分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列研究

发布时间：2017-08-25 22:00

  本文关键词：分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列研究

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【摘要】：随着我国经济快速增长和国际贸易不断发展,各大港口船舶压载水排放量也逐年增加,船舶压载水中携带大量外来生物,使我国海洋生态环境面临越来越大的外来生物入侵压力。利用基于大气压强电场放电的高级氧化技术是一种安全有效的压载水处理方法,该方法的核心是研制能够连续、规模、高效制备活性氧粒子的发生装置。传统规模化活性氧粒子发生装置,由于存在几何尺度放大效应,致使放电体系难以在数千赫兹以上的高频下运行。而较低的激励频率使活性氧粒子发生装置存在体积过大、效率低、产率难以提高等问题。基于高级氧化处理压载水技术要求,依据大气压强电场放电规模化制备高浓度活性氧粒子的技术路线,开展了分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列研究,结果表明：(1)利用大气压非对称电极结构介质阻挡放电,在高激励电压下可以产生微流注与微类辉光交替促成放电模式,微流注存在于激励电压的正半周期,微类辉光存在于激励电压的负半周期,微流注头部动态强电场与微类辉光阴极位降区持续强电场在放电间隙内的协同作用,增强了放电间隙内局部强电场的时空分布,有利于提高活性氧粒子的产生效率；(2)通过应用非对称电极结构与高电压激励,可以促使大气压非平衡等离子体反应器工作在微流注与微类辉光交替促成放电模式,在时间和空间上强化了放电间隙内的局部电场；通过对电极表面进行预氧化处理,增加了反应器电极表面抗氧化性,延长了反应器电极寿命,提高了放电稳定性。基于以上优化,大气压非平衡等离子体反应器制备活性氧粒子的最高浓度可达165 g/m3,最高产量达41.9g/h,单位放电面积产量达1130g/m2·h；(3)通过建立分区激励方法,将系统谐振参量(变压器漏感与反应器等效电容)分散到由小型高频高压变压器和大气压非平衡等离子体反应器组成的分区激励单元中,实现了在反应器阵列规模尺度增加的同时,保证系统固有谐振频率不变,放电系统仍然可以工作在原有较高的频率,解决了大气压非平衡等离子体反应器阵列规模尺度放大效应问题；(4)通过设计大功率逆变器与小型高频高压变压器研制了大气压非平衡等离子体反应器阵列分区激励电源。大功率逆变器主电路采用IGBT开关器件组成的全桥逆变电路,通过PWM控制策略对输出功率和频率进行调控,输出频率范围为5N11 kHz,最大输出功率为20 kW,可同时驱动40台大气压非平衡等离子体反应器；小型高频变压器设计充分考虑了高频高压激励的特点,使用频率范围为5-11kHz,最高输出电压为10kV；(5)基于分区激励方法,利用大气压非平衡等离子体反应器与小型高频变压器组成分区激励单元,将24组分区激励单元阵列并接于一台大功率逆变器上,研制了分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列。在实际工程应用模式下,该反应器阵列首次实现在8 kHz以上的工作频率下运行,保证了活性氧粒子的规模化制备,制得活性氧粒子浓度可达110.9 g/m3,产量可达443.6 g/h：同常规装置相比,其体积大幅减小,工作频率大幅提高(由1 kHz左右提升至8kHz以上),激励电压大幅降低(由10～30 kV降低至2～4 kV),为高级氧化压载水处理系统的研制提供了核心技术装置。
【关键词】：介质阻挡放电 流注放电 微类辉光放电 等离子体反应器 高频高压电源
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.92
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-42
• 1.1 研究背景13-20
• 1.1.1 船舶压载水搭乘外来海洋生物的危害13
• 1.1.2 有关压载水处理的立法公约与技术导则13-15
• 1.1.3 船舶压载水处理方法15-17
• 1.1.4 基于大气压强电场放电的高级氧化技术处理压载水方法17-20
• 1.2 大气压介质阻挡放电研究进展综述20-40
• 1.2.1 大气压介质阻挡放电20-22
• 1.2.2 大气压介质阻挡放电模式22-29
• 1.2.3 大气压强电场放电及其对等离子体化学反应的影响29-32
• 1.2.4 大气压介质阻挡放电反应器研究现状与发展趋势32-35
• 1.2.5 大气压介质阻挡强电场放电反应器构成技术难点35-37
• 1.2.6 大气压介质阻挡放电激励技术37-40
• 1.3 主要研究内容40-42
• 第2章 大气压微流注与微类辉光交替促成放电模式42-69
• 2.1 引言42
• 2.2 实验装置与诊断方法42-45
• 2.2.1 实验装置42-43
• 2.2.2 诊断与检测方法43-45
• 2.3 微流注与微类辉光交替促成放电45-63
• 2.3.1 微流注放电现象45-46
• 2.3.2 微流注与微类辉光交替促成放电现象46-51
• 2.3.3 微流注与微类辉光交替促成放电模式形成机理51-56
• 2.3.4 微流注与微类辉光交替促成放电中的微流注特性56-60
• 2.3.5 微流注与微类辉光交替促成放电中的微类辉光特性60-63
• 2.4 微放电通道相互作用63-67
• 2.4.1 微放电通道相互作用64-67
• 2.4.2 三微放电通道相互作用67
• 2.5 本章小结67-69
• 第3章 大气压非平衡等离子体反应器优化69-98
• 3.1 引言69
• 3.2 大气压非平衡等离子体反应器结构69-74
• 3.2.1 大气压非平衡等离子体反应器结构69-71
• 3.2.2 高性能Al_2O_3薄电介质层71-72
• 3.2.3 电极的局部电场强化72-73
• 3.2.4 电极材料的抗氧化性能73-74
• 3.3 大气压非平衡等离子体反应器工作特性74-88
• 3.3.1 大气压非平衡等离子体反应器活性氧发生实验74-75
• 3.3.2 大气压非平衡等离子体反应器电学特性变化75-78
• 3.3.3 强电场放电对接地电极表面的影响78-85
• 3.3.4 强电场放电对电介质层表面的影响85-88
• 3.4 大气压非平衡等离子体反应器优化途径88-90
• 3.5 大气压非平衡等离子体反应器性能影响因素90-97
• 3.5.1 反应器性能测试90-94
• 3.5.2 冷却温度对反应器性能影响94-95
• 3.5.3 原料气体含水量对反应器性能影响95-96
• 3.5.4 放电通道长度对等离子体化学反应的影响96-97
• 3.6 本章小结97-98
• 第4章 大气压非平衡等离子体反应器阵列分区激励技术98-118
• 4.1 引言98
• 4.2 大气压非平衡等离子体反应器等效电路及系统谐振特性分析98-107
• 4.2.1 大气压非平衡等离子体反应器模块负载特性98-103
• 4.2.2 负载等效电路谐振特性分析103-107
• 4.3 大气压非平衡等离子体反应器组合工作特性107-108
• 4.4 大气压非平衡等离子体反应器阵列尺度放大效应与分区激励调控方法108-111
• 4.5 放电系统参数对谐振频率的影响111-117
• 4.5.1 变压器漏感的影响112-114
• 4.5.2 反应器等效电容的影响114-116
• 4.5.3 品质因数的影响116-117
• 4.6 本章小结117-118
• 第5章 大气压非平衡等离子体反应器阵列分区激励电源设计118-129
• 5.1 引言118
• 5.2 大功率逆变器设计118-124
• 5.2.1 大功率逆变器主电路设计118-120
• 5.2.2 大功率逆变器驱动电路设计120-123
• 5.2.3 大功率逆变器及其输出特性123-124
• 5.3 小型高频变压器设计124-128
• 5.3.1 磁芯材料和结构124-126
• 5.3.2 参数设计126-128
• 5.3.3 小型高频变压器及其输出特性128
• 5.4 本章小结128-129
• 第6章 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列及效能129-146
• 6.1 引言129
• 6.2 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列的设计与组成129-131
• 6.3 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列测试方法131
• 6.4 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器工作频率设定131-134
• 6.5 分区激励单元对逆变器输出的影响134-142
• 6.5.1 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列谐振参量失配134-136
• 6.5.2 谐振参量失配原因分析136-140
• 6.5.3 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列谐振参量优化140-142
• 6.6 分区激励式大气压非平衡等离子体反应器阵列效能142-144
• 6.7 本章小结144-146
• 结论与展望146-148
• 结论146-147
• 展望147-148
• 参考文献148-160
• 攻读学位期间学术成果160-164
• 致谢164-166
• 作者简介166

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