脉冲等离子技术

EfficientEnergyDeliveryConditionfromPulseGenerationCircuittoCoronaDischargeReactor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

PlasmaChemistryandPlasmaProcessing等离子体化学与等离子体处理DepartmentofChemicalEngineering,ChejuNationalUniversity,SouthKorea1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。

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。

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。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

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

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。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0.8mm，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。

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3.01nF寻求最大电能传输条件。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（LeCroy9361)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2.5GS/s。

电流测量：使用了电流变压器(TektronixCT-4),电流探头(TektronixA6302，频率达到50MHz）

，电流放大器(TektronixAM503B)。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。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(MKS1179)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（4.9X1015分子/立方厘米）（体积单位），混合气体的流速是1.2m3/hr，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(Model42H,ThermoEnvironmentalInstrument)分析NO的浓度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。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。

2.4.2反应器电容值的改变

下图是当脉冲电容为550pＦ时获得电压和电流波形。峰值电压大约２０ｋＶ，峰值电压的上升速率为１ｋＶ／ｎｓ，

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。

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

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418Ω。我们假定418Ω作为Rn的计算电阻。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2.8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2.8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%（2.8——2.94）。

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18.6KV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3.0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3.13时，能量传输效率最大，这与我们的实验结果很相似。

前面分析获得的比值为2.8，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。2.4.4NO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）

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。

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。

f是脉冲频率，Q是气体的流动速率，η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。

在图中可以看出在某个能量密度下随着电容比降低到3.0，NO去除量最大，但是随着电容比继续下降，N