一种等离子体化学转化装置

本发明属于等离子体生成，更具体地，涉及一种等离子体化学转化装置。

背景技术：

1、低温等离子体是一种具有高度物理和化学活性的物质，可以通过气体放电产生。因为自由电子从电场中获得足够的能量之后，跟气体中的原子或分子碰撞，使其激发或电离，由此产生的激发态分子、离子、自由基都具有较高的化学活性，可发生在一般条件下无法进行的化学反应。近些年利用等离子体的高化学活性进行物质转化的研究越来越多，包括汽车尾气处理、高分子催化裂解、臭氧生成、空气中单质氮的固定等。等离子体化学转化的关键步骤为使反应物中的分子键断裂，等离子体中的活性物质撞击反应物分子使其化学键断裂，低能量的活性物质通过多次碰撞使分子逐能级激发直至化学键断裂乃至电离，高能量的活性物质能直接通过碰撞使反应物分子化学键断裂得到自由基或原子。

2、现有的等离子体化学转化的装置，均为将反应气体混合后一同通入反应腔内进行放电，放电的阴极区域与阳极区域的气体组份一致。而研究表明放电产生等离子体后，阴极区域电场强度较高，电压降落较大，且阴极区域正离子浓度显著高于其它区域，因为正离子具有较高的能量，与分子碰撞后更容易使化学键断裂成原子和自由基。此外部分气体在化学转化中虽然能加速分子键的断裂，但又会促进反应中的v-t弛豫，使等离子体中的能量从振动激发能转化为热能的损耗提高。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等离子体化学转化装置，其目的在于，解决现有等离子体化学转化技术仅仅给全区域的等离子体提供完全相同组份的放电气体，导致了等离子体中部分高能量粒子的活性浪费以及部分等离子体区域的热损耗增加的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等离子体化学转化装置，包括：

3、放电腔体，设有第一进气口、第二进气口和出气口；

4、导气组件，与所述第一进气口和第二进气口对应设置，用于经所述第一进气口向所述放电腔体的指定区域导入第一气体，还用于经所述第二进气口向所述放电腔体的指定区域导入第二气体；

5、电源组件，用于提供放电电压；

6、第一电极，其第一端与所述电源组件的正极连接，其第二端延伸至所述放电腔体内；

7、第二电极，其第一端与所述电源组件的负极连接，其第二端延伸至所述放电腔体内；所述第二电极的第二端与所述第一电极的第二端在所述指定区域相对设置；在所述放电电压的作用下所述第一电极的第二端和所述第二电极的第二端放电使得所述指定区域内的所述第一气体和所述第二气体反应生成等离子体，且反应后的气体从所述出气口流出。

8、进一步地，

9、所述放电腔体为变径柱，其设有所述第一进气口的截面为第一面积，其设有所述第二进气口的截面为第二面积；所述第一面积大于所述第二面积；

10、所述导气组件经所述第一进气口将所述第一气体导入至所述指定区域，所述导气组件为管形，其截面与所述第二面积相当；所述第二气体经所述第二进气口和第二面积对应管道导入至所述指定区域。

11、进一步地，

12、所述第一电极放置在所述导气组件内部；

13、所述第二电极从所述第二进气口贯穿进入所述放电腔体内部；

14、所述第一电极的第二端到所述导气组件靠近所述指定区域一侧的端面的距离，与所述第二电极的第二端到所述第二面积对应管道靠近所述指定区域一侧的端面的距离相等。

15、进一步地，

16、所述第一进气口设置于所述放电腔体的一端，所述第二进气口设置于所述放电腔体的另一端；

17、所述导气组件包括第一管道和第二管道；

18、所述第一管道用于经所述第一进气口进入所述放电腔体，以将所述第一气体导入到所述指定区域；

19、所述第二管道用于经所述第二进气口进入所述放电腔体，以将所述第二气体导入到所述指定区域。

20、进一步地，

21、所述第一电极放置在所述第一管道内；

22、所述第二电极放置在所述第二管道内；

23、所述第一电极到所述第一管道靠近所述指定区域一侧的端面的距离，与所述第二电极到所述第二管道靠近所述指定区域一侧的端面的距离相等。

24、进一步地，所述放电腔体还设有第三进气口，用于向所述指定区域导入第三气体用于促进所述第一气体和所述第二气体发生反应。

25、进一步地，还包括设置在所述放电腔体外部的：

26、第一驳接组件，用于在所述第一电极的第一端与所述电源组件的正极之间进行接驳，以使二者连接；

27、第二驳接组件，用于在所述第二电极的第一端与所述电源组件的负极之间进行接驳，以使二者连接。

28、进一步地，

29、所述第一进气口和所述第二进气口设置在所述放电腔体的同一侧；

30、所述导气组件为隔离片，设置在所述放电腔体的内部将所述第一进气口导入的第一气体和所述第二进气口导入的第二气体分隔开，以使所述第一气体和所述第二气体在进入所述指定区域之前位于不同的区域。

31、进一步地，还包括n-2个进气口，n为大于2的整数，所述导气组件包括n-1个隔离片，每两个进气口之前设置一个所述隔离片，以使进入的气体在到达所述指定区域之前位于不同的区域。

32、进一步地，所述第一电极和所述第二电极均为中间设有中空管道的和上下排水口的水冷结构，所述中空管道通入水冷液对电极本体进行冷却再经由上下排水口流出。

33、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

34、(1)本发明提供一种等离子体化学转化装置，利用导气组件经第一进气口、第二进气口向放电腔体的指定区域导入第一气体和第二气体；第二电极的第二端与第一电极的第二端在指定区域相对设置；在放电电压的作用下第一电极的第二端和第二电极的第二端放电使得指定区域内的第一气体和第二气体反应生成等离子体，且反应后的气体从出气口流出。本发明能精准将反应促进性气体投放到放电通道中指定位置，通过在第一气体和第二气体在进入指定区域之前位于不同的区域，能有效加速分子键断裂，同时避免在所有等离子体区域加剧v-t弛豫，有降低等离子体化学转化装置中的热损耗，尽可能利用等离子体的活性来降低等离子体化学转化的热损耗，实现等离子体化学转化效率的提高。

35、(2)本方案中放电腔体为变径柱，导气组件经第一进气口将第一气体导入至指定区域，导气组件为管形，其截面与第二面积相当；第二气体经第二进气口和第二面积对应管道导入至指定区域。变径柱的一个端口复用为进气口，简化整个等离子体化学转化装置结构，提升结构稳定性。

36、(3)本方案中第一电极的第二端到导气组件靠近指定区域一侧的端面的距离，与第二电极的第二端到第二面积对应管道靠近指定区域一侧的端面的距离相等，该方式可以使得两种气体相同时间到达指定区域，提升化学反应效果。

37、(4)本方案中导气组件包括第一管道和第二管道；第一管道用于经第一进气口进入放电腔体，以将第一气体导入到指定区域；第二管道用于经第二进气口进入放电腔体，以将第二气体导入到指定区域；该方式提供了可行导气组件的结构，可以使两种气体经不同路径导入到指定区域。

38、(5)本方案中第一电极到第一管道靠近指定区域一侧的端面的距离，与第二电极到第二管道靠近指定区域一侧的端面的距离相等，该方式可以使得两种气体相同时间到达指定区域，提升化学反应效果。

39、(6)本方案中放电腔体还设有第三进气口，用于向指定区域导入第三气体，如h2o，用于促进第一气体和第二气体发生反应。由于存在不同气体类型放电的等离子体交界面，是发生化学反应的主要区域，在该交界面处投放催化剂等能得到更高的转化率。除此之外，可以通过在该交界面处投放成本较高的反应气体而不是全区域投放，有利于降低化学转化的成本。

40、(7)本方案中等离子体化学转化装置还包括设置在放电腔体外部的：第一驳接组件和第二驳接组件，利用接驳组件连接电源组件和电极，该方式实现了导气组件与电源组件和电极的多端口连接。

41、(8)本方案中第一进气口和第二进气口设置在放电腔体的同一侧；导气组件为隔离片，该方式可以对等离子体放电通道的不同区域单独调控气体组份，调控灵活性大大增强。

42、(9)本方案中还包括n-2个进气口，n为大于2的整数，导气组件包括n-1个隔离片，每两个进气口之前设置一个隔离片，以使进入的气体在到达指定区域之前位于不同的区域。该方式可以针对放电中发生反应的类型调整通入不同区域的气体组份，有效提高了等离子体中高能活性粒子的利用率，进而提高化学转化效率。

43、(10)本方案中第一电极和第二电极均为中间设有中空管道的和上下排水口的水冷结构。当电极附近的工作气体为高氧化性气体时，金属电极会在高氧化性中发生燃烧反应，本发明为电极增加了内部的水冷结构，有效抑制了电极在高氧化性气体环境中的燃烧反应。