用,，,理论上,说，为了把所有的储存电荷都传输到反应器装置，脉冲形成的电容值应该等于反应器的电容值。,实际上,，反应器的电容在电晕形成前与电晕形成过程中是不同的,第8页，共28页。,因此，考虑到反应器的电容变化，为了获得最大的能量传输，我们有必要确定脉冲形成的电容值。,在这篇论文中，我们研究了脉冲形成的电容值与能量传输效率的关系。实验结果分析了获得最大能量传输条件的,脉冲形成电容与反应器初始电容比值,。通过分析电压和电流波形评估电晕形成过程中电容的改变。,在最佳的能量传输条件下，去除气体的能量损耗应该是最小的。,第9页，共28页。,2 实验和结果分析,2.1,实验装置,电晕放电反应器是,线板电极结构,如图,1,。线和板都是不锈钢的，正极高压联到线上，板接地，线的直径是，板的高度是,90mm,，板的有效长度是,810mm,，,2,块板之间的距离,30mm,，线以,15mm,间隔放在,2,块板之间。,第10页，共28页。,火花隙脉冲电压发生装置,：,负直流高压电源对脉冲形成电容,Cp,充电。当电容两端的电压达到火花隙电极击穿电压，,Cp,储存的电荷通过杂散电感向反应器电极装置充电。当线和板两端电压超过,起,晕值，一段时间后线电晕放电（,有,滞后）。,起,晕之前反应器是一个电容，但是它应当看作是可变电容和电阻并联。我们改变脉冲形成电容值从,226pF,到寻求最大电能传输条件。,第11页，共28页。,2.2 电压和电流测量,电压和电流分别通过,加在,线和板,探头,测量。测量的电流是电容和电晕电流的和。,电压,测量,：,用数字示波器（,LeCroy 9361),使用直流分压,1000:1+_3%,变比的高压探头测量，带宽和采样比是,300MHz,和。,电流测量,：,使用了电流变压器,(Tektronix CT-4),电流探头,(Tektronix A6302,，,频率达到,50MHz,）,，电流放大器,(Tektronix AM503B),。,CT-4,电流变压器拓展了电流探头的测量能力。电流探头与电流放大器相连，电流放大器放大了电流探头感应的电流，并把电流转变成相应比例的电压，这个电压在示波器上可以看到。因为火花隙脉冲发生装置的特性，每个发出的脉冲波形有细微的不同，因此为了精确的分析，至少需要一千个波形均化。,第12页，共28页。,2.3 气体,下面,做的是,去除,NO,的实验。，在反应器入口通过流量控制器,(MKS 1179),包含,2%,水蒸气和,5%,的,NO,和,N2,的空气导入到电晕放电反应器装置,控制,NO,的浓度,，浓度,被调整为,300+-5ppm,（,15,分子,/,立方厘米）（体积单位），混合气体的流速是，反应器温度保持在,50,度。,在这样实验条件下，没有电晕放电只是因为混合气体中的氧气，大约,10%,的,NO,在通过反应器时被氧化成,NO2,。脉冲的频率从,10,到,50,赫兹变化。电晕放电的前后在反应器的出口通过化学荧光的,NO-NO2,NOx,分析仪器,(Model 42H,ThermoEnvironmental Instrument),分析,NO,的 浓度,第13页，共28页。,2.4 结果和讨论,2.4.1,反应器的几何电容,当脉冲电压施加到线上，电容产生电流并且线和板间的电压增加,.,当电压高于电晕发生的值产生电晕电流。一旦电晕产生，反应器的电容值改变，可以看做是变化的电容与非线性电阻并联。因此我们必须施加低于电晕发生值的足够电压来测量反应器的初始电容值。在这种情况下，测得电流值仅仅是流过电容的电流值。在先前的研究中我们已经知道电晕发生的电压值为,13kV,。,第14页，共28页。,在这样实验条件下，没有电晕放电只是因为混合气体中的氧气，大约10%的NO在通过反应器时被氧化成NO2。,能量转移效率是反应器能量（Ed）与脉冲形成电容能量（Es）的比值。,电压和电流分别通过加在线和板探头测量。,电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。,脉冲频率和电容比值的增大，NO去除量增多,我们假定418作为Rn的计算电阻。,在计算中，按照上面提及的我们假定气体电阻是恒定的。,实验结果比值为时能量传输效率最大电晕放电系统理论分析得出，当比值为时，能量传输效率最大，这与我们的实验结果很相似。,通过分析电压和电流波形评估电晕形成过程中电容的改变。,图中显示的是低于,起,晕值的电压和电流波形。,峰值电压,9kV,可以确保没有电晕放电，,电容电流,计算公式如下：,由上面方程可以求出反应器的几何电容，经过计算得出几何电容值为,110PF,，,方程计算曲线与测得的电流波形吻合证实了获得反应器的电容值是正确的。,第15页，共28页。,2.4.2,反应器电容值的改变,下,图是当脉冲电容为,550p,时获得电压和电流波形。峰值电压大约，峰值电压的上升速率为，,最大值一半的脉冲宽度为,150ns,。,当产生电晕放电时，电压下降。因为电晕的产生使反应器的电容增大，进一步向反应器充电电压再次上升。,第16页，共28页。,我们也可以看出反应器初始电容（,110PF,）与电压对时间的微分乘积仅仅只可以作为电晕产生前电容的电流值。因为反应器电容值是变化的。,电晕产生过程中测得电流值是电容电流与电晕电流的和。,由于反应器电容的改变使得这两部分的电流不能在图上单独的描绘出来。,电容电流,电晕电流,差分,第17页，共28页。,方程可以计算得到电晕产生过程中反应器电容的变化值。但是因为电晕电流不能从我们测量的电流中分离，所以在任意时刻的,Rn,是不知道的。我们假定,Rn,是常值。在图中我们可以看出在,55ns,电容 电流为,0.,那么测得的电流表面上看可以看做是只有电晕电流，这一时刻电压除以电流就可以得出反应器的电阻值。反应器电阻在,55ns,为,418,。我们假定,418,作为,Rn,的计算电阻。,第18页，共28页。,从电压电流波形的分析得,出,反应器电容变化,图,可以知道电晕产生过程中反应器的电容增大。与电晕产生前的初始电容相比较，,反应器的电容增加了倍,，这就意味着为了把所有的脉冲形成电容储存的能量传输到反应器，脉冲形成电容应该是反应器初始电容的倍。在计算中，按照上面提及的我们假定气体电阻是恒定的。如果电晕产生过程中电阻变化不明显，就不会对计算结果有大的影响。例如当电阻假定瞬间增加,20%,（,418,500,），总的结果,CR/CRo,改变仅仅,5%,（）。,第19页，共28页。,2.4.3 能量传输效率,能量转移效率是反应器能量（,Ed,）与脉冲形成电容能量（,Es,）的比值。,传输到反应器的能量,等于电压与电流的乘积对时间的积分。,脉冲形成电容能量,为,:,Vc,是充电电压。在这个实验里脉冲形成电容充电到,第20页，共28页。,图中实线是,Uhm,和,lee,由理论分析的结果,，点是实验的结果。实验结果,比值为时能量传输效率最大电晕放电系统理论分析得出，当比值为时，能量传输效率最大，这与我们的实验结果很相似。,第21页，共28页。,前面,分析获得的,比值,为，这个差异不明显，可能是由于我们假定了反应器到电阻是恒定而引起的,比值进一步增大时能量传输效率减小，因为与反应器电容相比脉冲形成电容太大因而电容中残余的能量大。,一些研究提到为了增大电晕的强度,，,脉冲形成电容应该是反应器初始电容的,100,倍。这些研究只是关心电晕的强度没有考虑能量传输的效率。,第22页，共28页。,2.4.4 NO,的去除,脉冲频率和能量密度与,NO,去除的关系,脉冲频率和电容比值的,增大,，,NO,去除量,增,多,被处理的次数越多,气体那么,No,的去除量自然会增大。相同的脉冲频率下电容比值增加，,NO,的去除量增大是因为,每个脉冲电晕放电的能量增大,（表格,I,）,第23页，共28页。,随着脉冲形成,电容的增大,每个脉冲,放电能量增加,，也就是说相同的脉冲频率下脉冲形成电容越大传输到电晕反应器的,能量越多,。然而电容比越大脉冲形成电容到电晕反应器的,能量传输效率越低,。,第24页，共28页。,这个研究的目的是用最小的能量达到最大的,NO,去除效率。因此我们应该从,总的损耗能量,来考虑,No,的去除效率。反映能量密度对,No,去除的影响。横坐标是能量密度。,第25页，共28页。,f,是脉冲频率，,Q,是气体的流动速率，是能量传输效率。这里所说的不是放电能量密度而是脉冲形成电容储存的能量。,第26页，共28页。,Plasma Chemistry and Plasma Processing,正电晕脉冲放电是由施加在非均匀的电极几何体上的快速上升窄正高压脉冲产生的。,本文介绍正极性电晕放电。,因为火花隙脉冲发生装置的特性，每个发出的脉冲波形有细微的不同，因此为了精确的分析，至少需要一千个波形均化。,正电晕脉冲放电是由施加在非均匀的电极几何体上的快速上升窄正高压脉冲产生的。,当产生电晕放电时，电压下降。,电场继续加强时，正离子被吸进电极，此