要：流光电晕产生高能电子是气体放电产生化学效应的根源。除窄脉冲电源外，采用适当的电极型式，适当的直流基压叠加适当频率的交流电压（AC/DC）也能产生稳定的流光电晕。经过对NO和亚硫酸铵溶液进行氧化实验，表明AC/DC流光放电等离子体具有很好的化学效应。
关键词：流光放电，等离子体，AC/DC供电烟气脱硫引言对于大气压下气体中的电晕放电，早在1941年H.Raether[1]就已经记录到单个电子崩轨迹。流光(流注)理论以汤逊电子雪崩理论为基础，考虑空间电荷使电场畸变对电子碰撞电离的影响以及电子雪崩中的光致效应，解释了在高pd(气压与电极距离的乘积>200torr×cm)值下的不均匀电场放电机理。根据流光形成机理，以正离子团为电子崩头的流光头向负极发展的轨迹形成一个正负离子混合通道(流光通道)。流光从流光头的发生、发展直至到达负极表面的过程叫一次流光(primarystreamer)；流光头到达负极后，通过流光通道导通的放电叫二次流光(secondarystreamer)[2]。流光电晕产生高能电子是气体电晕放电化学效应的根源。气体放电引发化学反应主要依靠放电生成的自由基及其它活性粒子，如OH、O、N、O3等。要产生自由基就需要打断分子的键或使分子电离产生正离子。一个H2O分子分裂为OH和O，一个O2分子分裂为两个O原子需要的电离能都是5.17eV[3]。在流光发展过程中，流光头表面的强电场引发电子雪崩，流光头激发的高能电子能量可达10-12eV[4]，足以激发H2O和O2等发生电离。而流光通道内次级流光的场强只有5kV/cm，平均电子能量只１-２eV，对化学反应的贡献很小。为了提高能量效益，通常采用足够窄的脉宽以限制流光通道次级流光电流的消耗，脉冲电源流光电晕的研究就是基于这个理念。因此，要提高化学反应的能量效率，就要在正流光头到达负极之前，也即一次流光完毕时，将外加电压降为零，以减少次级流光放电对能量的无益消耗。1998年Yanetal.[5]发现在DC基压上叠加适当的AC可产生稳定的流光电晕。这种流光电晕有良好的脱硝效果[6-7]。根据Yan[8]等的研究，DC/AC电源与脉冲电源引发的流光放电主要区别在于：对于脉冲电源系统，几乎所有的流光都是在同时产生的，流光传播速度比DC/AC电源系统产生的流光快10倍。结果是电源必须很高的输出峰值和很窄的脉宽，导致电源系统十分昂贵。而对AC/DC电源系统，流光的产生是在AC电源的每半个周期内随机产生，相比而言，电源系统不需要很大的输出功率。另外，在DC基础上叠加一定的AC，能够降低对放电点精度上的敏感[9]，对锯齿线电极工业反应器来说，意味着能更好地改善流光的分布，易于工业化应用。研究证实AC/DC电源在烟气脱硫应用上取得很好的效果[10-11]。1AC/DC电源及反应器图1是实验装置示意图，AC/DC电源主要由两部分组成，直流电源和高频交流电源，交直流电源之间通过电容耦合，实验中DC电压为0-50kV;AC频率为10-35kHz,AC电压峰峰值为0-20kV。反应器结构根据需要配置点-板、线-板或线-筒等型式。实验中由TektronixTDS3014四通道彩色数字示波器测量电参数。VarioPlus烟气分析仪测定模拟气中NOx及其他成分。2实验结果及讨论2.1不同电极形式的放电模式电极形式的优化目的是寻求一种流光范围宽，初始流光电压低、有足够机械强度的适合工业应用的电极。对电极形式的对比在直流供电条件下进行，所谓直流电晕是指在高压加到一非均匀电极间隙一定时间（这个时间远远长于整个放电过程的完成），这期间放电参量保持恒定。2.1.1球型电极电晕放电模式图2是半径1.5mm的实心钢球－平板电极施加不同DC正高压时的电晕形态时间积分照片，显示了单一球型电极电晕放电模式由起始流光(onsetstreamer)向辉光(glow)转化和辉光放电向预击穿流光（Pre-breakdownstreamer）最终击穿(spark)的转化过程。在间距60mm，电压16kV时出现的初始流光，呈现不稳定间隙性。电压升高至18kV时，初始流光消失，球形电极近阴极的半个表面出现稳定的辉光。在电压加至46kV时出现预击穿流光并很快转化为击穿。2.1.2单一尖端电极电晕放电模式一曲率半径0.2mm的放电尖端的实验结果。以间隙80mm为例，当在施加9.5kV正电压时，就可观察到尖端处开始出现辉光亮点，实验测得0.12mA的电流。随着电压的升高，可观察到电晕亮度在增强，在10-24kV范围内出现明显的辉光区，同时伴随着不稳定的初始流光的存在。在电压达到24-39kV范围时可以得到稳定的流光，在39-41kV时为预击穿区，流光几乎已经在电极间导通，这个范围较窄，比较容易转化为火花，电压超过41kV时击穿。半径0.2mm放电尖端-板电极在不同间距下测得的正电晕模式阈值，与前次结果相比，具有更宽的流光区域。实验表明，在同样间隙下，放电极曲率半径不同，初始流光、辉光、流光和击穿等电压不同，曲率半径越小，初始流光电压和击穿电压越低，流光范围越宽。辉光转化为流光在一定电压范围内受到环境激发因素如光、热和尖端温度等的影响，实验测得的数据会有波动。2.1.3多尖锯齿电极电晕放电模式图4是多尖锯齿线－板电极的放电实验结果，齿尖平均曲率半径0.3mm。因每个放电点几何和空间上的差异，起始流光的出现总是在少数几个最容易放电的零星尖端最先出现。如在80mm间隙时，27kV电压下可观察到起始流光的出现。此时因电压接近起始流光的临界，微小扰动会引起流光忽隐忽现的不稳定性。随着电压的升高，流光点的数量不断增加，微弱的流光苗得到加强，分布渐趋均匀，同时流光的稳定性也在提高，在电参量上表现为电流的持续增加。在33kV时，几乎95％以上的放电点充满流光，在33-48kV内可保持稳定的全充满的流光（Fullstreamer），可以认为这个范围具有良好的流光时空分布，图4(a)。电压达到50kV时，可见部分流光可以贯穿整个通道，同时电场空间也处于极不稳定状态，随时都有放电点出现预击穿状态转化为击穿状态的现象，图4(b)。图4(c)是半径0.3mm锯齿线-板电极在不同间距下测得的正电晕模式阈值，与单点放电不同，多尖锯齿电极放电几乎观察不到明显纯辉光区的存在。图5显示常温常压干空气下，200mm板间距反应器上电流密度与电压的关系。图中V1由无电晕转变为起始流光；V1-V2由起始流光逐渐向全充满的流光转变；V2-V3为全充满流光；V3-V4为预击穿流光，很易转变为火花放电。22AC/DC流光放电的化学效应221AC/DC流光放电氧化NONO的氧化在图6所示的多尖锯齿线-筒型反应器上进行，AC/DC电源。实验条件为室温，DC基压22-26kV,AC3kV,入口NO浓度70-100ppm。结果如图7、图8，NO的去除量与功率密度的开方成正比，氧化每个NO分子能耗已降低到30eV。222AC/DC流光放电氧化亚硫酸铵图9是在图1所示反应器系统上用不同初始浓度的亚硫酸铵溶液，在温度20℃，注入功率密度1.6kW/m3条件下的实验结果。在摩尔量级的亚盐浓度范围内，1mol/L浓度的亚盐氧化速率为0.5mol/min，氧化率达60，比相同条件下空气接触法氧化高2个数量级。实验结果表明虽然较低的盐浓度(<1mol/L)有比较高的氧化率，但其摩尔能耗也较高。在1mol/L时可获得较低的50Wh/mol摩尔能耗(合分子能耗1.9eV/S(IV))，浓度继续提高，能耗基本保持在较低水平。实验在亚硫酸铵浓度3mol/L时，还可以获得有60的氧化速度。3结论(1)曲率半径大于1.5mm的放电点－板电极在间隙100mm以内几乎不能产生稳定的流光区域。(2)相同电极间隙下，曲率半径越小，初始流光电压和击穿电压越低，流光范围越宽。曲率半径小于0.3mm的放电点在间隙100mm以内有稳定的流光区域。(3)多尖锯齿线－板电极几乎观察不到明显的纯辉光区存在。在电场预击穿前有较宽的全充满流光（Fullstreamer）区域，可以认为这个范围具有良好的流光时空分布。(4)采用AC/DC电源流光放电等离子体有良好的化学效果，在脱硝实验上氧化每个NO分子能耗已降低到30eV。氧化亚硫酸铵的一次氧化率可达20-60，摩尔能耗低于50Wh/mol，在3mol/L浓度还可以获得有实用价值的反应速度；References[1]H.Raether.Thedevelopmentofelectronavalancheinasparkchannel(fromobservationsinacloudchamber),ZeitschriftfurPhysik112(1939)464.(Reproducedin:ElectricBreakdowningases,J.A.Rees,TheMacmillanPress,London,1973).[2]YuriP.Raizer.GasDischargePhysicss.Springer-VerlagBerlinHeidelberg.1991.ISBN3-540-19462-2[3]CRCHandbookofChemistryandPhysics,58thed.CRCPressInc.1977-1978[4]KimYongho,SanHeeHong,MinSukCha,Young-HoonSongandSeockJoonKimJ.Adv.Oxid.Technol.2003.6(1).17-22[5]YanK,HigashiD,KanazawaS,OhkuboT,NomotoY,ChangJ.S.,NOxRemovalFromAirStreamersbyaSuperimposedAC/DCEnergizedFlowStabilizedStreamerCorona.Trans.IEEofJapan,Vol.118-A,No.9,Sep.1998[6]KepingYan,etal,EvaluationofNOxremovalbycoronainducednon-thermalplasmas.Trans.IEEJapanVol.119-ANo.61999
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