一种低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置及取样方法
【专利摘要】本发明公开了一种低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置及取样方法，涉及汽车有害排放气体净化处理【技术领域】。本发明装置包括总进气管（1），支架A（5），等离子体发生器（6），进气管（7），颗粒物取样装置A（10），颗粒物取样装置B（14），排气管（17），支架B（18），总排气管（20），底座（21）。本发明结合颗粒物取样装置，可以通过开启阀门A（8）获得低温等离子体处理前颗粒物样品，通过开启阀门B（16）获得低温等离子体处理后颗粒物样品。可用于对低温等离子体作用前后的颗粒物样品进行测试分析，以得出低温等离子体对颗粒物的作用规律。本发明装置为揭示低温等离子体处理颗粒物的作用机理研究提供了便利条件。
【专利说明】一种低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置及取样方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柴油机有害排放气体净化处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]日前，中国许多地区出现了严重的的"雾霾"现象，给环境、人体健康和经济等方面 造成显著的负面影响。研究发现，可吸入颗粒物是导致"雾霾"产生的主要原因。因此，解 决"雾霾"污染的首要任务是有效控制可吸入颗粒物。研究表明，低温等离子体可以有效降 低颗粒物排放，并且不会引起二次污染。低温等离子体发生器主要由等离子体电源、高压电 极、介质层和低压电极组成。其中，高压电极接等离子体电源，低压电极接地，介质层置于两 电极之间，两电极间会形成均匀稳定的放电现象。
[0003] 低温等离子体技术在废气处理领域日益得到广泛研究，中国专利 CN201110057179. 0提供了一种低温等离子体协同两相催化装置及处理有害排放气体的方 法，适用于柴油机有害排放气体净化领域。其技术由进排气口，等离子体发生装置，氧化相 催化装置，还原相催化装置组成。其技术先将有害排放气体通过氧化相催化装置进行氧化 相催化，再将气体分流为三股或三股以上分别进入双介质阻挡放电低温等离子体发生器， 对气体进行低温等离子介质阻挡放电，最后通过还原相催化装置对气体进行还原相催化。 中国专利CN200410039002. 8提供了一种用于各种内燃机的低温等离子体节油尾气净化装 置。其装置由高频高压脉冲电源、等离子发生器、连接盘、输气管和喷嘴组成。内燃机装上 该装置，可促进快速完全燃烧，消除黑烟，节油率达8%-20%，减少一氧化碳、碳氢化合物和 氮氧化物排放总量50%以上。中国专利CN 200810235539提供一种蜂窝状介质阻挡放电 低温等离子体发生器装置，该装置结构包括壳体，复合高压电极、石英介质、蜂窝状排列的 低压电极和催化腔，以及壳体外侧的进气口，位于催化腔底部的排气口。该技术可以保证 低温等离子体发生器在柴油机排气台架试验研究工作中安全可靠运行，抗震性能较好，但 是气体组分在等离子体气相反应区内的滞留时间比较短，化学反应不是很充分。中国专利 CN200410065415. 3提供了一种用于尾气净化的整体式低温等离子体催化反应器，该装置包 括壳体、蜂窝载体催化剂、低温等离子体发生装置，其特征是蜂窝载体催化剂安装在壳体的 出气端中。该装置利用低温等离子体净化与催化剂净化之间的协同净化功能，利用低温等 离子体产生的高能活性物质提高催化剂的反应活性，降低催化剂的起燃温度，提高尾气净 化率。
[0004] 将低温等离子体发生装置应用于降低颗粒物排放已经成为柴油机后处理领域内 研究的热点，并取得了一定的成果。但是，人们对低温等离子体技术降低颗粒物的作用机理 研究还不够深入，对降低机理还不够明确。柴油机颗粒物组分较多且比较复杂，研究低温等 离子体对颗粒物不同组分的作用机理，将有助于揭示低温等离子体技术降低颗粒物排放的 作用机理。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置及取样方法，适用于全 流式柴油机台架试验，可以获得低温等离子体作用前后的颗粒物样品，具有颗粒物取样装 置简单，操作轻便，为揭示低温等离子体处理颗粒物的作用机理提供了有利条件。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：在等离子体发生器前，总进气管后安装了控制阀门 A以及可拆卸的颗粒物取样装置A ;在总排气管前安装了控制阀门B以及可拆卸的颗粒物取 样装置B。在放电区，采用三根或三根以上等离子体发生器并联工作的结构，用支架彼此隔 开一定的距离，防止发生器电极之间的互相影响，支架的材料为绝缘且耐高温的聚四氟乙 烯。该种结构在放电过程中会产生大量活性自由基团与柴油机有害排气进行化学反应，不 仅可以促进化学反应，还可以使通常条件下难以产生的化学反应得以迅速发生，增强了降 低柴油机有害排放的有效性。三根或三根以上等离子体发生器并联工作的结构适用于全流 式台架试验，可以根据不同型号的发动机进行调整，更具有实用意义。此外，这种结构提高 了排气组分在等离子体气相反应区内的滞留时间，能量利用率高，增强了有害气体组分的 转化效率。试验表明该装置可以有效提高柴油机颗粒排放转化效率达60%以上，且对应于 柴油机增加的燃油消耗率在5%以内。
[0007] 本发明低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置包括总进气管，支架A，颗粒物取 样装置A，等离子体发生器，颗粒物取样装置B，排气管，支架B，总排气管。等离子体发生器 由进气管、高压电极、堵头A、介质层、低压电极、排气管、堵头B组成。介质层为圆管形石英 玻璃管；圆管形石英玻璃管设于支架A和支架B上，石英玻璃管两头的管壁处分别设有进气 管和排气管。支架A、堵头A和底座的材料是聚四氟乙烯；高压电极为细铜棒、置于石英玻璃 管内，高压电极的两头分别从两个堵头中穿出。低压电极为康铜电极，低压电极为圆管状， 包裹于石英玻璃管的管壁外侧，通过引线接地。
[0008] 等离子体发生器为三根或三根以上，并且可以根据不同型号的发动机进行调整， 三根或三根以上等离子体发生器总进气管和总排气管在圆周上均匀排列。
[0009] 本发明处理柴油机有害排放气体的方法，首先将有害排放气体通过总排气管，再 将气体分流为三股或三股以上分别进入双介质阻挡放电低温等离子体发生器，对气体进行 低温等离子介质阻挡放电，最后通过总排气管。气体在进入双介质阻挡放电低温等离子体 发生器后，对气体流向强制改变，延长气体在双介质阻挡放电低温等离子体发生器的滞留 时间。此外，通过颗粒物取样装置A、颗粒物取样装置B，可以随时获得低温等离子体作用前 后的颗粒物样品，便于颗粒物的后期的分析处理。
[0010] 所述的一种新型低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其中颗粒物取样装置 附带阀门控制，操作简单，通过磨砂密封，装置易拆卸，方便可靠。该装置采用整体式结构， 保证了进入各个等离子体发生器气体的均匀性，工作可靠性好。总进气管、总排气管与排气 装置用硅胶管连接，这样在实际应用过程中，可以抵抗柴油机排气剧烈震动的影响，起到抗 震稳定工作的效果，保证工作的可靠性和准确性。
[0011] 本发明的有益效果是，装置由三根或三根以上等离子体发生器复合组成的一体式 成型结构，这种结构可以根据发动机不同排量进行控制，适于全流式处理多种型号的发动 机有害气体排放。颗粒取样装置，可以随时获得低温等离子体作用前后的颗粒物样品，便于 颗粒物的后期的分析处理。本发明适用于全流式台架试验，适合不同型号的柴油机，可以有 效延长气体组分在等离子体气相反应区内的滞留时间，保证等离子体活性基体与柴油机有 害排放组分充分进行化学反应；同时，结合颗粒物取样装置，可以随时获取低温等离子体作 用前后颗粒物样品，以分析低温等离子体作用颗粒物前后颗粒物的形貌、成分等变化提供 了有利条件，为揭示低温等离子体降低颗粒物的作用机理提供了有利条件。本发明结构紧 凑，适用性好。1)排气管与总排气管之间的夹角为30° < Θ <45°，排气管与总排气管之 间的夹角为30° < Θ <45°，角度过低，单个低温等离子体发生器之间会出现放电干扰现 象，影响其放电稳定性；角度过大，会导致气体所受阻力较大，并且使得装置的结构加大，经 济性下降。2)颗粒取样系统操作简便，拆卸方便，便于实时分析低温等离子体技术对颗粒物 影响的基础研究。3)进排气口位于同侧，呈一体式结构，该结构可以保障单个等离子体发生 器的放电稳定性和均匀性，以保证实验分析的一致性和准确性。4)总进气管与进气管的连 接位置到总进气管与颗粒物取样装置A连接位置之间的距离L，与总进气管的内径d之比的 范围为1 < L/d < 2,比值过大，虽然容易形成湍流涡团，收集到较多的颗粒物，但是气流在 进排气口内的内阻较大，限制了系统的处理量。比值过小，不容易形成涡流涡团，颗粒物被 气流吹出，不容易收集到颗粒物。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0013] 图1是本发明的结构示意图。
[0014] 图2是本发明单根等离子体发生器示意图。
[0015] 图3是本发明的去掉底座、支架后低温等离子体放电部分结构示意图。
[0016] 图4是本发明的低温等离子体放电部分结构示意图。
[0017] 图5是本发明的颗粒物取样装置。
[0018] 图6是本发明的颗粒物取样装置主要尺寸示意图。
[0019] 图7是本发明的颗粒物取样装置主要尺寸L/d等于1时，气体在取样装置内的流 场分布情况。
[0020] 图8是本发明的颗粒物取样装置主要尺寸L/d等于2时，气体在取样装置内的流 场分布情况。
[0021] 图中，1总进气管，2高电压极，3高电压极连接棒，4堵头A，5支架A，6等离子体发 生器，7进气管，8阀门A，9磨砂密封装置A，10颗粒物取样装置A，11低电压极，12低电压 极连接棒，13引线，14颗粒物取样装置B，15磨砂密封装置B，16阀门B，17排气管，18支架 B，19堵头，20总排气管，21底板。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进一步说明。
[0023] 本发明为处理柴油机有害排放的新型低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置。 试验时，先把三根或三根以上等离子体发生器的高压电极2和低压电极11通过连接棒锡焊 或者缠绕的方式分别并联起来，然后高压电极接变频变压等离子体电源，低压电极接地，以 产生等离子体。总排气管1、总排气管20与排气装置用硅胶管连接。柴油机排气先通入总 排气管1，旋转阀门A8,阀门A8开启，颗粒取样装置A10开始获取颗粒物样品，等待一定时 间颗粒取样装置A10获取所需颗粒物样品后，取下颗粒取样装置A10即可获得低温等离子 体作用前的颗粒物样品；气体分流为三股或三股以上分别进入双介质阻挡放电低温等离子 体发生器，对气体进行低温等离子介质阻挡放电，而后有害排放气体首先进入总排气管20， 通过旋转阀门B16,阀门B16开启，颗粒取样装置B14开始获取颗粒物样品，等待一定时间颗 粒取样装置B14获取所需颗粒物样品后，取下颗粒取样装置B14即可获得低温等离子体作 用后的颗粒物样品。
[0024] 从图6可以看出L/d等于1时，气体在取样装置内的流场分布整体较均匀，只在与 进气管7连接处存在较小湍流涡团。当L/d等于2时，气体在取样装置内的流场存在较大 较多的的湍流涡团。由此可以看出，L/d比值过小，不容易形成涡流涡团，颗粒物被气流吹 出，不容易收集到颗粒物。比值过大，虽然容易形成湍流涡团，收集到较多的颗粒物，但是气 流在进排气口内的内阻较大，限制了系统的处理量。
[0025] 所述低温等离子体发生器6、进气管7、排气管17、总进气管1和总排气管20为一 体式成型结构；颗粒物取样装置A10与总进气管1之间、颗粒物取样装置B14与总排气管20 为可拆卸装置。
[0026] 进气管7与总进气管1之间的夹角为30° < Θ <45°，排气管17与总排气管20 之间的夹角为30° < Θ <45° ;三根或三根以上等离子体发生器围绕总进气管1和总排 气管20在圆周上均匀排列。
[0027] 总进气管1与进气管7的连接位置到总进气管1与颗粒物取样装置A10连接位置 之间的距离L，与总进气管1的内径d之比的范围为1彡L/d彡2 ;总排气管20与排气管17 的连接位置到总排气管20与颗粒物取样装置B14连接位置之间的距离L，与总排气管20的 内径d之比的范围为1彡L/d彡2。
【权利要求】
1. 一种低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，包括总进气管（1 )，支 架A (5)，三根或三根以上低温等离子体发生器（6)，进气管（7)，颗粒物取样装置A (10)，颗 粒物取样装置B (14)，排气管（17)，支架B (18)，总排气管（20)，底座（21);所述总进气管 (1)和总排气管（20)为圆管状，且轴线位于同一直线上；所述总进气管（1) 一端为进气口， 另一端设有颗粒物取样装置A (10);所述总排气管（20)-端为排气口，另一端设有低温等 离子体发生器（6)，进气管（7)，颗粒物取样装置A (10);三根或三根以上等离子体发生器围 绕总进气管（1)和总排气管（20)在圆周上均匀排列；所述等离子体发生器由高压电极（2)、 堵头A (4)、介质层（6)、低压电极（11)和堵头B (19)组成，所述介质层（6)为圆管形石英 玻璃管，石英玻璃管两头的管壁处分别设有进气管（7)和排气管（17)，所述进气管（7)与总 进气管（1)的侧壁连接，所述排气管（17)与总排气管（20)的侧壁连接；所述高压电极（2) 为细铜棒、置于石英玻璃管内，所述高压电极（2)的两头分别从两个堵头中穿出；所述低压 电极（11)为康铜电极，所述低压电极（11)为圆管状，包裹于石英玻璃管的管壁外侧；所述 圆管形石英玻璃管设于支架A (5)和支架B (18)上；支架A (5)和支架B (18)固定在底 座（21)上；所述支架A (5)、支架B (18)、底座、堵头A (4)和堵头B (19)的材料是聚四氟 乙烯；所述三根或三根以上低温等离子体发生器（6)的高电压极（2)通过连接棒（3)锡焊 或缠绕方式连接，低压电极（11)通过连接棒（12)采用锡焊或缠绕方式连接，通过引线（13) 接地。
2. 根据权利要求1所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，所 述低温等离子体发生器（6)、进气管（7)、排气管（17)、总进气管（1)和总排气管（20)为一体 式成型结构；颗粒物取样装置A (10)与总进气管（1)之间、颗粒物取样装置B (14)与总排 气管（20)为可拆卸装置。
3. 根据权利要求1或2所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于， 所述进气管（7)与总进气管（1)之间的夹角为30° < Θ <45°，排气管（17)与总排气管 (20)之间的夹角为30° < Θ <45°。
4. 根据权利要求3所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，在 所述总进气管（1)与颗粒物取样装置A (10)连接的一端设有阀门A (8)，开启阀门A (8)， 气体流入颗粒取样装置A (10)，颗粒取样装置A (10)获取颗粒物样品；在所述总排气管 (20)与颗粒物取样装置B (14)连接的一端设有阀门B (16)，开启阀门B (16)，气体流入颗 粒物取样装置B (14)，颗粒物取样装置B (14)获取颗粒物样品。
5. 根据权利要求3所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，所 述总进气管（1)与进气管（7)的连接位置到总进气管（1)与颗粒物取样装置A (10)连接位 置之间的距离L，与总进气管（1)的内径d之比的范围为1彡L/d彡2。
6. 根据权利要求3所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，所 述总排气管（20)与排气管（17)的连接位置到总排气管（20)与颗粒物取样装置B (14)连 接位置之间的距离L，与总排气管（20)的内径d之比的范围为1彡L/d彡2。
7. 根据权利要求3所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置，其特征在于，所 述颗粒物取样装置A (10)和颗粒物取样装置B (14)分别与总进气管（1)和总排气管（20) 通过磨砂密封装置（9)和磨砂密封装置（15)连接；所述磨砂密封装置（9)和磨砂密封装置 (15)通过磨砂辅助密封垫进行密封连接，或者通过铰链方式进行密封连接。
8. -种利用权利要求4所述的低温等离子体发生器协同颗粒物取样装置的颗粒物取 样方法，其特征在于，随时获取低温等离子体作用前、以及低温等离子体作用后的颗粒物样 品，具体步骤为： 有害排放气体首先进入总进气管（1)，旋转阀门A (8)，阀门A (8)开启，颗粒取样装置 A (10)开始获取颗粒物样品，等待一定时间颗粒取样装置A (10)获取所需颗粒物样品后， 取下颗粒取样装置A (10)即可获得低温等离子体作用前的颗粒物样品； 有害排放气体首先进入总排气管（20)，通过旋转阀门B (16)，阀门B (16)开启，颗粒 取样装置B (14)开始获取颗粒物样品，等待一定时间颗粒取样装置B (14)获取所需颗粒 物样品后，取下颗粒取样装置B (14)即可获得低温等离子体作用后的颗粒物样品。
【文档编号】G01N1/22GK104062154SQ201410276919
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】王攀, 谷文业, 雷利利, 周俊, 蔡忆昔 申请人:江苏大学