8电晕和辉光放电等离子体技术与应用.pptx

8 电晕和辉光放电等电晕和辉光放电等离子体技术与应用离子体技术与应用8.1 电晕和辉光放电等离子体机理分电晕和辉光放电等离子体机理分析析v8.1.1 电晕放电电晕放电v电晕放电常采用非对称电晕放电常采用非对称电极（如针电极（如针-板电极、板电极、针针-针电极等），在电针电极等），在电极曲率半径小的地方电极曲率半径小的地方电场强度特别高，容易形场强度特别高，容易形成电子发射和气体电离，成电子发射和气体电离，可在常压条件下形成电可在常压条件下形成电晕。晕。针电极针电极平板电极平板电极进气口进气口出气口出气口等离子体区等离子体区催化剂催化剂10-1010-810-10-410-211001000电流电流I/AVBA辉光放电辉光放电暗放电暗放电弧光放电弧光放电汤森区汤森区BDFFGHJCEIK本底电离本底电离饱和区饱和区电晕电晕击穿电压击穿电压正常正常辉光辉光异常异常辉光辉光Themal辉光到弧光辉光到弧光的跃变的跃变V1/I电压电压/气体放电伏安特性曲线气体放电伏安特性曲线直流电晕直流电晕交流电晕交流电晕高频电晕高频电晕根据放电产生电晕的根据放电产生电晕的电源来源和频率可分为电源来源和频率可分为正电晕正电晕负电晕负电晕电晕放电类型电晕放电类型爆发式脉冲电晕爆发式脉冲电晕流注电晕流注电晕辉光电晕辉光电晕特里切尔电晕特里切尔电晕v正负电晕的形成机理正负电晕的形成机理 负电晕的形成机理负电晕的形成机理场生雪崩放电理论：场生雪崩放电理论：针状阴极电晕发光区内存在较强烈的电离与激发，针状阴极电晕发光区内存在较强烈的电离与激发，电流密度大，在负电晕的外围只存在单一的带负电电流密度大，在负电晕的外围只存在单一的带负电的粒子。的粒子。正电晕的形成机理正电晕的形成机理流光理论：流光理论：一旦产生正电晕放电，电晕层内强电场中激发粒一旦产生正电晕放电，电晕层内强电场中激发粒子的光辐射产生电子即光致电离，所形成的电子在子的光辐射产生电子即光致电离，所形成的电子在电晕层中引起雪崩放电，产生大量激发和电离，最电晕层中引起雪崩放电，产生大量激发和电离，最后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，进入电晕后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，进入电晕外围向阴极迁移。外围向阴极迁移。根据能量提供方式，金属中电子发射可分为以下根据能量提供方式，金属中电子发射可分为以下几种情况几种情况：高温导致的热电子发射；高温导致的热电子发射；强电场导致的场致发射强电场导致的场致发射；光照导致的光致发射；光照导致的光致发射；电子撞击产生的次级电子发射；电子撞击产生的次级电子发射；金属表面力学作用（摩擦、形变等）或化学反应金属表面力学作用（摩擦、形变等）或化学反应导致的自由电子发射导致的自由电子发射10-1010-810-10-410-211001000电流电流I/AVBA辉光放电辉光放电暗放电暗放电弧光放电弧光放电汤森区汤森区BDFFGHJCEIK本底电离本底电离饱和区饱和区电晕电晕击穿电压击穿电压正常正常辉光辉光异常异常辉光辉光Themal辉光到弧光的跃变辉光到弧光的跃变Vne(X)V(x)交流电晕交流电晕负电晕，能量密度较高时，正电负电晕，能量密度较高时，正电晕晕负电晕负电晕交流电晕。交流电晕。C能量密度低时能量密度低时CH4转化率高于转化率高于CO2转化率，由于转化率，由于CO2 过量导致过量导致CH4的转化率较高，这一特点与平衡的转化率较高，这一特点与平衡热力学分析结果一致，但能量密度增加到一定程度热力学分析结果一致，但能量密度增加到一定程度后，后，CO2转化率将高于转化率将高于CH4转化率。转化率。D反应产物的反应产物的H2/CO值随能量密度的增加先下降，值随能量密度的增加先下降，然后上升然后上升E随能量密度增加，反应体系易于产生随能量密度增加，反应体系易于产生C2H2、积炭、积炭等物质。等物质。v（3）原料配比对反应的影响）原料配比对反应的影响当能量密度一定时，随原料中当能量密度一定时，随原料中CH4的增加，的增加，CH4和和CO2的转化率同时提高。其中的转化率同时提高。其中CO2的转化率随的转化率随CH4/CO2比值变化较大，在高比值时，比值变化较大，在高比值时，CO2的转化率超的转化率超过过CH4的转化率。的转化率。v（4）能量效率分析）能量效率分析各种电晕放电反应的能量效率接近，均随体系能量各种电晕放电反应的能量效率接近，均随体系能量密度的增加而下降。密度的增加而下降。8.3.2 非对称电极电晕放电场的能量非对称电极电晕放电场的能量分布分布v通常计算电场能量分布的方法有通常计算电场能量分布的方法有：有限元法、：有限元法、模拟电荷法、矩量法。模拟电荷法、矩量法。v模拟电荷法结果模拟电荷法结果:在等离子体区轴中心，越接近上电极尖端，在等离子体区轴中心，越接近上电极尖端，电位越高，相应的电场强度越大。电位越高，相应的电场强度越大。v（1）常压辉光放电旋转电场等离子体甲烷常）常压辉光放电旋转电场等离子体甲烷常压偶联制碳二烃压偶联制碳二烃8.3.3 常压辉光放电甲烷偶联制碳二常压辉光放电甲烷偶联制碳二烃烃电电极极连连杆杆进气口进气口出气口出气口多尖端金属多尖端金属旋转电极旋转电极筒形电极筒形电极v辉光放电实验流程辉光放电实验流程H2CH4反反应应 器器交流高压交流高压发生器发生器高压探头高压探头11色色谱谱仪仪1-质量流量计质量流量计2-压力表压力表22r=1KmV数字示波器数字示波器（2）旋转电场常压）旋转电场常压CH4+H2放电特性放电特性v（1）电压波形和电场放电的伏安特性）电压波形和电场放电的伏安特性vA电压波形：随电源输入功率由小到大而出峰数逐电压波形：随电源输入功率由小到大而出峰数逐渐增多，表面输入能量增大时放电次数增多，而且渐增多，表面输入能量增大时放电次数增多，而且随电源输入功率的提高，电场输入功率增大，说明随电源输入功率的提高，电场输入功率增大，说明由于输入能量的增加可以增大气体的电离度，从而由于输入能量的增加可以增大气体的电离度，从而使放电电流增加。使放电电流增加。vB随电源输入功率的提高，电压从上升经过最高点随电源输入功率的提高，电压从上升经过最高点后下降，这意味着辉光放电开始由异常辉光向弧光后下降，这意味着辉光放电开始由异常辉光向弧光放电转化。放电转化。v（2）电源输入功率的影响）电源输入功率的影响vA在同样的电极、流率、空时下电源输入功率逐渐在同样的电极、流率、空时下电源输入功率逐渐增大，电场输入功率随之增大，甲烷的转化率和碳增大，电场输入功率随之增大，甲烷的转化率和碳二烃的收率也随之增大，但碳二烃的选择性降低，二烃的收率也随之增大，但碳二烃的选择性降低，此结果从另一个角度证明了在大流量操作时仍需控此结果从另一个角度证明了在大流量操作时仍需控制适宜的电源输入功率。制适宜的电源输入功率。8.3.4 等离子体甲烷常压偶联反应的等离子体甲烷常压偶联反应的光谱分析光谱分析v等离子体发光谱线：从可见光到紫外线，甚等离子体发光谱线：从可见光到紫外线，甚至至X射线，都是由于等离子体中存在大量各种射线，都是由于等离子体中存在大量各种形式的激发态粒子的运动引起的。形式的激发态粒子的运动引起的。v低温等离子体的辐射主要由退激发辐射、复低温等离子体的辐射主要由退激发辐射、复合辐射和轫致辐射构成。合辐射和轫致辐射构成。v等离子体辐射的光谱既有连续光谱，也有线等离子体辐射的光谱既有连续光谱，也有线光谱。光谱。v（1）等离子体甲烷常压偶联光谱诊断）等离子体甲烷常压偶联光谱诊断H2CH4反反应应 器器交流高压交流高压发生器发生器11色色谱谱仪仪1-质量流量计质量流量计2-压力表压力表22（2）光谱诊断常压辉光放电特征参）光谱诊断常压辉光放电特征参数数v（1）谱线强度诊断电子温度）谱线强度诊断电子温度两条谱线强度之比为两条谱线强度之比为A谱线的跃迁概率谱线的跃迁概率g能级的统计权重能级的统计权重 自发跃迁辐射的频率自发跃迁辐射的频率（2）谱线宽度诊断电子浓度）谱线宽度诊断电子浓度当电子浓度在（当电子浓度在（1020m-3，1024m-3）利用谱线的斯塔）利用谱线的斯塔克展宽决定等离子体的带电粒子浓度，此时只需测克展宽决定等离子体的带电粒子浓度，此时只需测量相对谱线线形和线宽；量相对谱线线形和线宽；当电子浓度在大于当电子浓度在大于1024m-3 时，使用标准的分光计和单时，使用标准的分光计和单色仪就可以色仪就可以。