论文总字数：33416字

摘 要

应对目前工业等生产活动产生大量废气污染环境的严峻形势，传统各种废气处理方法所暴露出的各种弊端促使研究者要找出一种新兴的废气处理技术，而低温等离子体技术作为近年来出现的新兴方法，在诸多研究者将其应用于废气处理中时，都表现出了卓越的优势，具有未来广泛用于废气处理的美好前景。

本次论文结合过往研究设计的经验，自行设计出了两种组合式的介质阻挡放电废气处理装置。一种为组合同轴式反应器，这种反应器结构主要是将气体通入同轴式的两个电极间的气隙内与产生的等离子体进行反应；另一种则是选择了放电盘结构，即反应电极选择为棒-棒电极，阻挡介质形式则选择为双介质形式，处理废气时是将废气通入二者间的气隙进行处理。两种反应器单元组合时都是将多组这样的放电单元并排放置以应对不同废气处理规模的需求。

为了总结和比较设计出的两种反应器结构放电时的电学特性和光学特性，并以此比较得出二者中性能更加优越的一种，利用实验室的可用设备自行搭建了实验装置系统来采集相关实验数据。通过对电流电压波形、最大瞬时功率、发光图像和发射光谱特性的分析，比较了两种反应器结构的电学特性和光学特性。研究结果表明，放电盘与同轴式反应器相比，放电完全时最大瞬时功率最大为320W，远小于同轴式反应器最大瞬时功率的最大值1200W；同时在电压相同条件下，放电盘产生的活性氮的发射光谱强度为7103，而同轴式反应器产生的活性氮的发射光谱强度为3400；同时同轴式反应器发射光谱的毛刺要多得多。总结来说，放电盘这一反应器结构比同轴反应器的能耗低，但却能产生更多用于废气处理的活性粒子，并且放电还更加均匀且干扰小。

关键词：废气处理 低温等离子体 介质阻挡放电 活性粒子 电学特性 光学特性

Design and Characteristic Research of a Small Combined Low Temperature Plasma Exhaust Gas Treatment Device

Abstract

In response to the severe situation of environmental pollution caused by a large amount of waste gas generated by industrial and other production activities, various drawbacks exposed by various traditional waste gas treatment methods urge researchers to find a new waste gas treatment technology. As a new method emerging in recent years, low-temperature plasma technology has shown remarkable advantages when applied to waste gas treatment by many researchers and has a bright prospect of being widely used in waste gas treatment in the future.

Based on the experience of previous research and design, this paper has designed two kinds of combined dielectric barrier discharge exhaust gas treatment devices. One is a combined coaxial reactor. The structure of this reactor is to introduce gas into the air gap between two coaxial electrodes to react with the generated plasma. The other is to select the structure of the discharge plate, the reaction electrode is selected as a rod-rod electrode, and the blocking medium is selected as a double medium, and the waste gas is introduced into the air gap between the two for treatment. When the two reactor units are combined, multiple groups of such discharge units are placed side by side to meet the requirements of different waste gas treatment scales.

In order to summarize and compare the electrical and optical characteristics of the two designed reactor structures when discharging, and to obtain the better one by comparison, an experimental device system was built by using the available equipment in the laboratory to collect relevant experimental data. The electrical and optical characteristics of the two reactor structures were compared by analyzing the current and voltage waveforms, maximum instantaneous power, luminescence image and emission spectrum characteristics. The results show that, compared with the coaxial reactor, the maximum instantaneous power of the discharge disc is 320W when the discharge is complete, which is much smaller than the maximum instantaneous power of the coaxial reactor 1200 W; At the same time, under the same voltage, the emission spectral intensity of the active nitrogen generated by the discharge plate is 7103, while that of the active nitrogen generated by the coaxial reactor is 3400. At the same time, the emission spectrum of coaxial reactor has much more burrs. In summary, the reactor structure of the discharge tray has lower energy consumption than the coaxial reactor, but it can produce more active particles for waste gas treatment, and the discharge is more uniform and has less interference.

Key words: Waste gas treatment; Low temperature plasma; Dielectric barrier discharge; Active particle; Electrical characteristics; optical characteristics

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2处理废气的传统方法与新兴方法 2

1.2.1处理废气的传统方法 2

1.2.2等离子体技术的介绍 2

1.3等离子体技术处理废气的相关研究进展 5

1.3.1国外研究进展 5

1.3.2国内研究进展 8

第二章 反应器结构设计和发生电源选择 15

2.1等离子体反应器的设计思路和电源选择思路 15

2.2等离子体反应器设计 16

2.2.1同轴式反应器设计 16

2.2.2排级式放电盘的设计 17

2.3发生电源的选择 21

2.3.1电源电压的选择 21

2.3.2电源电压频率的选择 21

2.4本章小结 22

第三章 实验装置和测量系统 24

3.1实验装置以及测量系统 24

3.2实验方法 27

3.3电气参量计算 28

3.4本章小结 28

第四章 两种反应器结构方案的比较 30

4.1两种反应器电学特性诊断分析比较 30

4.1.1电压-电流特性分析比较 30

4.1.2放电功率特性分析 31

4.2两种反应器光学特性诊断分析比较 33

4.2.1发光图像特性分析比较 33

4.2.2发射光谱特性分析比较 37

4.3本章小结 43

第五章 总结 44

参考文献 45

致谢 48

第一章 绪论

1.1课题背景

走进21世纪，中国的经济发展速度正变得越来越快，但在经济快速发展美好前景下，中国的人口规模也在不断扩大，生产生活造成的各种废气排放数量呈现不断上升的趋势，对废气污染物的净化处理问题逐渐成为研究学者们需要解决的棘手问题。实际的工厂生产活动中，排放进入大气中最为普遍的污染气体就是挥发性有机废气（Volatile Organic Compounds），而这类废气的排放的主体主要是一些化工相关行业，比如橡胶制品制造业、石油化工业和化纤衣物制造业等；除此以外还有一些产业需要使用挥发性有机废气进行产品生产，也会在生产过程中造成废气污染物的排放，比如书本印刷业等。研究表明，为了满足国民日常生活所进行的各种生产活动造成的空气污染物浓度已经大大超过了相关部门所规定的正常空气污染物浓度指标^[1]。根据相关的数据统计结果显示，中国挥发性有机废气（VOCs）的排放量仍然处于世界排名的前列^[2]。目前对工业废气的处理的常用方法较多为化学法或物理吸附方法等^[3]，但这些方法暴露出了很多缺点，包括运营经济成本过高、废气处理效率不高、不易消除二次污染和受处理环境因素影响较大等。

相较于废气处理的传统方法，利用低温等离子体处理废气的方法具有经济效益高、处理效果好、适用范围广和二次污染相对较少等优点。低温等离子体处理废气的方法主要是应用了在放电气隙中被电离的气体产生的各种氧化性和化学活性极强的粒子和物质基团，比如激发态的氧、羟基和与氮相关的活性粒子等^[4]，这些活性物质极其容易和被处理的废气分子和自由基团等发生氧化还原等化学反应，进而转化为稳定状态下的物质分子，这些物质一般是无污染性的物质，这样就利用低温等离子体处理废气污染物的目的。

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