（控制理论与控制工程专业论文）电晕净化汽车尾气理论方法与制备技术的研究.pdf

武汉理l 大学硕士学位论文 摘要 对汽车尾气的净化，尽管采取了各种净化方法与措施，但净化效果仍不尽 如人意。传统汽车尾气的净化通常采用化学和机械学的方法，而该文不走老路， 另辟蹊径，在车外采用超高压( 几百k v ) 窄脉冲( 几百n s ) 正电晕裂变法来净 化汽车尾气，这种方法不仅新颖先进，而且毫无负面效应，即毫不影响汽车内 燃机的工作性能。 用超高压窄脉冲正电晕裂变法在车外净化汽车尾气中的有害成分，是基于 现代电学、磁学、化学、光学、机械学等学科交叉结合的前沿热点课题。电晕 裂变使汽车尾气成为活化分子，发生频繁碰撞，在纳秒级的有效碰撞瞬间，将 “爆炸式”的巨大动能转化为分子内部势能，使其化学键断裂，即把c o 、n o , 、 s 0 。等有害成分分解成s 、c o 、o ：、n ：、h 。o 。 该文在充分查阅相关文献和资料的基础上，深入研究了电晕净化汽车尾气 的理论方法与技术手段，并设计了电晕净化汽车尾气的基本设施和主要部件。 通过电晕理论研究了高压脉冲电晕的机理和电晕对汽车尾气中主要有害物( c o 、 n o x 、s 0 2 等) 的净化机理。超高压窄脉冲发生器的设计与实现，包括正电晕裂变 所需要的超高压窄脉冲源的脉幅，脉宽，前沿，后沿，频率等参数的分析和计 算和该脉冲发生器的总体设计与制作。正电晕裂变反应器设施的研究与设计， 包括设计电晕电极和裂变反应腔的几何形状与尺寸及其材料的选用；电晕放电 电流的计算以及反应器中的附加设施配置与研制。以及智能控制器功用的研究， 超高压窄脉冲发生器控制电路( 可调节脉冲电压和频率) 和汽车尾气控制处理 器( 对汽车尾气进入净化排出整个过程进行控制) 的设计。 另外还做了电晕净化汽车尾气的相关模拟实验。实验通过向反应器输入幅 度不同的脉冲电晕电压得到脉冲电晕电压幅度的变化和汽车尾气净化率的关 系；改变脉冲电晕的频率得到脉冲电晕频率和汽车尾气净化率的关系。模拟实 验证明，超高压窄脉冲正电晕裂变法对汽车尾气具有良好的净化效果。 关键词：电晕净化，超高压窄脉冲，汽车尾气，裂变 武汉理i ：人学硕+ 学位论艾 a b s t r a c t a l t h o u g ht h ep e o p l eh a da d o p t e dm a n yp u r i f i c a t i o nm e t h o d sa n dt h em e a s u r e st o p u r i f ya u t o m o b i l eg a s b u tt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c tw a s s t i l lu n s a t i s f a c t o r y t h e t r a d i t i o n a lp u r i f i c a t i o na u t o m o b i l ee x h a u s tu s u a l l yu s e sc h e m i s t r ya n dm e c h a n i c s m e t h o d 。b u tt h i sa r t i c l ed o e sn o tt a k et h eo l dr o u t e 。l 蠢e sa n o t h e rm e t h o d u s e st h e u l t r a h i g hv o l t a g en a r r o wp u l s ee l e c t r o n i c sc o r o n af i s s i o nl a wo u t s i d et h ev e h i c l et o p u r if yt h ea u t o m o b i l ee x h a u s t ，t h i sm e t h o dn o to n l yn o v e la d v a n c e d m o r e o v e rn o t t h en e g a t i v ee f f e c tt h a ti td o e sn o ta f f e c ta u t o m o b i l ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e t h ee l e c t r o n i c sc o r o n ap u r i f i c a t i o na u t o m o b i l ee x h a u s t sm e t h o df u s e dd i s c i p l i n e a n ds oo ne l e c t r i c i t y , m a g n e t i s m ，c h e m i s t r y , o p t i c s m e c h a n i c st h e o r i e sa n dt h e t e c h n o l o g y , t h i si s 氆ef r o n th o ts p o tt o p i cn o w 聪羚e l e c t r o n i c sc o r o n am a k e s a u t o m o b i l ee x h a u s ta c t i v en u m e r a t o rw h i c hc o l l i d eh i 娥仔e q u e n c yi nn a n o s e c o n d s t h eh u g ek i n e t i ce n e r g yw h i c hc a u s e db ya c t i v en u m e r a t o ri st r a n s f o r m e dt o n u m e r a t o ri n t e r i o rp o t e n t i a le n e r g yw h i c hm a k en u m e r a t o r 酌砖p a r t 。 i nt h ea r t i c l ei nt h ef u nc o n s u l tr e l a t e dl i t e r a t u r ea n di nt h em a t e r i a lf o u n d a t i o n t h ed e e pr e s e a r c he l e c t r o n i c sc o r o n ap u r i f i c a t i o na u t o m o b i l ee x h a u s t st h e o r ym e t h o d a n dt h et e c h n o l o g i c a lm e a n st h a ta n dp l a n n e da n dh a sd e s i g n e dt h ee l e c t r o n i c sc o r o n a l b u r i f i c a t i o na u t o m o b i l ee x h a u s tb a s i ci n s t a l l a t i o na n dt h em a j o rc o m p o n e n tc a r e f u l l y t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h em e c h a n i s mo ft h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ap l a s m a d i s c h a r g et h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h et o w n s e n dt h e o r ya n dt h es t r e a m e rt h e o r y , a n dt h em e c h a n i s mo ft h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ar e m o v i n ga n dp u r i f y i n gt h em a i n p o i s o n o u sc o m p o n e n t si ne x h a u s tg a s ，i n c l u d i n gc a r b o nm o n x i d e ( c o ) ，n i t r o g e n o x i d e ( n o x ) ，s u l f u ro x i d e ( s 0 2 ) d e s i g na n dr e a l i z ean a n o s e c o n ds u p e rh i g hv o l t a g e p o w e f r e s e a r c ha n dd e s i g ne l e c t r o n i c sc o r o n af i s s i o ne q u i p m e n ta n di n t e l l i g e n t c o n t r o ld e v i c e i na d d i t i o n t h ee l e c t r o n i c sc o r o n ap u r i f i c a t i o na u t o m o b i l ee x h a u s tr e l a t e d s i m u l a t i o nt e s th a sb e e nd o n e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e s t h ec o n v e r s i o nr u l e so ft h ec l e a n i n ga u t o m o b i l ee x h a u s ti nt h ep u l s ec o r o n a , w i t ht l l e c h a n g i n go ft h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n gt h ep u l s ev o l t a g ea n dt h ep u l s e f r e q u e n c y f i n a l l y , t h er e s u l tp r o v e dt h a tp u n f y i n ga u t o m o b i l ee x h a u s tv i ae l e c t r o n i c s c o r o n ah a sag o o de f f e c t 。 k e yw o r d ：e l e c t r o n i c sc o r o n ap u r i f y i n g ，s u p e r - h i g hv o l t a g en a r r o wp u l s e ，a u t o m o b i l e e x h a u s t ，f i s s i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期： 蒯文8 武汉理i 。人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 众所周知，汽车尾气中的有害成分危害很大。以改善汽车发动机燃烧过程 为主的各种机内净化汽车尾气的方法虽然有一定作用，但成效不大，并且不同 程度的对汽车动力性和经济性带来负面效应。三元催化剂虽然对净化汽车尾气 有较好的效果，但其价格昂贵令用户难以接受，而且柴油车未能使用。因此， 采用现代电气电子的理论方法与技术手段来净化汽车尾气，即用脉冲电晕裂变 法来净化处理汽车尾气中的有害成分不仅具有十分重要的理论研究价值，而且 具有十分重要的实际意义i l 圳。 在此方面进行深入的理论和关键制备技术的研究，可为今后高压脉冲电晕 放电技术在治理汽车尾气和其他类似的有害气体的研究工作提供借鉴。 1 2 相关技术研究动向与现状 电晕技术源于对自然界中雷电放电现象的研究，随着人们对高压电认识的 深入，开始了对其放电机理的研究和探索，在对雷电这种放电现象的研究中， 人们发现雷电能够使空气中的气体发生化学反应，使氮气这样的不活泼气体氧 化从而使雨水中的氮氧化物含量增加，是自然界中天然的氮肥p j 。 ， 人工气体放电很早就已经实现了，但是气体放电发展的过程却是经过很长 时间才被人们逐步认识的。莱顿( l e i d e n ) 瓶起电器等放电设备的发明，对于产生 电火花放电提供了很方便的工具。对气体放电现象的解释最早出现的比较完整 的理论是1 9 0 3 年汤生理论。汤生理论可以解释许多气体击穿现象，比如气压， 极间距等对击穿电压的影响，用电子附着理论解释负极性气体的高压击穿电压 以及混合气体中的潘宁效应等( 有时只能定性地说明) 。但是汤生理论有其不可 克服的缺陷，它不能解释击穿形成的时间延迟，也没有考虑电子雪崩引起的空 间电荷效应1 4 j 。 1 9 4 0 年雷特等人建立的流柱理论与汤生理论相互补充，它将空间电荷的作 武汉理f ：人学硕士学位论文 用看作是种重要的作用。电子雪崩时正离子的浓度达到很高的值，使原来电 场发生很大的畸变，引起局部电予能量的加强，加蒯了电离，这对放电的发展 很重要，此时，电火花的通道是曲折，分枝的。在不对称电极、不很高电压的 情况下，它可以伸到很长的距离，称为“流柱( s t r e a m e r ) 。电流柱转为击穿电 火花。称为“流柱击穿机制( s t r e a m e rb r e a k d o w nm e c h a n i s m ) 1 5 1 。 近年来，随着像变换管相机以及像增强器等技术手段和仪器设备的相继出 现，开始了对毫微秒范围内的放电现象的研究，同时，电子计算机的迅速发展 促进了气体放电的理论计算，使放电发展的图像更加清楚，大大促进了理论工 作的发展，同时对脉冲放电这种特殊的气体放电现象进行了更加深入的实验和 理论研究。 最晕出现的用放电方法控制和治理空气污染的研究是入们发现用电子束照 射有害气体促使气体发生化学反应，从而减少有害气体的排放，但是这种方法 净化效率较低，能耗较大。国铃最先开始了高压脉冲放电技术在工程实际中的 应用，特别是在烟气脱硫脱硝方面的应用包括在以煤炭、石油为燃料的火力发 电厂以及钢铁企业的努排烟气去除其中有害气体的实际生产中褥到运用。 1 2 1 国外高压脉冲电晕技术在汽车尾气净化方面的发展与现状 从上个世纪八十年代开始，国外很多科研工作者就开始对脉冲电晕技术进 行各方砸的研究。1 9 8 4 年，m i z u n o 等人首先用脉冲电晕放电对模拟烟气进行脱 除s o ：的实验，并与电子束法进行了比较；1 9 8 9 年c l e m e n t s 等人用脉冲电晕进 行了同时除去s 0 2 、n o x 和飞灰的研究，实验表明s 0 2 的净化在飞灰的存在条件 下被加强了：1 9 9 0 年，d i n e l l i 等入开展了脉冲电晕同时脱除烟气中的s 0 2 和n o x 的工业实验的研究；y a n k e p i n g 等人研究了双级电晕对n o x 和s 0 2 的脱除： s m a s u d 和h 。n a k a o 研究了正反脉冲电晕放电控制n o x 实验结栗表明氧气和水 分在脉冲电晕场中的作用明显，而正脉冲电晕的净化效率比负脉冲电晕的净化 效率高得多；1 9 9 3 年，d e n n i s j 。h e l f r i t c h 利用脉冲电晕放电对s 进行处理，效 果明显，结果显示其主要产物为硫；1 9 9 6 年，a k r u p a 等人进行了0 2 ，n 2 和n 0 2 混合气体的脱除n 0 2 的研究；1 9 9 7 年，s w a t a n a b e 等人做了静电除尘器并在其 后加三元催化器净化内燃机尾气的实验，但是由予缀难将尾气的温度控制在合 适的范围内，因此实验结果并不理想；1 9 9 8 年m d o r s 和j m i z e r a c z y k 等人进行 2 武汉理1 ：人学硕士学位论文 了直流偏压迭加脉冲电晕通过加湿的静电集尘器脱除n o x 的研究，实验结果表 明通过直流偏压叠加脉冲，通过合理配置电极和能量输入可以获得有效的去除 效率2 i 。 1 2 2 国内高压脉冲电晕技术在汽车尾气；争化方面的发展与现状 国内对高压脉冲电晕技术及其在治理污染空气方面的研究开始于九十年代 初期，但发展很快。1 9 9 0 年，李劲等人利用自行研制的脉冲电源和s 0 2 与空气 混合的模拟烟气，研究了超高压窄脉冲电晕对s 0 2 的脱除；1 9 9 3 年，谭天思等 人开展了脉冲电晕法治理有机废气的实验研究。而到九十年代中期我国才开始 对汽车尾气的污染物的治理展开研究。1 9 9 3 年，白敏冬、白希尧等人做了低温 常压等离子体分解n o x 的实验；1 9 9 4 年，依成武、满书玲等人在高温常压下利 用负基压上迭加高压脉冲( 6 0 - - 1 0 0 k v ) 产生的等离子体除去柴油机车尾气的颗 粒物和分解有害气体成分，净化功率上千瓦的大型柴油机排放尾气的治理，对 n o x 和c o 有一定的分解作用。九十年代后期，晏乃强、吴祖成等人开展了脉冲 电晕与催化技术结合治理有机废气甲苯的研究，他们将催化剂用化学沉淀法附 着在反应器内壁，使废气的净化率提高2 0 左右，但存在催化剂运行时间短，与 有害气体接触面积小等问题，限制了它在汽车尾气治理方面的进一步运用。可 以看出，国内在这方面的研究集中在n o 、n o x 、臭氧、s 0 2 、甲苯、易挥发性 有机物( v o c ) 等有害气体的净化实验及理论研究，以及脱硫脱硝的理论和工 业化实验研究，同时也对脉冲放电的特性，包括电晕放电高能电子密度沿反应 器的分布，反应器与脉冲电源的匹配，电极材料和配置的影响，粒子荷电机理 等。为了进一步提高脉冲电晕等离子体净化各种有害气体的效率，近几年，国 内外都开始研究通过催化剂结合放电技术提高净化率，但催化剂与有害气体的 接触面积受到脉冲反应器结构( 通常采用线筒式结构) 的限制所以效果还不理 想，限制了它在实际工程中的应用 1 3 - 2 9 j 。 总之，脉冲电晕净化有害气体的技术在国内外研究内容主要集中在以下几 个方面：对反应机理的研究，化学动力学的分析，脉冲电晕特性的研究，脉冲 电源的研制，对不同有害气体的净化效果的实验研究，反应装置的几何特性、 电极材料、布置、半径和配置、脉冲峰值、电压波形、正负脉冲、放电功率以 及气体在反应装置的停留时间对净化效果的影响，以及实验环境条件，诸如温 武汉婵r 人学硕十学位论文 度、压力、湿度、添加剂对净化效率的影响等方面。 1 3 研究主要工作与成果 该文通过对超高压窄脉冲正电晕技术的研究，用正电晕裂变法将汽车尾气 有害气体成分的分子键打断，使其成为无害成分，随气流排出，从而达到净化 汽车尾气的效果。其主要内容包括： ( 1 ) 超高压窄脉冲正电晕技术的原理及其净化汽车尾气的理论方法的研究。 包括脉冲电晕的相关理论及其净化汽车尾气的理论依据。 ( 2 ) 超高压窄脉冲发生器设施的设计与实现。包括超高压窄脉冲发生器的总 体设计；正电晕裂变所需要的超高压窄脉冲源的脉幅，脉宽，前沿，后沿，频 率等参数的分析和计算以及该脉冲发生器样机的调试与制作。 ( 3 ) 正电晕裂变反应器设施的研究与设计。包括电晕电极和裂变反应腔的几 何形状与尺寸的设计及其材料的选用和电晕放电电流的计算与调试以及反应器 中附加设施的配置与研制。 ( 4 ) 智能控制器的研究与设计。包括智能控制器的功用的研究和超高压窄脉 冲发生器控制电路的设计以及汽车尾气控制处理器对汽车尾气进入净化排出 整个过程的控制的研究和设计。 ( 5 ) 汽车尾气净化的模拟实验及分析。包括实验设施及方法和实验结果及分 析。 4 武汉理i ：人学硕七学位论文 第2 章电晕净化汽车尾气的理论方法 2 。l 脉冲电晕的相关理论 气体介质在不均匀电场中的局部自持放电是最常见的一种气体放电形式。 在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使 气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光 亮，并俸有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电 场间隙击穿过程中的早期发展阶段。 2 1 1 气体放电 气体放电的形式多种多样，气体、回路、气压等对放电都会产生影响。气 体放电的过程；电流随电压的升高而升高，一直升高到饱和电流，这时阴极发 出的所有电子与气体中的电子都被吸弓| 到阳极，电流不再随电压丽升高。值当 电压继续升高，达到汤生放电阶段，电流又迅速上升。原因是电子在电场中加 速，与气体分子产生碰撞电离，产生薪的囊由电子，使自由电子豹数鹜迅速增 加。 ，当电压继续上升，将雩| 起电流以超指数遁数的形式增长，间隙上电压突然 下降，这个阶段是自持放电。 减少电路中的电阻以增强放电电流时，间隙电压会稍稍下降，这个阶段是 辉光放电阶段。若再提高电流，间隙电压回升，这是反常辉光阶段。如果继续 加强电流，转为电弧放电，此时电压降得很低。 2 1 2 汤生放电 上个世纪初，汤生建立了气体击穿理论，至今一直被公认为气体导电的基 本基础理论之一。 ( 1 ) 汤生电离系数 为描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种电离过程，并引入三个对 5 武汉理f 大学硕七学位论文 应的电离系数： 体积电离系数q ：表示一个电子在沿阴极到阳极的方向上运动时，每经 过一厘米与气体粒子碰撞所形成的自由电子数目； 正离子电离系数：表示个正离子在电场方向上每经过一厘米路程所 产生的电子数目； 正离子轰击表葱的二次电子发射系数【：表示轰击阴极表面的每一个正离 子使阴极发射的电子数目。 ( 2 ) 电子雪崩 假设两电极是平板形，当电极上加上一定的电压时，空间有均匀电场分布。 初始电子由阴极表面发射，在电场作用下尚阳极运动，在其路程中不断与气体 粒子碰撞。当电场强度足够大，电子速度加到足够大的时候，它在运行路程上 的碰撞将引起电离。若一次碰撞电离多出一个电子，当这两个电子继续向阳极 运动时若能发生第二次电离，那么这两个电子就变成了四个，如蓝发展下去， 电子的数目不断猛增，这种现象称为电子雪崩。 汤生放电理论认为，由于电子誊壤的倍增作用，初始电流i 。在经过距离阴 极x 处的时候增加到i ： i = i o e 田= i o e ( 2 - 1 ) 式中：一t l 表示一个电子经过l 伏电位差所产生的电子数西； v 一表示电位差。 理论分析表明，菲自持放电电流密度公式可以表示为： 口耐 j = j 。1 - 7 ( l e 灯一- 1 ) ( 2 - 2 ) 式中：d 电极间距： j 。初始电流密度。 由式( 2 1 ) 可知。当等号右边分母为零，j 为无穷大，即如采初始电流为零， 放电电流也不为零，说明此时放电可以自持了，得到放电自持条件： r ( e 谢一1 ) = l ( 2 3 ) 该式的物理意义如下：如果从阴极发射一个初始电子，在电子雪崩作用下， 产生和嬲1 ) 令新的电子，同时产生同样的歪离子。这些正离予在轰击阴极时， 在阴极产生二次电子，只有从阴极上发射y ( e 耐- 1 ) = 1 个新电予来代替已在阳极 上消失的那个原始电子，放电才能盘持。 6 武汉理一1 人学硕 ：学位论文 ( 3 ) 帕邢( p a s c h e n ) 定律 自持放电条件可以改写为： ad=in(1+专)(2-4) 将式( 2 1 ) 代入上式，考虑到e = u d ，有： u 产忑c 2 ( 簿p d ) 删f ( p ( 2 - 5 ) i n 生： 厂 这就是帕邢定律，它具有重要的使用价值： 常数c l 、c 2 对某种气体保持恒定，对同神气体混入其它杂质气体，其值 也不同。这种现象称为潘宁效应( p e n n i n ge f f e c t ) 。 着火电压u f 随r 的增加而下降，这种现象称为r 效应。 2 1 3 流柱 对气体放电现象的解释最早出现的比较完整的理论是1 9 0 3 年的汤生理论。 汤生理论可以解释许多气体击穿现象，比如气压、极间距等对击穿电压的影响， 用电子附理论解释负极性气体的高压击穿电压以及混合气体中的潘宁效应等 ( 有时只能定性地说明) 。汤生建立的气体击穿理论至今一直被公认为气体导电 的基础理论之一。但是汤生理论有其不可克服的缺陷，它不能解释击穿形成的 时间延迟，也没有考虑电子雪崩引起的空间电荷效应。 1 9 4 0 年m e e k 和l o o b l 2 s 建立了流注理谢3 0 j ( 也称流光理论) ，与汤生理论相互 补充。在汤生理论中，忽略了空间电荷的作用，流注理论却考虑了这点，而且 把它看作是一种重要的作用。电子雪崩时正离子的浓度达到很高的值，使原来 电场发生很大的畸变，引起局部电场能量的加强，加剧了电离，这对放电的发 展很重要。此时，电火花的通道是曲折，分枝的，在不对称电极，不很高电压 的情况下，它可以伸到很长的距离，称为“流注 。流注( 又称为流光) 是由放 电间隙中高度电离气体构成的导电丝带通道，这些通道是在雪崩中光子发射的 作用下传播的，而且它们的传播又是在非常短的时间内发展起来的。丝带通道 的形成过程就是火花放电的起始阶段。由流注转为击穿电火花，称为“流注击 穿机制 【1 3 1 。目前，这种理论不仅可以解释火花放电现象，还可以解释电晕放 电以及高压电器的空气击穿问题。 7 武汉理【：人学硕卜学位论文 ( 1 ) 正流注 由阳极向阴极扩展的流注称为j 下流注，正流注的形成及发展过程如图2 - 1 正 流注的形成及发展图所示。当在放电间隙加上足够高的作用电压时，如果有一 个电子离开阴极，它将在电场作用下向阳极运动。当电子速度加到足够大的时 候，它与间隙间气体分子的碰撞会导致气体的电离，气体电离后产生的电子会 在作用电场加速下进一步去电离其余气体。如此发展下去，电子的数目不断猛 增，形成电子雪崩，叫初始电子崩。崩内电子数和离子数随电子崩发展的距离 按指数规律急剧增长。由于电子的迁移率比离子迁移率的大两个数量级，所以， 电子总是跑在崩头部分，而正离子则大体上处于原来产生它的位置上，这样就 形成了一个头部为球状的圆锥体，如图2 一l ( a ) 所示。崩头是电子，向着放电极 运动，其后是正离子区。当电子雪崩穿过放电间隙后，电子都进入阳极，而正 离子仍旧留在角锥形的体积里。崩头处的正离子向周围发射出大量光子，导致 附近气体光电离，产生次电子崩，见图2 1 ( b ) 。次电子崩头部的电子跑向初崩 的正空间电荷，与之汇合成为充满正负带电粒子的混合通道，如图2 1 ( c ) 所示， 这个电离通道称为流注。由于初崩电子进入阳极，正空间电荷大大加强了外界 的作用电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而推动流注向前发 展。在均匀电场里，当在两个放电极间存在连续的流光时，通道里的电离强度 会突然加强，而且进一步发展，当流注通道把两极接通时，就将导致间隙的完 全击穿，见图2 - 1 ( d ) 。 图2 - 1正流注形成示意图 8 武汉理i ：人学硕r f 学位论文 ( 2 ) 负流注 由阴极向阳极扩展的流注称为负流注。负流注的形成是以气体的容积光电 离和雪崩头部前面强电场的形成为基础的，如图2 2 负流注形成示意图所示。从 图中可以看到，从阴极发射出的初级电子在外电场作用下形成主电子雪崩1 ；电 子运动过程形成的激发态原子辐射出大量光子，波形线表示光子辐射路线，在 空间使气体原子电离产生光电子，并由光电子形成的大量次电子雪崩2 ，3 ，4 ，5 ，6 等，当这些次电子雪崩互相汇合时就形成迅速向阳极扩展的负流注。 由此可见，在流注形成的过程中，光电离有决定性的作用，而光电离可以 产生在任意地点，次级电子雪崩的形成位置也是随机的，因此流注的扩展路径 是曲折分叉的。 与正流注相比，这种羽毛状的负电晕要在更高的电压下才起始。其轨迹在 径向和轴向的传播相对都较慢，因此在同样的电压下，与正流注相比，其传播 的范围要小得多。羽毛状放电的通道比正流注的要宽，但放电的数目一般不超 过8 n 1 0 个，而正流注可达到多至3 0 0 n 4 0 0 个单独分支。当羽毛状的放电通道逼 近阳极时，它的速度会增加：而当正流注进入放电间隙的低场区域时，其传播 速度是下降的。这个差别是因为：与正流注传播下的负极性平面相比较，负羽 毛状放电传播使得正平面更早更强地参与了放电的过程。气体污染物治理技术 主要采用正极性脉冲流光放电，原因是流光放电可以产生高能电子，流光在放 电空间分布强，且均匀，脱除效率高。 阴 极 2 1 4 等离子体 图2 - 2 负流注形成示意图 任何一种物质随温度的升高会从固体变成液体，再从液体变成气体，如果 温度足够高，物体受热能的激发而电离，电离后形成的电子的总电荷量与所有 9 武汉理一l ：大7 7 硕十。位论文 正离子的电荷量相同，从而在宏观上保持电中性，这就是等离子体的基本含义， 它是物质存在的一种形态。 上个世纪三十年代以后，人们认识到过去在放电管中的电离气体同一亿度 下物质所处状态都是等离子体，只是电离度和温度的差别，放电管中形成的等 离子体温度较低，成为低温等离子体，而热核反应中形成的电离气体，温度很 高，成为高温等离子体。实验室中产生的等离子体通常是电子温度高于离子温 度因为在一般的气体放电中，外部电源将能量传递给电子，然后电子与离子发 生碰撞，而离子的质量比电子大得多，因此只有一部分能量传递给离子，离子 获得的能量不多，这种等离子体称为非平衡等离子体。 气体放电是产生等离子体的方式之一，产生的等离子体具有良好的化学活 性。气体电离后形成电子和离子，适当控制反应条件，可以实现一般条件下难 以发生的化学反应，同时，由于高度电离的气体，当其中通过强电流时，会像 电阻丝一样发热，这就是电离气体的热效应。由于离子能量很低，对碰撞电离 和裂解无助，只能由高能电子来完成，所以我们希望离子能量尽量小，电子能 量尽量大，这只有低温非平衡等离子体能够胜任。为了获得低温非平衡等离子 体，必须满足两个条件：外界电场、磁场只对气体中的电子施i i i i 量，使其在 极短的时间内增温、加速，获得动能，而其他粒子仅获得极低能量，从而抑制背景 气体温度升高：外加电场、磁场对电子施加能量的时间要远远小于停止给电 子施加能量时间，使气体获得的能量传导出去，从而降低气体温度，防止过渡到 热等离子体状态。 2 i 5 电晕放电 产生电晕放电的条件是：气体压力较高，一般在一个大气压以上，电场分 布很不均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上。因此，细的尖端与平面、点 与点、金属丝与同轴圆筒、两条平行导线之间以及同轴电缆内部都会形成不均 匀电场，都有可能形成电晕。 电晕是一种自持放电，在具有强电场的电极表面附近有强烈的激发和电离， 并伴随明显的亮光，此处称电晕层。在电晕层外，电场强度较低，不足以引起 电离，呈现暗区，称为电晕外区。若两电极中仅有一个电极起晕，则放电的迁 1 0 武汉理 人学硕十学何论文 移区域基本上只有一种符号的带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。 电晕放电是指曲率半径很小的电极附近的气体介质被局部击穿而产生的放 电现象，它往往发生在电极间电场分布不均匀条件下。一端电极连接高压通常 为曲率半径很小的金属丝或者针尖。而另一端电极接地，通常为曲率半径较大 的平板或者圆柱简。电晕放电的极性取决于具有曲率半径较小的电极的极性。 如果曲率半径小的电极接电源正极，则发生正电晕，反之则称为负电晕。若两 电极的曲率半径都很小，两者都有极强的电场，在正负极上都会发生电晕，称 为双极电晕。正电晕主要靠光电离传播，例如正流光可以百分之一光速前进。 而负电晕通常通过气体分子的碰撞电离传播。 电晕放电模式随着电压的变化而变化。当两电极间的电压由零逐渐增加时， 最初发生无声的非自持放电，这时的电流很微弱，其大小决定于剩余电荷；当 电压增加到一定数值v s 时，电晕放电发生了。该电压v s 称为起始电晕电压， 它的大小由电极间电流的突然增大( 从大约1 0 以1 m a 到1 0 。m a ) 和在曲率半径 较小的电极处出现朦胧的辉光所表征。若继续增加电压，则电流将增大，发光 层的大小以及亮度也同时增加；当外加电压比起始电晕电压高很多时，就会转 化成火花放电。 理论表明：同轴电极系统的电晕伏安特性曲线由下式表示： i - 2 k 。( v - 7 v s 一) ( 2 6 ) ，2l i l 吒 式中： i 放电电流；v 一电极电压；k 广电子迁移率； v s - 起始电晕电压( 形成电晕放电所需的最低电压称为起始电晕电压) ； r 、r 。外圆筒和内圆筒的半径。 电晕放电的起始电晕电场和电极的极性、电晕极线经和气体的相对密度有 密切关系，p e e k 从实验得到了相当好的经验公式1 3 l 】： 片i e o = 4 9 8 + 岛( 兰) 2 ( v m ) ( 2 7 ) 厂0 式中：万：掣气体相对密度，p 、卜当地气压和气温，r o - 电 晕线半径( m ) ，a g 、b g 分别为常数，决定于气体性质。在1 0 1 6 1 0 5 p a 、2 5 0 c 时， 空气中放电a g 、b g 分别为3 2 2 1 0 5 v m 、8 4 6 1 0 4v m 2 。 在相同的条件下，负电晕放电电场强度低于正电晕电场强度。在同轴放电 武汉理工人学硕十学何论文 系统中，空气温度为2 5 0 c 、一个标准大气压下，电晕起始电场强度为： 霄 负电晕e o = 3 1 0 2 6 + 9 5 4 ( 兰) 2 ( v m ) ( 2 8 ) 厂o 又 正电晕e o = 3 3 7 6 + 8 1 3 ( 兰) 2 ( v m ) ( 2 9 ) r 0 如能写出放电间隙中某点x 处的电场强度e 】与外加电压u 的函数关系，就 可以很容易地决定起始电晕电压u 。不同几何形状的电极，起始电晕电压和电 场强度的关系如下f 3 2 j ： ( 1 ) 同轴圆柱体，内半径为r ，外半径为r 。在离轴x 处的场强为： 晟= u 【汕( r ，) 】1 ( 2 1 0 ) 起始电晕电压为： u = ( b ) ，r l n ( r ，) ( 2 1 1 ) ( 2 ) 同心球，内半径为r ，外半径为r 。在离中心x 处的场强为： b = u , r lx 2 ( r 一厂) l ( 2 1 2 ) 起始电晕电压为： u = ( b ) ，【厂( r r ) r 】 ( 2 - 1 3 ) ( 3 ) 抛物面的针平面间隙，针顶端的半径为r ，间隙距离为d ，则沿着间隙轴 心离针顶端x 距离处的电场强度为： 巴= 兰竺 。(2-14) p + 2 x ) l n ( r4 - 2 d ) r 】 起始电晕电压为： u = ( b ) ，( r 2 ) l n ( r + 2 d ) r 】 ( 2 1 5 ) 另外电极表面形状与起始电晕电压也有很大关系。 以线筒式负极反应器为例，在线筒之间加上不断增强的电势，在极线尖锐 突出点附近的电场较其他地方大，它们附近的被加速的自由电子与气体分子碰 撞，气体分子被激发，电离或裂解从而产生正离子和更多的电子，并以“电子 雪崩”的方式向外传播，形成放电通道即流注，产生的电子在电场作用下获得 加速度，其速度不断提高，因为电子的质量比离子、分子的质量小得多，同时 由于施加电压的时间很短，所以电子的速度大得多，而离子的加速被抑制，在 流注向前传播的前端形成了由高速电子组成的“鞘 层。鞘层中的电子在高速 下与气体分子发生碰撞，由于气体分子共价键的裂解能比电离能小得多，所以 气体分子裂解的可能性要大一些，能量较大的电子使得气体分子发生裂解或电 武汉理下大学硕t 学何论文 离，产生更多的电子和正负离子【3 3 】，并伴随着淡蓝色的辉光和咝咝声，而能量 较小的电子只能使分子的振动加剧，随着电子向阳极运动，距离极线越远电场 强度越弱，鞘层电子的能量越弱，电子就附着在气体分子上形成负离子，因此 在电晕区外靠近筒壁的地方形成负离子云团。随着电压的不断增强，流注也不 断增多，进而在极线表面产生强烈的辉光放电。 电晕放电特性： 由针电极和板状电极形成的场是一个很不均匀的电场。当电压达到起始电 晕电压时，针电极尖端处即发生自持放电，离尖端稍远处由于场强大为减小， 游离放电只能局限在针电极尖端附近的空间而不能扩展出去。该区内所形成的 离子复合时( 或被激励的气体分子在回到常态时) 将辐射出光子，其中有一部分在 可见光频谱范围内( 其他大部分为紫外光) ，人眼可看见均匀稳定的发光层笼罩在 电极周围，这就是电晕。当高压电源的负高压与板电极相接，针电极接地，两 极间距即芒刺尖到网状电极的距离为1 5 c m ，电压超过起始电晕电压而达到 4 5 l “时，针电极开始电晕放电并发出轻微嗤嗤声，同时可看见微弱紫蓝色光， 这就是库朗电晕，如图2 - 3 ( a ) 所示。逐渐升高电压，会看到针电极尖端的光渐渐 增大，并向阴极方向伸展，同时紫蓝色光变强，嗤嗤声增大，可清楚看到雾状 光辉，如图2 3 ( b ) 所示，这就是浦拉希电晕。继续增高电压便会出现刷形放电， 从芒刺尖端出发向网状电极伸延，但不能到达网状电极，如图2 - 3 ( e ) 所示。上述 过程为正电晕放电过程。再继续增高电压达到1 1 k v 左右时便会出现火花放电， 如图2 - 3 ( d ) 所示。如果电源功率足够大，还可出现火花击穿，之后转变为电弧。 图中，1 为板状电极，2 为针电极，3 为紫光。 电晕放电与火花放电、辉光放电、弧光放电并不是截然分开的，而是在不 同条件下可以互相转化的。电晕放电，辉光放电和火花放电的转换条件：电晕放 电电压降比辉光放电电压降大( 千伏数量级) ，但放电电流更小( 微安数量级) ， 且常常发生在电场分布不均匀的条件下。若电场分布均匀，放电电流又较大， 则发生辉光放电现象；在电晕放电状况下如提高外加电压，而电源的功率又不 够大，此时放电就转变为火花放电；若电源的功率足够大时，则电晕放电可转 变为弧光放电。 对于以电晕线作为正极的放电形式，流注的产生是从电场强度较小的地方 向极线电场强度较大的地方发展，因此电子雪崩的增长更加迅速有效。当电子 进入正线极以后，在线极前方空间遗留了正的空间电荷，增强了向着筒极的电 武汉理工大学硕 ：学何沦文 场，保证了流柱的持续产生和发展，而且正电晕流注扩展到了整个反应器空间， 比负电晕方式下长且分支多。p n e e a r t n t e 等人研究发现，在相同的能量等级下， j 下电晕可以产生更大的等离子体区域，而负电晕只在放电电极周围产生小范围 的电晕，正电晕的有效电晕空间是负电晕的1 0 倍，因此正脉冲电晕较负脉冲电 晕的净化率高。 利用电晕放电的这些特点，可以实现其他方法很难实现的工作，如利用它 净化汽车尾气中的主要有害气体，多采用正电晕裂变法。 1 峥1 卜钿 图2 - 3电极的电晕放电特性 2 2 电晕净化汽车尾气的理论依据 电晕净化器中的尾气分子突然得到“爆炸式的巨大能量时成为活化分 子，发生频繁碰撞，在纳秒级的有效碰撞瞬间，将动能转化为分子内部势能， 使其化学键破坏，将c o 、h c 、n o x 、s 0 2 等分解成单质固体微粒子s ( 硫) ，c ( 碳) 和单原子气体分子0 2 ( 氧气) ，n 2 ( 氮气) 以及n 2 0 ( 水) 的电离过程， 以达到降低环境污染的目的。 2 2 1 高能电子的形成 电子在电场中的能量增加，不是一次就完成的，而是经过多次弹性碰撞后 才能达到一定的能量水平。电子在同其他粒子发生弹性碰撞时，能量几乎不损 失，这样电子便得以在多次弹性碰撞的间隔阶段被电场不断的加速。电子增加 的能量与其所处的电场强度有关，提高电场强度是电子获得高能量的极为重要 的手段。达到一定能量水平的电子容易发生非弹性碰撞，电子将失去大部分能 1 4 和 武汉理工人学硕十学位论文 量。 在脉冲电晕中，电子的能量分布按照d r u y v e n s t e m 分布，某一电场强度下 的电子的能量分布如图2 4 空气中脉冲电晕自由电子的能量分布图所示，电子 的能量分布在2 2 0 e v 之间，最大的能量分布概率在3 1 2 e v 之间。当电场强 度非常高时，脉冲电晕产生的高能电子，能量可超过2 0 e v 。应该指出，并不是 电子的能量( 速度) 越大，激发、电离或离解的气体分子( 或) 原子就越多。 电子的能量( 速度) 很大时，比如7 0 e v ，激发、电离或离解的气体分子( 或) 原子数反而很少。从粒子的量子理论可以说明这一问题。 2 2 2 自由基及其产生 由于采用上升时间极短，脉宽极窄的高压脉冲使电晕电极附近产生强烈的 脉冲电晕放电，电子由于其质量小于离子几个数量级故得到突然加速而达到几 万度的高温，而离子基本保持不动，从而产生常温常压下的非平衡等离子体【3 4 j 。 高浓度等离子体中含有大量的处于激发态，亚稳态的游离粒子及各种离子， 电子和光子，为气态下的化学反应提供了丰富的活性粒子。正是这些活性粒子 的存在，使汽车尾气中的有害气体发生化学反应生成其他一些无害的或者危害 不太严重的气体或固态颗粒。 正如上面所谈到的，这个过程的主要化学反应是在高能电子的激发下产生 的