一种液态电极介质阻挡放电反应器

1.本发明涉及介质阻挡放电反应器结构设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种液态电极介质阻挡放电反应器。


背景技术：

2.低温等离子体(non-thermal plasma，ntp)具备优良的化学效应、温升效应、气动效应，且与催化剂协同性高等优点。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，dbd)作为一种典型的低温等离子体技术，在废气治理、医学杀菌、辅助燃烧、材料表面改性等诸多领域得以发展。dbd放电由大量纤细的快脉冲放电通道构成，由于弥散特性也被称为无声放电(silent discharge)。dbd反应器结构特征主要体现为在高压电极与接地电极之间插入高击穿场强的电介质材料(石英、陶瓷、云母、聚四氟乙烯、聚合物薄膜等)以阻挡电弧贯穿气隙通道。dbd反应器放电结构大体分为同轴式与平板式两类，因其结构差异性和放电多样性，有效地拓宽了其应用领域和场景。
3.然而，现有dbd技术在反应器结构方面仍存在诸多不足。基于同轴放电结构，目前通常采用一段式金属棒(不锈钢、紫铜、铝合金等)作为高压电极，一段式金属网作为接地电极。现有一段式dbd结构在较长放电长度、较大放电间隙下放电均匀度与稳定性均受到很大限制，且在放电过程中存在能耗损失大、效率低等问题。其次，暴露在环境中的金属外网电极长期工作极易发生烧蚀氧化，影响电极运行寿命及放电稳定性。此外，电极在启停工作中存在明显的热胀冷缩现象，严重影响金属外网覆盖的紧密性。最后，金属外网电极易导致反应器在局部尖刺与边缘处优先放电，增强了尖端处的电荷记忆效应，严重制约反应器的工作寿命并弱化整个放电区间的均匀度。如何克服上述dbd反应器结构导致的缺陷，目前鲜有相关研究与报道。


技术实现要素：

4.根据上述提出的现有dbd反应器结构设计存在放电均匀度差、稳定性差、电极寿命短、能耗高等缺陷的技术问题，本发明提供一种液态电极介质阻挡放电反应器结构设计。本发明主要通过构建液态接地电极溶液腔填充液态接地电极取代dbd技术反应器结构中的金属外网，同时通过构建多方案分段式的导电电极，从而起到改善dbd放电均匀度、稳定性、强度、电极寿命、系统能耗等性能指标的效果。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种液态电极介质阻挡放电反应器，包括高压电极；所述高压电极采用紫铜、不锈钢、铝合金或钨等高导电材质制成；
7.所述高压电极的外侧套置有导电金属环；所述导电金属环采用高导电率的金属材料制成。
8.所述高压电极在所述导电金属环的两端分别设置有第一绝缘介质环；第一绝缘介质环采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成。
9.所述导电金属环和所述第一绝缘介质环位于内电介质层内，并被其紧密包裹，内电介质层可以防止高压电极、导电金属环和第一绝缘介质环受到腐蚀。所述内电介质层采用聚四氟乙烯、石英玻璃或陶瓷制成，所述内电介质层呈圆管状；
10.所述内电介质层的外侧套置有外电介质层，所述外电介质层采用高透光率的石英玻璃制成。所述外电介质层外紧贴液态接地电极溶液腔，且所述液态接地电极溶液腔内具有液态电极溶液；液态电极溶液形成接地电极。所述液态接地电极溶液腔具有溶液电极进口和溶液电极出口，所述液态电极溶液通过水泵在所述液态接地电极溶液腔内循环。所述液态电极溶液可采用nacl、kcl或koh等高电导率的盐溶液，且通过调节盐溶液的浓度来控制电导率的大小。根据需要调整外电介质层的厚度、液态接地电极溶液腔的体积和液态溶液的流速。外电介质层、液态接地电极溶液腔为整体设计，减小了反应器的尺寸。
11.所述内电介质层和所述外电介质层之间具有用于气体放电的等离子体放电区；所述高压电极两端分别固定有紧固套，紧固套将所述等离子体放电区密封；紧固套与所述高压电极固定，并保证其同轴度。
12.所述高压电极的一端穿过紧固套，并与等离子体电源高压端子连接，作为高压激励电极，接通电源后净化转化所述等离子体放电区内的工质气体。
13.紧固套的轴向设有多个放电区域观测孔。两个紧固套轴向设有与所述等离子体放电区连通的气体进口和气体出口。紧固套采用聚四氟乙烯制成。
14.所述导电金属环为一个整体式导电金属环，或所述导电金属环为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环和设置在相邻两个子导电金属环之间的第二绝缘介质环。第二绝缘介质环采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成；第二绝缘介质环的厚度根据实际施加的激励电压范围来调节，防止高压电极与接地电极击穿放电。
15.所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为：所有所述子导电金属环的长度和为定值，所有所述第二绝缘介质环的长度相同，实现了绝缘间隔相同，所述子导电金属环的数量为变量。
16.或所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为：所有所述子导电金属环的长度和为定值，所述子导电金属环的数量为定值，所述第二绝缘介质环的长度为变量。
17.这种分段式电极设计方案具备结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用领域及具体的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。同时实现了一个高压端子并联多组放电环，可有效提升放电均匀度与强度。极大改善了dbd放电的稳定性电极寿命、系统能耗等性能指标。
18.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.本发明通过构建液态接地电极溶液腔填充液态接地电极取代dbd技术反应器结构中的金属外网电极，解决了现有技术中dbd技术反应器结构中的金属外网电极所带来的一系列问题；其次，本发明分段式放电结构设计可以实现一个高压端子并联多组放电环，有效提升放电均匀度与强度；此外，内外电介质层的结构设计可以有效避免金属电极腐蚀，提高放电反应器适合用寿命和放电稳定性；最后，多方案分段式放电结构的设计对探索最优电极环数、绝缘间隔长度的一般性规律有重要意义，并对推动介质阻挡放电技术在诸多领域的广泛应用具有重要价值。
20.综上，应用本发明的技术方案通过构建液态接地电极溶液腔填充液态接地电极取代dbd技术反应器结构中的金属外网电极，并通过构建多方案分段式的液态电极解决了现有技术中dbd放电均匀度低、稳定性差、强度低、电极寿命短、系统能耗大等问题。
21.基于上述理由本发明可在介质阻挡放电反应器结构设计等领域广泛推广。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例1～3中一种液态电极介质阻挡放电反应器结构示意图。
24.图2为本发明实施例2中子导电金属环与第二绝缘介质环组合方式示意图。
25.图3为本发明实施例3中子导电金属环与第二绝缘介质环组合方式示意图。
26.图4为本发明具体实施方式中电极结构对放电功率密度和脱硝效率的影响数据分析图。
27.图中：1、气体进口；2、气体出口；3、溶液电极进口；4、溶液电极出口；5、高压电极；6、左第一绝缘介质环；7、导电金属环；8、右第一绝缘介质环；9、内电介质层；10、等离子体放电区；11、外电介质层；12、液态接地电极溶液区；13、紧固套；14、放电区域观测孔；15、紧固套；16、子导电金属环；17、第二绝缘介质环。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字
母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“轴向、径向”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
33.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
34.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
35.实施例1
36.如图1所示，本发明提供了一种液态电极介质阻挡放电反应器，包括高压电极5，其采用螺栓杆式结构，具有外螺纹；所述高压电极5采用紫铜、不锈钢、铝合金或钨等高导电材质制成；
37.所述高压电极5的外侧套置有导电金属环7；所述导电金属环16采用高导电率的金属材料制成。所述高压电极5在所述导电金属环7的两端分别设置有与其螺纹配合的第一绝缘介质环，分别为左第一绝缘介质环6和右第一绝缘介质环8；第一绝缘介质环采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成。
38.所述导电金属环7为一个整体式导电金属环7
39.所述导电金属环16和所述第二绝缘介质环17与所述高压电极5螺纹配合；采用多个导电金属环16和第二绝缘介质环17进行绝缘，实现了导电金属环组7的分段式布置；
40.所述导电金属环7、所述左第一绝缘介质环6和所述右第一绝缘介质环8位于内电介质层9内，并被其紧密包裹，内电介质层9可以防止高压电极5、导电金属环7和第一绝缘介质环6受到腐蚀。所述内电介质层9采用聚四氟乙烯、石英玻璃或陶瓷制成，所述内电介质层9呈圆管状；
41.所述内电介质层9的外侧套置有外电介质层11，所述外电介质层11采用高透光率的石英玻璃制成。所述外电介质层11外具有液态接地电极溶液腔12，且所述液态接地电极溶液腔12内具有液态电极溶液；液态电极溶液形成接地电极。所述液态接地电极溶液腔12具有溶液电极进口3和溶液电极出口4，所述液态电极溶液通过水泵在所述液态接地电极溶液腔12内循环。所述液态电极溶液可采用nacl、kcl或koh等高电导率的盐溶液，且通过调节
盐溶液的浓度来控制电导率的大小。根据需要调整外电介质层11的厚度、液态接地电极溶液腔12的体积和液态溶液的流速。外电介质层11、液态接地电极溶液腔为整体设计，减小了反应器的尺寸。
42.所述内电介质层9和所述外电介质层11之间具有用于离子体放电的等离子体放电区10；放电间隙尺度在mm量级。所述高压电极5两端分别固定有紧固套，如图1所示，分别为左紧固套13和右紧固套15。左紧固套13和右紧固套15将所述离子体放电区10密封；左紧固套13和右紧固套15与所述高压电极5通过螺纹固定，并保证其同轴度。
43.所述高压电极5的左端穿过左紧固套13，并与等离子体电源高压端子连接，作为高压激励电极，接通电源后净化转化所述等离子体放电区10内的工质气体。
44.左紧固套13的轴向设有多个放电区域观测孔14。右紧固套15轴向设有与所述等离子体放电区10连通的气体进口1，左紧固套13轴向设置有与所述等离子体放电去10连通的气体出口2。左紧固套13和右紧固套15采用聚四氟乙烯制成。
45.在本发明的一种优选实施方式中，导电金属环与绝缘介质环错开组合，在总放电长度一致的条件下，可以实现等绝缘间隔长度不同导电金属环数与等导电金属环数不同绝缘间隔长度多种组合方式。这种分段式电极设计方案具备结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用领域及具体的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。
46.实施例2
47.如图1～2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述导电金属环7为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环16和设置在相邻两个子导电金属环16之间的第二绝缘介质环17。第二绝缘介质环17采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成；第二绝缘介质环17的厚度根据实际施加的激励电压范围来调节，防止高压电极5与接地电极击穿放电。
48.所述子导电金属环16与所述第二绝缘介质环17的组合方式为，所有所述子导电金属环16的长度和为定值，所有所述第二绝缘介质环17的长度相同，实现了绝缘间隔相同，所述子导电金属环16的数量为变量，如图2所示，子导电金属环16的数量由两个至五个依次变化，子导电金属环16的单独长度逐渐变小，但所有所述子导电金属环16的长度之和均与实施例1中所提到的整体式的导电金属环7的长度相等。
49.实施例3
50.如图1和3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述导电金属环7为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环16和设置在相邻两个子导电金属环16之间的第二绝缘介质环17。第二绝缘介质环17采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成；第二绝缘介质环17的厚度根据实际施加的激励电压范围来调节，防止高压电极5与接地电极击穿放电。
51.所述子导电金属环16与所述第二绝缘介质环17的组合方式为，所有所述子导电金属环16的长度和为定值，所述子导电金属环16的数量为定值，所述第二绝缘介质环17的长度为变量。如图3所示，所述子导电金属环16的数量为五个，第二绝缘介质环17的长度由上至下依次增加，即绝缘间隔逐渐增加。
52.实施例2与实施例3中，导电金属环均采用分段式放电结构，其实现了一个高压端
子并联多组放电环，可有效提升放电均匀度与强度。这种分段式电极设计方案具备结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用领域及具体的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。同时，极大改善了dbd放电均匀度、稳定性、强度、电极寿命、系统能耗等性能指标。
53.如图4所示，为本实施方式中电极结构对放电功率密度和脱硝效率的影响数据分析图。图4a为不同反应器下的电极结构，其中，电极a为传统双金属电极反应器中的一段式高压极，电极b(实施例1)、c(实施例2中具有五个子放电金属环的情况)、d(实施例3中最底端处绝缘间隔最大的情况)均为液态接地电极反应器中的高压极。图4b展现了不同电极条件对放电功率密度的影响。在相同输入电压下，电极a放电所需功率密度最大，放电消耗的能量最大。本发明设计的分段式电极c放电所需功率密度较小，且随着绝缘间隔的增大，电极d放电功率密度进一步降低。以脱硝为例，电极结构对脱硝效率的影响如图4c。相较于传统双金属电极结构，本具体实施方式中的分段式液态接地电极脱硝效率较高。相较于一段式电极，分段式电极脱硝效率提升显著，且随着绝缘间隔的增大脱硝效率进一步增大。
54.上述实施例，通过采取控制变量法，基本涵盖了所有分段式电极结构。本发明dbd反应器结构可用于废气治理、甲烷重整、co2转化、催化剂制备等诸多应用领域，根据实际的应用领域和具体情况，参考本发明，设计出最优的分段式电极dbd反应器。
55.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。