氣體的實驗系統(tǒng)及實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓絕緣技術(shù)和環(huán)境保護領(lǐng)域，具體涉及一種用于研究介質(zhì)阻擋放 電高效處理六氟化硫氣體(SF6)的實驗系統(tǒng)及實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 六氟化硫(SF6)具有良好的電氣性能和優(yōu)異的滅弧性能，作為絕緣介質(zhì)材料被廣 泛應(yīng)用于各種高壓電氣設(shè)備中。此外，由于sf 6是一種無色、無味、無毒、不可燃且無腐蝕性 的惰性氣體，它還被廣泛應(yīng)用于金屬冶煉、航空航天、醫(yī)療、化工、大氣示蹤和電子制造等行 業(yè)。這些行業(yè)中產(chǎn)生的sf 6如果不經(jīng)過處理而直接排放到大氣中，將會對環(huán)境產(chǎn)生很大的影 響。研究表明SF6的溫室效應(yīng)潛在值GWP(Global Warming Potential)是C〇2的23900倍，而且 SF6在大氣中的處理速度非常緩慢，大約需要3200年，所以在1997年簽訂的《京都議定書》中 已將SF 6氣體列為六種限制性使用的溫室氣體之一。
[0003] 目前，處理SF6方法的研究主要集中于熱解法、熱催化劑法和等離子體法等。其中 熱解法使SF6與CaC0 3在1100 °C以上進行反應(yīng)，反應(yīng)過程中必須保證足夠多的CaC03來與反應(yīng) 生成的H2S和HF反應(yīng)，但是在處理過程中溫度高，耗能大，經(jīng)濟成本較高;熱催化劑法在處理 過程中使用的催化劑可促進SF 6的分解，同時也降低反應(yīng)溫度，但反應(yīng)溫度仍高達數(shù)百度， 而且所添加的催化劑易中毒失去活性，從而降低了 SF6的分解效率;而等離子體法作為一種 新的處理環(huán)境污染的方法有很多優(yōu)點，它能在低溫條件下利用氣體放電產(chǎn)生的高能電子、 自由基等活性粒子和SF6作用，使SF6分子在極短的時間內(nèi)發(fā)生分解，生成氟原子和一系列的 低氟硫化物如3? 5、3?4、3?3、3?2等，生成的低氟硫化物與02、112〇和一些還原性氣體產(chǎn)生的自 由基等發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而生成如S0F 2、S0F4、S02F2以及S02等產(chǎn)物從而加快SF 6氣 體的分解。
[0004] 介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD)由于可以在較寬氣壓(0.01 ~IMPa)和頻率(50Hz~1MHz)范圍內(nèi)產(chǎn)生大體積、高能量密度的低溫等離子體，而且放電均 勻、穩(wěn)定，產(chǎn)生的電子能量較高；能耗低；電極結(jié)構(gòu)簡單，放電電極之間存在絕緣介質(zhì)，避免 放電氣體金屬電極直接接觸而損壞電極，因此它在氣態(tài)污染治理方面具有良好的應(yīng)用前 景，但如何進一步提高能量利用率和阻止有毒副產(chǎn)物的生成是目前DBD處理SF 6領(lǐng)域亟待解 決的問題。
[0005] 國內(nèi)公開了一種分解六氟化硫氣體方法，該方法只公開了采用雙介質(zhì)阻擋放電技 術(shù)來分解處理SF6氣體，但是該方法處理SF 6的效率和效果還有很大的改善空間，且并沒有解 決DBD處理SF6容易產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物的問題。本發(fā)明結(jié)合該方法設(shè)計了 DBD處理SF6氣體的實 驗平臺，進一步研究DBD處理SF6氣體的過程，在處理過程中采用Lissajous圖形法和發(fā)射光 譜法來測量氣體放電參數(shù)，為研究SF 6氣體的分解機理提供更多的信息，為工業(yè)處理SF6廢氣 提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對目前對多因素影響DBD處理SF6的研究不夠深入，不足以應(yīng)用 于工業(yè)實際等問題，提供一種用于研究介質(zhì)阻擋放電處理SF6的實驗平臺和方法，最終為工 業(yè)高效無害化處理SF6廢氣提供可靠的實驗基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，從而減小SF 6氣體對環(huán)境造成 的危害。
[0007] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，提供一種用于研究介質(zhì)阻擋放電 處理SF6氣體的實驗系統(tǒng)，包括配氣系統(tǒng)、SF 6氣體處理系統(tǒng)、參數(shù)檢測系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。 所述配氣系統(tǒng)包括配氣儀、氣體減壓閥I、氣體減壓閥II、SF 6氣體瓶、背景氣體瓶以及鼓泡 器。所述SF6氣體處理系統(tǒng)包括介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、調(diào)壓器和等離子體電源。所述參數(shù)檢 測系統(tǒng)包括高壓探頭、采樣電阻、采樣電容、同軸電纜、單刀雙擲開關(guān)、示波器、準(zhǔn)直鏡、光 纖、光纖光譜儀、計算機和氣相色譜儀。所述尾氣處理系統(tǒng)包括數(shù)顯壓力真空表、真空栗和 堿水吸收池。
[0008] 所述配氣儀的進氣口 1通過氣體軟管與SF6氣體瓶出氣口導(dǎo)通，所述SF6氣體瓶的出 氣口上連接氣體減壓閥I。所述氣體減壓閥I為一種控制氣體瓶出氣壓力減壓的閥門，調(diào)節(jié) 控制一定壓力的氣體通過氣體軟管輸入到配氣儀中。所述配氣儀的進氣口 2通過氣體軟管 與背景氣體瓶出氣口導(dǎo)通，所述背景氣體瓶出氣口上連接氣體減壓閥II。所述配氣儀的出 氣口通過氣體軟管連接至鼓泡器液體內(nèi)，所述鼓泡器出口處通過氣體軟管與球形閥I的進 氣口導(dǎo)通。所需的氣體的濃度及氣體流量都是由所述配氣儀的來調(diào)節(jié)。
[0009] 所述SF6氣體處理系統(tǒng)中調(diào)壓器的電源輸出端通過導(dǎo)線與等離子體電源的電源輸 入端連接，所述等離子體電源的電源輸出端通過導(dǎo)線與介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的內(nèi)電極接線 柱連接。所述介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為同軸圓柱式反應(yīng)器，進氣口通過氣體軟管與球形閥I的 出氣口導(dǎo)通，出氣口通過氣體軟管與球形閥II的進氣口導(dǎo)通。
[0010] 所述球形閥II的出氣口通過氣體軟管與三通I的A氣口導(dǎo)通，所述三通I的B氣口通 過氣體軟管與三通II的A氣口導(dǎo)通。所述三通II的B氣口通過氣體軟管與手動閥門III的進 氣口導(dǎo)通，所述手動閥門III的出氣口通過氣體軟管連通至堿水吸收池內(nèi)。所述三通II的C 氣口通過氣體軟管與手動閥門II的進氣口導(dǎo)通，所述手動閥門II出氣口通過氣體軟管與三 通III的A氣口連通。所述三通III的B氣口通過氣體軟管與所述真空栗進氣口導(dǎo)通，C氣口通 過氣體軟管與所述數(shù)顯壓力真空表的氣口導(dǎo)通。
[0011] 所述三通I的C氣口通過氣體軟管與手動閥門I的進氣口導(dǎo)通，所述手動閥門I的出 氣口通過氣體軟管與所述氣相色譜儀的氣口導(dǎo)通。
[0012] 所述介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的外電極與帶有BNC接頭的單刀雙擲開關(guān)連接;所述單 刀雙擲開關(guān)撥至A端時，與所述采樣電阻連接后接地;撥至B端時，與所述采樣電容連接后接 地;單刀雙擲開關(guān)通過同軸電纜I與所述示波器的信號輸入端A連接;所述示波器的信號輸 入端B通過同軸電纜II與所述高壓探頭的輸出端連接，所述高壓探頭的輸入端通過導(dǎo)線與 所述等離子體電源的電源輸出端連接；
[0013]所述準(zhǔn)直鏡平行于所述介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的長軸放置在中部位置，準(zhǔn)直鏡的另 一側(cè)與帶有SMA905接頭的光纖連接，準(zhǔn)直鏡用來收集等離子體發(fā)射的光，并將光匯聚到光 纖中。所述光纖的另一端通過SMA905接頭連接至所述光纖光譜儀的輸入端，光纖將準(zhǔn)直鏡 匯聚的光傳輸?shù)焦饫w光譜儀中進行處理。所述光纖光譜儀的數(shù)據(jù)輸出端通過配套數(shù)據(jù)線與 所述計算機的數(shù)據(jù)輸入端連接，經(jīng)光纖光譜儀處理后的光譜圖在計算機分析并顯示。
[0014]所述氣體瓶為裝有待處理的SF6的氣體瓶、背景氣體瓶(背景氣體一般為He、Ar、N2、 空氣等)和外加氣體瓶(包括〇2、出等）。
[0015]所述配氣儀主要是將SF6氣體與背景氣體和其他外加氣體按照實驗所需的比例 (最大比例為300:1)進行配氣，然后將配好的混合氣體通入到介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器內(nèi)，若研 究水分對SF6氣體處理的影響，可以將混合氣體經(jīng)過鼓泡器攜帶水氣進入到介質(zhì)阻擋放電 反應(yīng)器內(nèi)。反應(yīng)所需的氣體的濃度及氣體流量都是由配氣儀來調(diào)節(jié)，且儀器上有流量計用 來顯示混合氣體的濃度比例和流量。
[0016] 所述鼓泡器可以將配氣儀配好的氣體進行洗氣，并攜帶水氣進入反應(yīng)器，用于探 究水氣的攜帶對SF6氣體處理的影響。
[0017] 所述調(diào)壓器為單相調(diào)壓器，主要是為等離子體電源調(diào)制出一定電壓，調(diào)節(jié)范圍是0 ~250V〇
[0018] 所述等離子體電源的輸入為調(diào)壓器輸出的電壓，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸入和等離子 體電源的頻率調(diào)節(jié)旋鈕可以改變等離子體電源的輸出電壓和頻率，所述等離子體電源的輸 出電壓范圍為〇~30kV，頻率為50Hz~20kHz。調(diào)壓器與等離子體電源一起構(gòu)成介質(zhì)阻擋放 電反應(yīng)器的供電系統(tǒng)，為反應(yīng)器提供實驗所要求的交流電壓。
[0019] 所述高壓探頭主要是用來采集等離子體電源施加在介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器上的電 壓信號并將其按照1〇〇〇:1的比例衰減，通過同軸電纜將衰減后的電壓信號輸入到示波器 中。
[0020] 所述采樣電阻是一個阻值為50歐姆的電阻，該電阻一端接地，另一端與介質(zhì)阻擋 放電反應(yīng)器的低壓端連接時，通過采集該電阻兩端的電壓信號來獲取反應(yīng)器內(nèi)氣體放電電 流信號，并通過同軸電纜輸入到示波器中。
[0021] 所述采樣電容是一個電容值為0.47yF的電容，該電容一端接地，另一端與介質(zhì)阻 擋放電反應(yīng)器的低壓端連接時，通過采集該電容兩端的電壓信號來獲取一個周期內(nèi)反應(yīng)器 內(nèi)氣體放電過程中轉(zhuǎn)移的電荷量(Q = CmUm，Cm為采樣電容值，Um為采樣電容兩端的電壓），并 通過同軸電纜輸入到示波器中。
[0022] 所述同軸電纜主要是用來將檢測到的電壓信號傳輸?shù)绞静ㄆ髦羞M行分析。
[0023]所述單刀雙擲開關(guān)通過撥動開關(guān)至A或B端將采樣電阻或者采樣電容接入電路中。
[0024] 所述示波器主要是用來將同軸電纜采集的信號進行分析，可以同時測量等離子體 電源施加在反應(yīng)器上的電壓和采樣電阻或采樣電容上的電壓，并顯示氣體放電電壓和電流 波形，及其對應(yīng)幅值和放電頻率;將電源施加的電壓信號和采樣電容兩端的電壓信號分別 加載到示波器的兩個通道即可以測量放電Q-U Lissajous圖形，從而計算出放電功率。
[0025] 所述準(zhǔn)直鏡主要是用來收集等離子體發(fā)射的光，并將光匯聚到光纖中，準(zhǔn)直鏡直 徑為5~40mm。
[0026] 所述光纖主要是用來將準(zhǔn)直鏡匯聚的光傳輸?shù)焦饫w光譜儀中進行處理。
[0027]所述光纖光譜儀主要是用來處理光纖傳輸進來的光，經(jīng)過處理后傳輸?shù)接嬎銠C進 行分析，獲取等離子體發(fā)射光譜的相對強度及波長。等離子體中不同激發(fā)態(tài)的粒子發(fā)射不 同的光譜，可以通過對應(yīng)的光譜了解處理過程等離子體中粒子的種類及狀態(tài)。
[0028]所述計算機主要是用來分析并顯示經(jīng)光纖光譜儀處理后的光譜圖。
[0029]所述氣相色譜儀主要是用來檢測反應(yīng)器中處理前后的SF6氣體濃度，以及SF6的分 解產(chǎn)物種類及其濃度。
[0030] 所述真空栗主要用來在通入一定濃度氣體前將反應(yīng)器內(nèi)抽成真空，防止其他雜質(zhì) 氣體的干擾。
[0031] 所述數(shù)顯壓力真空表主要用來顯示在抽真空的過程中介質(zhì)阻擋反應(yīng)器內(nèi)的壓強。
[0032] 所述堿水吸收池是用來吸收反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物，以免有毒產(chǎn)物排到空氣中。 [0033] 進一步，所述介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為同軸圓柱式反應(yīng)器，SF6氣體的處理過程在其 內(nèi)部完成。所述介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的中心為一根直徑為5~28_、長度為150~200mm的金 屬內(nèi)電極(銅棒、錯棒、不銹鋼管等），所述內(nèi)電極被一層厚1~2.5mm、長260~300mm的內(nèi)層 電介質(zhì)管(石英、陶瓷、有機玻璃等)緊貼包圍。所述內(nèi)層電介質(zhì)管氣隙距離為2~6mm處有一 層透明外層電介質(zhì)（一般為石英玻璃），所述內(nèi)層電介質(zhì)管與外層電介質(zhì)之間的形成反應(yīng) 管。外電極緊繞在外層電介質(zhì)上的金屬網(wǎng)或金屬條或開有透光孔的金屬管，長度與內(nèi)電極 相等。反應(yīng)管兩端用密封堵頭密封，其中一端的密封堵頭中對應(yīng)內(nèi)電極的位置為可活動的 塞柱，所述塞柱的中間為內(nèi)電極接線柱。所述內(nèi)電極接線柱是一根金屬條一端內(nèi)嵌在內(nèi)電 極中，另一端露出在塞柱的外部。在所述兩個密封堵頭上均環(huán)繞分布著四個氣嘴，氣嘴與所 述反應(yīng)管導(dǎo)通，其中一端的氣嘴作為進氣嘴，另一端的氣嘴作為出氣嘴，氣嘴使進氣和出氣 均勻。
[0034]所述四個進氣嘴每兩個通過氣體軟管分別與三通A和B的兩個通氣口導(dǎo)通，將4路 通道形成兩路通道后，再通過氣體軟管將三通A和B的第三個通氣口分別與三通C的兩個通 氣口導(dǎo)通，將兩路通道形成一個通道，最后通過氣體軟管將三通C的第三個通氣口與所述介 質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的進氣口導(dǎo)通。所述四個出氣嘴中每兩個通過氣體軟管分別與三通D和E 的兩個通氣口導(dǎo)通，將4路通道形成兩