（环境科学专业论文）针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物研究.pdf

中文摘要 通过研究相邻针尖间距s ，电极间距d 和针尖半径口与放电功率密度的关系， 得出有效提高放电功率密度的方法。并以放电稳定性为依据，确定多针双极电晕 放电的优化电极结构和尺寸。 在发射光谱诊断研究多针对板电晕放电的基础上，对多针双极电晕放电的放 电形貌进行研究。测量电离区n 2 第二正带跃迁的谱峰 s p b ，确定其两个电离区的 放电形貌，获知其高能电子分布，并得到i s p b 在电离区体积分与放电电流成线性关 系。再结合伏安特性研究得到，多针双极电晕放电正负电晕电离区中形成电流的 带电粒子为高能电子，迁移区中形成电流的带电粒子为正负离子。 利用前述研究结论，研制成两套以针阵列双极电晕放电为核心技术的空气净 化装置。分别进行处理空气一次性通过净化装置捕集颗粒物实验和在封闭室内净 化装置捕集颗粒物试验。研究运行参数( 风速、外加电压) 和颗粒物粒径对净化装 置处理效率的影响。比较针阵列双极电晕放电与针对板电晕放电捕集颗粒物效果， 得到两种放电方式都能高效去除粒径较大的颗粒物，而针阵列双极电晕放电对微 细颗粒物效果更好。结合微粒荷电理论，分析了针阵列双极电晕放电对微细颗粒 高效荷电和捕集的原因。 最后以针阵列双极电晕放电为核心技术，研制成多种废气净化装置，分别试 用或应用于餐饮油烟净化、高温除尘和碳烟捕集，分别考察其净化效果。得到净 化装置主要特点为：微细颗粒捕集效率高、运行稳定、整机结构简单、造价低。 关键词：针阵列双极电晕放电；伏安特性；电极间距；发射光谱；颗粒物捕集 英文摘要 a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sp r o p o s e dan o v e lc o r o n ad i s c h a r g e ，i e ，t h en e e d l em a t r i xb i p o l a r c o r o n ad i s c h a r g e t h ec u r r e n t v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i n e e d l eb i p o l a rc o r o n a d i s c h a r g eh a v e b e e no b t a i n e dt h r o u g hd e t a i l e de x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，a n dt h e o p t i m u me l e c t r o d es t r u c t u r eh a sb e e nd e t e r m i n e d u s i n go p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o m e t r y ， t h eo u t l i n eo ft h em u l t i n e e d l eb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g eh a sb e e nd e t e r m i n e d ，a n ds o m e i m p o r t a n tr o l e sb e t w e e nt h em i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed i s c h a r g ec u r r e n ta n d t h ea p p l i e dv o l t a g eh a v eb e e no b t a i n e d t h ee f f i c i e n c yo fp a r t i c l e st r a p p i n gb yt h e n e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g eh a sb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，a n dt h er e a s o n s w h yt h i sk i n do fc o r o l l ad i s c h a r g eh a sah i g he f f i c i e n c yo fc h a r g i n ga n dt r a p p i n g p a r t i c l e sh a v eb e e na n a l y z e d u s i n gt h i st e c h n o l o g y i nc o o k i n gf r m ep u r i f i c a t i o n , l l i 曲一t e m p e r a t u r ep r e c i p i t a t i o na n ds o o tt r a p p i n g ，t h er e s u l t so ft h et e s t ss h o wt h a tt h i s t e c h n o l o g yh a sa d v a n t a g e so fh i g ht r a p p i n ge f f i c i e n c ya n dr u n n i n gr e l i a b i l i t y f i r s t l y ，s u m m a r i z ea l l t h en o r m a lm e t h o d sf o rp r o d u c i n gc o r o n ad i s c h a r g e ，a n d p o i n to u tt h a tt h ei n j e c t i n gd i s c h a r g ee n e r g yi nd cc o r o n ad i s c h a r g e si sl o w ，w h i l e p u l s ec o r o n ad i s c h a r g eh a ss h o r t a g e so fl o wp o w e re f f i c i e n c y ，n e g a t i v em a g n i f y i n g e f f e c t sa n ds h o r tl i f e t i m eo fp u l s ee l e m e n t s t h e n , i n t r o d u c et h es t a t u so fr e s e a r c h i n g c o r o n ad i s c h a r g eu s i n go e s i ti sc o n c l u d e dt h a tm a i nr e s e a r c h e sf o c u so nu n i f o r m c o r o n ad i s c h a r g e ，t h e r ei sf e wr e s e a r c ho nm o r p h o l o g yd e t e r m i n a t i o no fi o n i z a t i o n r e g i o na n dt h er e l a t i o n s h i p 、析t l lm a c r op a r a m e t e r s a n de s p e c i a l l yt h e r ei sn os t u d yo f b i p o p l a rc o r o n ad i s c h a r g e f i n a l l y ，s u m m a r i z et h em a i na p p l i c a t i o nr e s e a r c hs t a t u so f c o r o n ad i s c h a r g ei ne n v k o n m e n t a lp o l l u t i o n t r e a t m e n t , i n c l u d i n gp a r t i c l et r a p p i n g ， d e s u l f u r i z a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n , a n dv o c sd e g r a d a t i o n a l lr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yn e e d st ob ei m p r o v e d ，a n dt h em a i np r o b l e m sa r el o wt r a p p i n g e f f i c i e n c yo fm i c r o - p a r t i c l e s ，l o wd e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dl o wd e g r a d a t i o n e f f i c i e n c yo fs o m ev o c s t h u s i ti sn e c e s s a r yt o c o m b i n e 、析t lo t h e rp u r i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s a n di t i sb e l i e v e dt h a tb o mt h ed i s c h a r g ei n t e n s i t ya n dt h er u n n i n g r e l i a b i l i t ys h o u l db ei m p r o v e di np u r i f i c a t i o no fp o l l u t e dg a s e su s i n gc o r o n ad i s c h a r g e 英文摘要 am e t h o df o rp r o d u c i n gb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g ei nn e e d l em a t r i xe l e c t r o d e c o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e d i ti st h o u g h tt h a tt h i sk i n do fd i s c h a r g ep r o d u c ep o s i t i v ea n d n e g a t i v ed i s c h a r g e ss i m u l t a n e o u s l y ；h a sl a r g ed i s c h a r g ec u r r e n ta n dh i g hp o w e rd e n s i t y ； a n dh a sl o n gr u n n i n gs t a b i l i t y ，e i ，r e s o l v et h ep r o b l e mo fd u s ta c c u m u l a t i o no nt h e d i s c h a r g ee l e c t r o d e si nu n i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g e t h e c u r r e n t - v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em u l t i - n e e d l eb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g ea r e s t u d i e di nd e t a i l t h r o u g hr e g u l a t i n gt h es p a c eb e t w e e nn e e d l e s5 ，t h es p a c eb e t w e e n e l e c t r o d e sda n dt h en e e d l er a d i u sa ，t h ec u r v e so fc u r r e n t v o l t a g eh a v eb e e na n a l y z e d e x p e r i m e n t a l l y t h er e a s o n sw h yt h i sk i n do fc o r o n ad i s c h a r g eh a sl a r g e rd i s c h a r g e c u r r e n ta n dh i g h e re l e c t r o na n di o nd e n s i t i e sa r eo b t a i n e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e r e e x i s tp o s i t i v ei o n sa n dn e g a t i v ei o n s i nt h em i g r a t i o na r e as i m u l t a n e o u s l y ，a n dt h e c o m b i n a t i o nb e t w e e np o s i t i v ei o n sa n dn e g a t i v ei o n si si g n o r e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ed i s c h a r g ep o w e rd e n s i t ya n ds ，么 o r 口，i ti sg o r e nt oi n c r e a s ed i s c h a r g ep o w e re f f e c t i v e l y m e a n w h i l e ，c o n s i d e r i n gt h e d i s c h a r g es t a b i l i t y ，t h eo p t i m u me l e c t r o d es t r u c t u r eo ft h eb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g ei s d e t e r m i n e d b a s e do nt h e s t u d yo fm u l t i n e e d l e t op l a t ec o r o n ad i s c h a r g eu s i n go p t i c a l e m i s s i o ns p e c t r u m ，t h em o r p h o l o g yo fm u l t i n e e d l eb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g ei s d e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no fn 2s e c o n dp o s i t i v eb a n d si n t e n s i t y s p b ，t h e o u t l i n eo ft h et w oi o n i z a t i o nr e g i o n sa r ed r a w na n dt h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g e t i c e l e c t r o n si so b t a i n e dt o o t h e r ei sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u mo f s p aa n dt h e d i s c h a r g ec u r r e n t 上c o m b i n e d 晰mt h es t u d yo ft h ec u r r e n t - v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e n e r g e t i ce l e c t r o n si nt h ei o n i z a t i o nr e g i o n sa n dt h ei o n si nm i g r a t i o na r e aa r et of o r m t h ed i s c h a r g ec u r r e n ti nt h em u l t i n e e d l eb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g er e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ef o r m e rc o n c l u s i o n s ，u s i n gt h en e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n a d i s c h a r g ea sac o r et e c h n o l o g y ，t w o s e t so fa i rc l e a n i n gd e v i c e sa r em a d e t h e e x p e r i m e n t so fp a r t i c l e st r a p p i n gi no n ew a ya n dt h et e s to fa i rc l e a n i n gi nac l o s e d r o o mh a v eb e e nc o n d u c t e dr e s p e c t i v e l y 1 1 1 ee f f e c t so ft h ew i n dv e l o c i t y t h ea p p l i e d v o l t a g e a n dt h ed i a m e t e r so fp a r t i c l e so nt h e t r a p p i n ge f f i c i e n c y a r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y c o m p a r i n gt h ee f f i c i e n c i e so ft r a p p i n gp a r t i c l e su s i n gn e e d l em a t r i xt o 英文摘要 p l a t ed i s c h a r g ea n dn e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g e ，t h ef a c ti sd e s p i t e dt h a t t h e s et w od i s c h a r g e sb o t hh a v eh i g l le f f i c i e n c i e so ft r a p p i n gp a r t i c l e s 嘶t 1 1l a r g e d i a m e t e r ，a n dt h en e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n ah a sah i g h e re f f i c i e n c yo ft r a p p i n g p a r t i c l e sw i t i ls m a l ld i a m e t e r c o m b i n e dw i t ht h et h 9 0 r yo fp a r t i c l ec h a r g e ，t h er e a s o n s w h yt h en e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g eh a sh i 曲c h a r g ec a p a c i t ya n dt r a p p i n g e f f i c i e n c yi sa n a l y z e d f i n a l l y ，u s i n gt h en e e d l em a t r i xb i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g ea sac o r et e c h n o l o g y ， s e v e r a lp u r i f i c a t i o nd e v i c e sa r em a d ef o ra p p l y i n gi nc o o k i n gf u m ep u r i f i c a t i o n ， k 曲- t e m p e r a t u r ep r e c i p i t a t i o n a n ds o o t t r a p p i n g t h e r e m o v a le f f i c i e n c i e sa r e i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ep u r i f i c a t i o nd e v i c e sa r ec h a r a c t e r i z e db yh i 曲t r a p p i n g e f f i c i e n c y o fm i c r o - p a r t i c l e s ，h i g hr u n n i n gs t a b i l i t y ，s i m p l es t r u c t u r ea n d l o w m a n u f a c t u r ec o s t k e yw o r d s ： n e e d l em a t r i x b i p o l a r c o r o n a d i s c h a r g e ；c u r r u n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s ；d i s c h a r g ee l e c t r o d es t r u c t u r e ；o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o m e t r y ； t r a p p i n gm i c r o - p a r t i c l e s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文足在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰乍；成博十学1 7 = 论文 ! 钍匪到塑拯鱼量丝鱼丛墓逋篡麴拉塑婴窒! ：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公丌 发表或小公j i ：发表的成果。 奉明的法律贞任山本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使心管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 奉学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制 段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀 蹲硕j 。学位沦义共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 奉学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：陆海丰 导师签 日期：2 伊 创新点摘要 创新点摘要 1 、本文提出了一种新型针阵列双极电晕放电发生方式，该放电方式以直流高 压供电，放电发生简单；在放电反应器尺寸扩大时，不存在负面的放大效应；正 常电晕放电的电压范围宽，即放电稳定；相对于脉冲电晕放电来说，放电区单位 体积注入能量高；在污染气体处理中，电极受污染能力强。 2 、实验研究了多针双极电晕放电伏安关系，指出双极放电由于其高压电极和 接地电极分别形成正负两种电晕，迁移区中必然同时存在正负离子流，且由实验 结果纠l 喝可知，正负离子的复合可以忽略，正负电晕相互具有电离作用。 3 、用光学发射光谱诊断多针双极电晕放电形貌和放电区的活性粒子，从微观 上解释了伏安特性中的有关结论，确证电离区中高能电子形成放电电流，为其有 效荷电颗粒物提供理论依据。 4 、针阵列双极电晕放电高效荷电且捕集颗粒物，试用和应用于环境污染治理， 包括空气中可吸入颗粒捕集、餐饮油烟净化、高温除尘和炭烟去除。结合蜂窝陶 瓷过滤和电加热再生技术，在多个环境污染治理难点中，有效提高了处理设备的 净化效率和运行可靠性。 针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物研究 1 1 等离子体与气体放电 第1 章绪论 1 1 1 等离子体定义、分类及产生 物质由自由运动并相互作用的正离子和电子组成，这种存在状态称为物质的 第四态，即等离子体i lj 。1 9 2 7 年，朗缪尔( i l a n g m u i r ) 最先引入等离子体( p l a s m a ) 这个术语，并在两年后与唐克斯( l t o n k s ) 一起给等离子体赋予电离气体的涵义 【2 】。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子总 数大致相等，总体来看为准电中性【3 】。 通常以电离度来衡量等离子体的电离程度：户1 的等离子体称为完全电离等 离子体：电离度大于1 ( 脸1 0 2 ) 的称为强电离等离子体；像火焰中的等离子体 大部分是中性粒子( 胚1 0 。3 ) ，称之为弱电离等离子体。 按其体系温度，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类。 若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行，那么电子，离子，中性粒子 会通过激烈碰撞而充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡状态。若电子，离 子，中性粒子的温度分别为瓦，正，瓦，我们把这三种粒子的温度近似相等的热平 衡等离子体称为热等离子体。 另一方面，数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时，电 子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，所以有瓦 正，t o , 死。我们 把这样的等离子体称为低温等离子体。 实验室和工业生产中一般所涉及的属于冷等离子体范畴。非平衡等离子体通 常是对低气压下的稀薄气体采用高频，微波，激光，辉光放电或对常压下气体采 用电晕放电所产生。其中，气体放电法比加热法更加简便高效，所以低温等离子 体主要是由气体放电产生。根据放电产生的机理，气体的压强范围，电源性质， 以及电极的几何形状，气体放电等离子体主要分为以下几种形式：辉光放电，电 晕放电，介质阻挡放电，射频放电，微波放电。基于减少前期投入，操作方便， 第1 章绪论 降低能源消耗的考虑，常温常压是理想的操作条件，而能在此条件下产生低温等 离子体的只有电晕放电和介质阻挡放电两种形式。 1 1 2 气体放电与流注理论 在通常情况下，气体是不导电的。但是在适当的条件下，加热或正离子轰击 阴极等，组成气体的分子可能发生电离，产生可自由移动的带电粒子，并在电场 作用下形成电流，这种电流通过气体的现象称为气体放电。 在研究放电现象时，我们常把放电分为两类，一类是非自持放电，另一类是 自持放电。 第一类，非持放电：它只能是存在外致电离源条件下放电才能维持的现象。 第二类，自持放电：它是在去掉外致电离源条件下放电仍然能够维持的现象。 最早研究气体放电理论的是英国的汤生，气体放电击穿电压实验证明了汤生 放电理论的正确性。在低气压放电中，气体击穿可以用汤生放电理论去描述，帕 邢定律完全可以由它说明。但是当p d 很大时，击穿电位的增长不再是线性关系， 也就是说帕邢定律在p d 很大的情况下不能适用。另外，汤生放电理论也不能说明 火花放电现象，正确解释火花放电的流光理论，则是由汤生放电理论发展而来的。 m e a k ，l e o b 等人于1 9 9 3 年引入了被称为“流注 的新概念，并成功地解释 了着火电压，放电延迟时间以及横贯电极间的细光柱等实验现象和结果1 4 j 。如图 ( 1 1 ) 所示以阴极附近的偶然电子作为种子，在外部电场岛的加速作用下，不断 发生电离、倍增，由此形成的电子崩向阳极一侧推进。位于前面的电子行进速度 非常快( - 2 x 1 0 5 m s ) ；而电离产生的离子较重，可以认为他们几乎处于静止状态。 一旦电子崩的前端接触n i j e t 极，电子就会被吸收而只剩下离子。当这些正空间电 荷产生的电场层增大到与外部电场扇相当时( 晶局) ，如图( 1 2 a ) 所示，就 会出现许多以光电离生成的电子为种子的小电子崩。这些电子崩头部中的电子被 吸收到正离子群中，从而形成等离子体。这个等离子体的内部电场近似为零，具 有电导性，所以其电位与阳极电位大致相等。等离子体头部的电场较强，如图( 1 2 b ) 所示，生成许多小电子崩，与此同时，等离子体区域也不断向阴极伸展。最后， 针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物研究 如图( 1 2 c ) 所示，根细等离子体柱( 流注) 贯穿阳极和阴极，因此产生了放电 电流在电极间的流动。 图1 1 电子崩 f i 9 1 1e l e c t r o na v a l a n c h ep r o c e s s “j( b ：甜 图1 2 流注发展过程 f i 9 1 2p r o c e s s o fs t r e a m e rd e v e l o p m e n t 依照流注理论，汤生理论中电极间离子运动而导致阴极发射二次电子并不是 必要的，放电在经过电子渡越时间的延迟后就可以开始。这个观点成功地解释了 放电延迟时间确实很短的观测结果。另外，它使我们明白了电极间快速推进的光 柱就是所谓的流注。如上所述，形成流注的条件是日2 岛，所以m e a k 认为电子崩 的头部可近似球形，并在考虑电离和扩散的基础上求出了球的半径和空间电荷电 场且。根据这些结果，经计算又得出一个大气压，电极间距为l c m 的空气放电的 着火电压为3 2 2 k v ，这与实验测量值3 1 6 k v 是一致的。 1 1 3 几种常见气体放电 直接利用高压电场产生气体放电的方法是比较容易实现的，且产生的气体放 电有很多种。在弧光放电产生的平衡态等离子体中，所有的分子键都已经被破坏， 物质基本上都是以离子形式存在，要利用这种放电形式进行物质结构重组显然是 不合适的；火花放电的不稳定性和随机性使其也不适于进行等离子体化学反应。 另外，辉光放电要求在低气压条件下进行，所需的放电电压较低，电子的能量也 较低，且反应物进出反应器要经历气压变换过程，所以这种放电方式也不合适。 电晕放电可在常压下进行，能量集中；介质阻挡放电可以在常压下产生大面积的 低温等离子体；射频放电和微波放电常用于无电极放电，可获得纯净的等离子体。 从处理速度和成本方面考虑，人们通常是避开真空放电而选择大气压下的电晕放 电、介质阻挡放电等。 一 、， 一 一业叠 第】章绪论 1 2 电晕放电 1 2 1 电晕放电定义 电晕放电通常是用直流高电压来启动，并将高电压加载在曲率半径很小的电 极( 如针状电极或细线状电极) 上。当针状电极( 或细线状电极) 上的电位升高 到一定程度时，也就是电荷累积到一定浓度时，针尖附近的强电场就能使其周围 的空气产生电离，从而产生局部放电现象，甚至产生晕光。我们能看到均匀稳定 的发光体笼罩在电极周围，这就是电晕放电。 在电晕放电中，电极的几何构型起着关键作用。电场的不均匀性把主要的电 离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近 或大或小的薄层中，气体的发光也多发生在这个区域里，这个区域称为电离区或 电晕层。在这个区域之外，由于电场弱，不发生或很少发生电离，电流的传导依 靠正离子和负离子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被称为迁移区或外围区 域。若两电极中仅有一个电极起晕，则放电的迁移区域中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。 1 2 2 电晕放电分类 电晕放电可以按起晕电极的极性不同分为正电晕放电和负电晕放电。负电晕 放电电子崩主要是碰撞电离，其起晕电压较低，火花电压较高，具有更宽的电压 范围，荷电区域大，因而在电除尘器等方面应用较多。与负电晕只在放电电极周 围产生小范围的电晕不同，正电晕产生更长的流光和更大的电晕体积，可以电离 更大体积的气体，因此，正极性电晕可以产生更大的活性区域。正电晕放电电子 崩主要是光电离，放电强烈，且可同光催化相结合。同时由于正电晕放电产生的 臭氧浓度低，因此室内空气净化技术多采用正电晕放电。 按电源提供电压的不同形式可分直流电晕，交流电晕，高频电晕和脉冲电晕。 虽然直流电源技术成熟可靠价格低廉，但直流电晕放电装置的工业应用长期局限 于静电除尘与静电喷涂领域。这主要是因为大气压直流电晕放电较低的放电功率 密度和平均电子能量，限制了其引发化学反应效率的提高f 5 1 。所以直流电晕放电尤 针阵列取极电晕放l 坎其捕集颗粒物研究 其是单极性电晕放电在材料表面处理、化工合成等领域的应用效果并不理想【6 l 。在 采用脉冲电源供电的情况下，针电极与线电极都能够有效引发流光，放电功率密 度和工作效率都可以得到有效提高，相关应用研究得到广泛开展【7 。“。在脉冲流光 放电中所施加的脉冲电压往往要高于流光发生的闭值电压，所以在很短时间内电 极各部位将同时产生流光。与脉冲流光放电不同，直流流光放电的击穿通道是随 机产生的，在某一时刻电极上只有有限数目的流光发生，流光不间断的在电极上 随机出现。在脉冲流光放电中单脉冲能量更高( 约3 m j ) 】，单位时间内发生 的流光数目更多，因而其放电功率密度相对较高( 1 5 0 w e r a 3 ) 1 5 。脉冲流光放电 虽然已被证明是诱发等离子体化学反应的有效手段，但仍然存在很多技术问题， 使其大规模工业化应用无法有效开展。这些问题主要包括：电源昂贵复杂，寿命 不长；脉冲电源与负载之间的匹配关系复杂，能量传输效率不高。 n 线- 板电极结构( 剖面图) 气流- 辱寻 气流1i 诮i 一。i 。赢一毒磐f c 针- 板电楹结构d 喷嘴电极结构 图13 典型电晕放电电极结构 f i g 13s c h e m a t i c d i a g r a mo f t y p i c a lc o f o i “l d i s c h 缸g es e t u p 按电极数目分类为单极电晕，双极电晕和多极电晕等。单极电晕放电按照电 极形状可以分为线- 筒、线一板、针一板毗及由针一板结构演变而来喷嘴电极结构等多 第1 章绪论 种形式，电极结构见图1 3 。线筒式和线板式结构直流电晕放电的电晕区较小，仅 限于电晕电极附近，放电电流较弱，若提高外加电压则容易形成火花击穿。针阵 列电极结构提高了放电强度和电离度，使微放电的发生具有简单、高效、稳定和 可靠的特点。喷嘴电极结构由一根附有金属针的中空金属管且各金属针尖端带空 用于喷射添加气体的高压电极，其它组件类同电晕放电装置。该种放电方式电能 损耗少，用于放电的能量利用率高，用于辅助其它方法对污染气体的处理。同时 也有以下不利应用的因素；因高压电场作用针极上附着微细尘粒不易去掉，易引 起针尖上的细空堵塞和针尖肥大，导致添加剂喷射不均匀和放电不均匀且减弱放 电强度。 12 3 电晕放电特性 。广l i 土二一 ，? 苦亨卜 一b ：，卜= 女 i ” i j q e i f 鲁 g i t l 由 图1 4 电晕放电不同阶段 f i 9 14 d i f f e r e n t p h a s e s o f c o r o n a d i s c h a r g e 图1 4 描述了一个典型的电晕放电的例子。在平板电极对面的针状电极上加有 正电压，这时的放电是空气中的大气压电晕放电。电极间距为数厘米时加上约 2 0 0 0 k v 的电压后针尖便被薄薄的发光膜所覆盖，电极间仅有数微安的微弱电流， 这种放电叫做辉光电晕( 膜状电晕) 。增大电压后，发光部分向平板电极方向伸 针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物研究 展，形成刷状电晕，这种电晕放电是处于肉眼无法判断的不稳定的闪烁状态。考 察其放电脉冲的电流波形，可以发现它是一种上升很快，脉冲宽度很短的周期性 脉冲电流，其脉冲宽度和周期都约为l s 。再进一步增大电压，从针尖伸展出来的 发光部分便会触及平板电极，并且分成许多线状的发光部分，它们均处于不停的 闪烁状态。我们把这种状态的电晕称为流注电晕。 如上所述，当以针为正电极时，随着电压的增大，放电会呈现出各种形态， 最终达到大电流稳定流动的火花放电状态。改变电压的极性，给针状电极加负电 压时形成的是负电晕。它与上述的正电晕有所不同，不存在那种电压引起的放电 形态的明显变化。负电晕基本上类似于流注电晕，但具有电流闪烁较少的辉光性 质。就放电发展过程中的主要电离方式而言，负电晕时是分子的电子碰撞电离， 正电晕时是光电离。 在电晕放电中，电场的不均匀性对放电特性起着重要的作用。电场的不均匀 性同电极的几何构形，电极间气体种类等有很大关系，电压高低，电极形状，极 间距离和气体性质等因素决定着电晕放电的特性。 1 2 4 电晕放电研究进展 对电晕放电过程的定性描述已经较为清晰，由于这种局部放电的电极结构特 殊性、不均匀的空间电荷场存在、以及微观参数不易测量等因素致使定量分析十 分复杂和困难。早期研究者大多研究的是线筒式或线板式电极结构下的电晕放电， 且相关的理论研究多局限于容易测量的伏安关系。 c r i s t i n a 推导出用于静电除尘的线筒式电晕放电的伏安关系，与实验数据基本 吻合，认为发射极表面不规则使计算得的起晕电压略高于实际起晕电压【12 。目前 多采用经验公式i = c v ( v - v 。) 来描述不同电极结构放电的伏安关系【1 3 】，并根据实验结 果确定了不同条件下的c 值【1 4 】，c 值与d 的关系尚存争议【1 5 】。 线筒式和线板式结构下直流电晕放电的电晕区较小，形成的等离子体活性空 间小，仅限于电晕电极附近，放电电流也比较微弱，同时在略高的操作电压下即 会击穿形成火花放电，使气体温度升耐1 6 】。 第1 章绪论 为了提高放电的能量，2 0 世纪8 0 年代初期日本的m a s u d a 提出了脉冲电晕放 电等离子体技术【l 刀。r c f l e t c h e r 用单一电子崩主导放电的机理向多电子崩机理 的转变来解释放电机理，其试验结果符合经典流注机理【1 8 】；p f e l s e n t h a l 和j m p r o u d 提出用一种改进的脉冲微波气体击穿理论来解释击穿机理【1 9 】；前苏联的g a m e s y a t s 等进一步总结了纳秒脉冲下由少量和大量初始电子引燃的气体放电特征， 用基于逃逸电子的线性电子崩链理论来解释放电机理【2 0 】；e e k u n h a r d t 等提出了 一种适合于高气压、高过电压的逃逸电子模型【2 1 】；y k a w a d a 等试验得到纳秒脉冲 下p a s c h e n 曲线，并利用经典的电子崩一流注机理来解释放电机理，流注起始于阴 极表面及表面附近1 2 2 1 。 脉冲电晕存在的主要问题是：脉冲形成回路电耗大，约为电源功率的3 0 左 右。脉冲电晕产生的高能电子会对空气中的n 2 和c 0 2 等气体分子起分解和电离作 用，浪费了能量。制造大功率脉冲电源技术复杂，成本很高，火花开关寿命较短， 需定期更换等【2 3 。2 5 1 。 因此近几年有关电晕放电的研究大多重新采用直流放电方式，通过采用针对 板等结构形成多个放电通道，增大放电电流即放电注入能量。y a m a d a 通过实验总 结出针对网负电晕放电的伏安关系式：卢c l ( t - 1 3 2 ) a r 2 8 v ( v - c 2 t 。1 3 9 ) 其中肋温度， d 为电极间距，系数c l 和c 2 由电极结构决定1 2 6 1 。a d a m i a k 研究了针对板电晕放电的 伏安特性，用边界元方法模拟极不均匀电场，用有限元方法推导空间电荷产生的 电场，得到针对板电晕放电的伏安关系式为：i = a k 坎v 一蜘彬，其中k 为离子迁移 率，为气体介电常数。计算得的伏安曲线和实际曲线基本一致，认为将针尖设为 光滑的半球形使计算得的起晕电压稍高于实际值，在针尖半径不太小( 9 5 1 a m ) 时 准确预测地端平板上的电流密度分布【2 7 】。 本实验室己进行了线筒式和针板式电晕放电伏安特性的研究【2 引。近似计算得 针对板电晕放电伏安关系式t = c 坎v - v s ) c 9 的c 值，f 值随d 的变化趋势和计算值与实验 结果一致【2 9 1 。在不影响放电稳定性，且放电能量密度较高时，确定了多针对板电 晕放电中优化的电极间距【3 0 】。 针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物研究 1 3 电晕放电光谱探测 1 3 1 电晕放电光谱特性 在固体表面放电时，放电的光谱与放电区域的气体组成，固体材料的性质， 表面状态及极间电压等有关。在空气中，电晕放电中发光光谱与氮气中放电发光 光谱相似，这证明空气中的电晕，主要是氮分子电离复合发光。由图1 5 可知在电 晕放电的情形下，一般可见光的辐射都较弱，且基本为连续谱；而紫外区和红外 区的辐射强弱则与具体的放电电压和电极距离等条件有关，光谱分布有连续谱、 谱带以及分立谱线叠加而成。 14 48 71 3 01 7 32 1 62 5 9 3 0 23 4 5 3 8 84 3 14 7 4 5 1 7 图1 5 典型的电晕放电n 2 激发光谱图 f i g 1 5t y p i c a ln 2e m i s