脉冲火花放电等离子体能源转化的现状和挑战

“3060双碳”目标约束下,预计2050年中国以风能、水电、太阳能为主要能源的可再生电力占比将超过60%,直接利用可再生电力制备化学品将成为重要发展趋势。基于可再生电力驱动等离子体技术的能源转化是最具可能性的潜在途径之一,多种气体放电形式的低温等离子体能源转化技术颇受关注。概述了脉冲火花放电等离子体在固氮、CO_(2)转化、CH_(4)裂解、高碳烃裂解等多种能源转化反应中的应用进展和技术难题,探讨了快脉冲放电中引导气体击穿机制、气体快速加热机制、通道膨胀效应、链式自由基化学反应等物理化学过程,并提出了利用等离子体诊断手段(条纹相机、场致激光二次谐波,激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射等)和耦合模拟仿真方法(PIC-MCC、流体、反应动力学模型)揭示高能电子、发光图像、空间电场、关键自由基和振动态的演化过程。

等离子体改性提高染污硅橡胶绝缘沿面性能

表面积污后电荷消散速率减慢与憎水性丧失是降低硅橡胶(SIR)复合绝缘子沿面绝缘性能的重要因素。文中采用常压脉冲滑动弧等离子体发生装置,对人工涂污高温硫化(HTV)硅橡胶进行不同时间(0~3 min)的表面改性。利用表面电位测量系统和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)研究等离子体处理对染污硅橡胶试样表面电荷运动特性、憎水性及化学成分的影响,测试处理前后染污试样的表面介电性能。研究结果表明:不同时间下的等离子体处理均可加快试样表面电荷消散速率,处理过程中引入大量浅陷阱,陷阱能级深度和陷阱电荷密度均下降,减弱了试样表面捕获电子的能力,抑制电荷积聚;试样体积电阻率几乎不受等离子体处理影响,但表面电阻率的减小使电荷更易沿试样表面运动消散;等离子体处理后,试样干燥和湿润条件下的沿面耐压均获得提升。等离子体处理使试样在短时间内恢复憎水性,处理时间越长,憎水性改善越明显;等离子体处理后更多的硅氧烷小分子迁移至污层表面使憎水性提高。

脉冲等离子体驱动CO_(2)加氢制备CH_(3)OH电学参数调控对转化特性的影响

化石燃料的大量燃烧带来的CO_(2)排放导致的极端环境问题日益严重,因此,开发温和、原位的CO_(2)转化技术路线有助于实现我国“双碳”目标。为此在无催化剂条件下利用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体驱动CO_(2)加氢制备CH_(3)OH,主要研究了脉冲参数,即脉宽、电压幅值、脉冲上下沿对反应体系中电学特性和转化特性的影响,并讨论了其反应机理。实验结果表明,反应物转化率和产物分布与电场变化密切相关。在缺省参数设置下,随着脉宽的增大,反应物转化率不断升高,在脉宽为2500 ns时CO_(2)、H_(2)转化率分别达到最大值6.8%、3.1%;此外,脉冲上下沿的减小有利于液体产物的生成,当脉冲上升沿从500 ns减小至100 ns,总液体选择性达到最大值38.4%;当脉冲下降沿从500 ns减小至100 ns,CH_(3)OH选择性达到最大值31.8%。该研究结果为等离子体驱动CO_(2)加氢制备CH_(3)OH的转化效果优化提供了研究借鉴。

脉冲介质阻挡放电等离子体甲基萘加氢转化

随着全球石油资源重质化程度不断加深,常规石油加氢工艺正面临愈发严重的挑战。低温等离子体技术为缓解加氢工艺中高温、高压、催化剂失活等难题提供了新思路。选择1-甲基萘作为重质油模型化合物,在无催化剂的温和条件下研究脉冲介质阻挡放电等离子体加氢的转化规律和反应机理。结果表明:甲基萘在氢气等离子体中容易发生饱和加氢反应,而在甲烷等离子体中则更易发生不饱和加氢反应;增大脉冲电压与脉冲重复频率有利于等离子体甲基萘加氢,但过高会导致加氢反应向裂解反应转变。获得了等离子体甲基萘加氢反应的发射光谱和Hα谱线演化过程,估算气体温度约为350 K,结合密度泛函计算结果推测等离子体甲基萘加氢是H自由基引发的芳香环逐步加氢反应。研究结果为后续等离子体加氢研究提供了参考。

高压放电等离子体研究现状及发展趋势

文中概述了2022年全国高电压与放电等离子体学术会议。根据会议的学术报告,并结合近年来高压放电等离子体领域的研究热点,从特性机理研究和应用研究两方面总结和分析了高压放电等离子体的研究现状和发展趋势。其中,特性机理研究主要围绕等离子体激励源及其特性研究、等离子体诊断和等离子体数值仿真等3个方面进行展开,应用研究则主要集中在材料改性、能源转化、环境治理、生物医学和航空航天等领域。从会议相关内容来看,国内对于高压放电等离子体的研究业已取得了良好进展,特性机理研究和应用研究间彼此相互渗透、共同发展。在未来的研究中,需重点突破时空多尺度问题、等离子体剂量特性、等离子体参数精细化调控技术和面向不同工质的均匀稳定放电产生技术等共性科学问题;同时针对高压放电等离子体共性关键科学问题和特定领域应用研究开展重点攻关,建立面向实际应用的等离子体工艺技术。伴随着高压放电等离子体技术与其他研究领域间的联系日趋紧密,相信未来将有更高水平的优秀科研成果不断涌现。

射频等离子体辅助制备S_(2)O_(8)^(2-)/CeO_(2)固体超强酸催化剂的研究

以商用CeO_(2)为载体,采用过量浸渍法浸渍(NH_(4))_(2)S_(2)O_(8)溶液,用射频等离子体以辉光放电形式辅助制备了S_(2)O_(8)^(2-)/CeO_(2)-RF固体超强酸催化剂。利用XRD、SEM、BET、FT-IR、Py-IR等对催化剂的孔结构、键结合方式、微观形貌、酸量及酸性质等进行了表征。通过色氨酸与甲醇的酯化反应评价了S_(2)O_(8)^(2-)/CeO_(2)-RF固体超强酸催化剂的活性。结果表明,与传统600℃焙烧法相比,射频辉光放电等离子体辅助制备的催化剂比表面积大、颗粒分散、酸量高、反应速率快。在反应温度为150℃、反应压力为1 MPa的条件下,S_(2)O_(8)^(2-)/CeO_(2)-RF催化剂上色氨酸甲酯的产率为82%,并且在1.5 h后反应趋近平衡。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体驱动CH_(4)-CH_(3)OH转化制备液态化学品的特性研究

开发非合成气路线的 CH-CHOH 直接制取高碳液态化学品转化技术可有效规避传统工业中面临的高危反应条件、废水排放、原子经济性低等问题。该文以 CH、CHOH 为原料,采用纳秒脉冲放电等离子体驱动 CH-CHOH 直接合成 C-C液态产品,主要探究了 Ar 添加和脉冲上升沿、下降沿对 CH-CHOH 放电中电学特性和转化特性的影响,并进行机理探究。实验结果表明,CH-CHOH-HO 体系实验的主要气态产品为 H、CO、CH和 CH,主要液态产品为 CHOH、CHOH。总流速固定时,Ar 添加后产生的彭宁电离有利于液态产品的生成,总液体选择性最高为 16.4%;在电压和频率固定时,变化六种不同的上升沿、下降沿条件,发现较大的上升沿、下降沿有利于液态产品的生成,当上升沿、下降沿为 500ns 时,总液体选择性为 14.7%。

低温等离子体技术在重质油加工领域的研究进展

随着全球石油资源重质化趋势不断加剧,常规重质油加工技术面临着愈发严峻的挑战。低温等离子体技术作为一种新兴的分子活化手段,具有原料适应性强、工艺流程短、碳排放低等优势,为重质油高效加工利用提供了新思路。围绕制备乙炔、碳纳米材料、合成气及加氢产物等应用方向,介绍低温等离子体技术在重质油加工领域的国内外研究进展,归纳重质油及其模型化合物在不同反应体系的转化规律、调控方法和反应机理,总结现有低温等离子体重质油加工技术的优势与不足,同时探讨低温等离子体技术未来的发展机遇与挑战,并对该技术规模化应用提出建议。

脉冲滑动弧空气等离子体提升染污硅橡胶憎水性及闪络特性

憎水性丧失导致硅橡胶绝缘子污闪是电力系统稳定运行的潜在隐患,为了快速在线提升染污硅橡胶表面憎水性,使用脉冲高压电源以空气作载气产生滑动弧等离子体(功耗仅12 W),对不同种类自然积污和不同灰密人工染污硅橡胶试样改性实验。结果表明,脉冲滑动弧处理能短时间内大幅提升鸟粪染污试样憎水性。对于人工染污硅橡胶试样,滑动弧扫描60~90 s,便使0.125 mg/cm^(2)和0.25 mg/cm^(2)灰密试样表面接触角由50°左右提升至超过130°,而未处理试样自然迁移数天也难以达到同样效果。发射光谱、扫描电子显微镜及傅里叶变换红外光谱分析表明,滑动弧能够破坏硅橡胶表面污层的致密结构、制造出大量微孔,加速硅橡胶中小分子硅氧烷迁移至污层表面。污闪试验结果表明,滑动弧处理后人工染污硅橡胶试样污闪电压有了较大提升。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体氮还原合成氨的研究

氨气(NH3)可以合成富含氮的化肥,还是不含碳的能量载体。工业合成氨工艺通常在高温高压条件下进行,会消耗大量能源且伴随着温室气体的排放。低温、常压下的非热平衡等离子体为合成氨提供了一种有潜力、可持续的途径。为此以氮气和氢气为原料,在低温常压下用脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,主要探究了脉冲参数(脉冲峰值电压、脉冲重复频率、脉冲上升沿)对合成氨体积分数的影响。此外,还考察了气体体积比例、填充氩气和放电间隙对合成氨的影响,分析电学特性和发光图像。结果表明,在电压12 kV、重复频率3k Hz、气体体积比例N2:H2=2:1条件下,NH3体积分数最高可达17 600×10–6,相应的能量效率为1.61 g/k Wh。脉冲重复频率对氨气体积分数有显著影响,增大脉冲重复频率,单位时间内高能电子的数量增加并且运动加剧,更多的N2、H2分子被激发或解离从而NH3体积分数增大。

微波等离子体辅助溶胶凝胶法制备Ni/CeO_(2)催化剂及其甲烷干重整催化性能

催化剂的粒径对其催化性能有很大影响,为了提高催化剂的性能及制备效率,提出了一种微波等离子体辅助溶胶凝胶法制备催化剂的方法,制备了物质的量比n(Ni):n(Ce)=1:10、1:20、1:100的Ni/CeO_(2)催化剂。对其甲烷干重整催化性能进行评价。结果表明:n(Ni):n(Ce)=1:20时对甲烷干重整活性最高。并且微波等离子体辅助溶胶凝胶法制备催化剂(n(Ni):n(Ce)=1:20)的活性和高空速转化性能均高于传统浸渍法制备的催化剂(n(Ni):n(Ce)=1:20)。对微波等离子体辅助溶胶凝胶法和浸渍法制备的催化剂(n(Ni):n(Ce)=1:20)的XRD、SEM表征:XRD谱图显示微波等离子体辅助溶胶凝胶法制备催化剂CeO2峰的半高宽大于浸渍法制备的催化剂;通过SEM表征得到微波等离子体辅助溶胶凝胶法)浸渍法)制备的催化剂颗粒主要分布在50~100 nm(100~150 nm),约占比41%(37%)。基于对放电光谱的分析,微波等离子体辅助溶胶凝胶法引入了NH、OH等活性基团,并且提供了148 K/ms的淬冷速率,较高的淬冷速率会有效降低催化剂粒径,提高催化活性。

不同脉冲参数下等离子体活化水活性氮特性

等离子活化水能够产生丰富的活性粒子,在农业生产、果蔬消毒、生物医疗等领域有着广泛的应用。为此设计了一种基于微气泡技术的活化水产生装置,并研究了脉冲参数(上升沿、脉冲宽度)对活化水中活性氮特性的影响规律。测量了活化水中NO_(2)-和NO_(3)-浓度及pH值,计算了不同脉冲参数下消耗单位能量所产生活性粒子的通量,并讨论了微气泡破裂对活性氮物质的影响机制。结果表明,采用液相微气泡放电产生等离子体的方式能有效提升活化水活性物质浓度。上升沿较快、宽度较窄的脉冲有利于活性物质的产生。百纳秒量级脉冲激励的活性氮产量最高,其中NO_(3)-浓度为36×10^(-2)mmol/L,NO_(2)-浓度为18×10^(-2)mmol/L。不同脉冲参数下对应的能耗最高时为4.54 W,最低时为1.99 W。该研究为等离子体活化水装置的设计和活性粒子浓度的提升方法提供了依据。

氧含量对大气压等离子体薄膜沉积提高环氧树脂沿面耐压的影响

大气压等离子体改性可以有效提高环氧树脂(Al2O3-ER))表面沿面耐压特性。为了进一步提高放电均匀性和处理效果,研究了氧气(O2)对大气压等离子体射流薄膜沉积效果的影响。实验时氩气(Ar)作为载气,正硅酸四乙酯(TEOS)作为前驱气体。实验中保持通入射流管的Ar/TEOS混合气体含量不变,基底加热温度设为100℃,沉积3min,研究了氧含量对薄膜沉积的影响规律。实验结果表明Ar/TEOS混合气体中通入适量O2后,Al2O3-ER表面的Si—O—Si和Si—OH基团的吸收峰增强,Si元素和O元素的含量增加,这主要与Ar/O2反应中的潘宁电离增强、TEOS充分裂解有关。表面样貌观察结果表明不加氧时的表层出现与薄膜较为融合的纳米颗粒,添加0.8%O2后的表面呈现紧密的絮状结构。此外,表面电位分布测试表明添加1.6%O2后的峰值电位下降约50%,同时闪络电压平均值提高34.2%。实验结果为进一步优化薄膜沉积条件,提高Al2O3-ER沿面闪络性能研究提供了参考。

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲。选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值。测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns。负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz。电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变。该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求。

基于二元布气的大气压等离子体沉积TiO_(2)功能层提高陶瓷表面绝缘性能

真空/固体介质界面的绝缘性能相对较低,真空沿面闪络现象时有发生,严重威胁高压电气设备、脉冲功率系统的安全可靠运行。为提高陶瓷材料在真空中的表面绝缘性能,该文采用大气压等离子体沉积技术,以钛酸四乙酯与乙醇的混合溶液为前驱物,利用二元布气的反应器在陶瓷表面沉积二氧化钛(TiO_(2))薄膜。通过调控沉积条件,得到均匀致密的TiO_(2)功能层,并对沉积改性前后材料表面的理化特性、表面电荷特性、电荷陷阱分布以及在真空中的沿面闪络特性进行测量和表征。实验结果表明:当基底温度为25℃时,大气压等离子体沉积处理在陶瓷表面引入TiO_(2)功能层后,样品表面陷阱能级最低,电荷消散速度最快,与未处理样品相比,闪络电压提高39%;当基底温度升高至80℃时,TiO_(2)功能层致密均匀,样品表面陷阱能级最高,电荷陷阱逐渐变为深陷阱,闪络电压提高58%。通过大气压等离子体改性技术在绝缘材料表面沉积TiO_(2)功能层,能够有效提高陶瓷的表面绝缘性能,为后续工程应用提供新的改性途径。

纳秒脉冲等离子体合成射流激励器的流场特性分析

采用一台高重频、快上升沿纳秒脉冲电源作为激励源,对典型的双电极合成射流激励器进行放电,通过粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)测量放电实验中激励器稳定流场特性以及发展速度.分析实验结果发现,随着重复频率的提高,合成射流的平均发展速度也随之增大,1 kHz时的平均速度最高达到28.28 m/s,并在单脉冲能量远低于微秒脉冲的情况下,实现了更快的稳态流场控制,表明高重复频率下,更多次数的脉冲放电可提高激励总能量,有效地弥补纳秒脉冲单脉冲输出能量不足的缺点.而且频率越高,流场发展速度越快,说明高重频工作模式会对输出总能量有补偿作用.

多场耦合作用下GIS/GIL气固界面绝缘性能研究评述

气体绝缘组合电器(GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)广泛应用于长距离、大容量输电线路中。但随着电压等级和输电容量的提升,气固界面性能面临着电荷积聚与固体绝缘子老化等挑战。为了降低绝缘故障的发生,亟需开展GIS/GIL气固界面绝缘机理、测量诊断、寿命评估等相关研究。文中首先总结了气固界面电荷积聚、消散机理以及影响沿面闪络的因素,结果表明温湿度、自由基等因素通过改变绝缘子电导率对沿面闪络造成影响。并针对在役运行绝缘子,着重分析了长期运行中多物理场耦合作用下GIS/GIL中气固界面绝缘失效与老化过程。论述了传统的电学、力学等诊断方法以及新兴的光学检测法、超声检测法以及分子模拟等技术,并分析了多种寿命评估模型的原理与适用范围。最后,提出气固界面绝缘性能评估需重点关注多物理场耦合下的绝缘性能退化过程,通过多种诊断方法提取性能退化的宏观性能与微观结构参数,利用机器学习等手段建立评估物理模型和寿命预测方法等建议。

脉冲液相等离子体固氮特性及影响因素

低温等离子体固氮具有无需高温高压条件、绿色环保、易于与可再生能源匹配等优点。掌握低温等离子体固氮特性、提高固氮特性具有重要的理论意义和实用价值。采用一种液相放电等离子体固氮的反应装置,开展不同脉冲电源激励等离子体固氮实验,探究液相放电固氮特性和规律。通过采用4台不同的脉冲电源激励固氮反应装置液相放电,测量放电过程中的电压及电流波形,并表征放电过程中水溶液的活性氮浓度变化,基于放电过程中的电学特性和氮特性,计算4台电源相对应的能量效率。结果表明,瞬时功率和单脉冲能量越大,固氮速率越快,能耗效率越优;脉冲幅值和重复频率增加有利于等离子体液相放电固氮速率提升。

硅橡胶绝缘高压电缆附件的老化特性研究

为研究高压电缆附件绝缘在电、热和环境等多因素作用下的老化特性,文中以6种退役硅橡胶绝缘高压电缆附件样品为研究对象开展工作。采用SEM、FTIR和XRD分析了不同运行环境下样品的理化特性和微观分子结构变化,通过介电测试和表面电位衰减测试获得了样品宏观介电性能和微观电荷特性,采用拉伸实验获得了绝缘样品的力学性能数据,最后结合上述表征对电缆附件的绝缘和老化状态进行评估。结果表明硅橡胶附件老化过程中以Si-O主链降解为小分子为主,小分子物质进一步发生氧化和重结晶反应,导致分子的交联度下降和极性增强,同时微粒团簇形成应力集中点和放电通道,外在表现为力学性能下降和介电常数改变;硅橡胶绝缘表面在电、热和应力作用下出现裂纹和孔洞,分子链断裂形成低密度区,影响材料表面的陷阱密度和能级深度,宏观体现为电缆附件绝缘击穿场强和电阻率的变化。

基于卷积神经网络与可视图像的类滑动放电模式识别

为了提高机器学习算法对类滑动放电模式识别的准确率,提出了一种基于卷积神经网络(convolutional neuralnetworks,CNN)与可视图像识别电晕放电、弥散放电和类滑动放电等模式的方法。通过选取气体体积流量0~16 L/min、电极间隙2~10 mm、脉冲频率0.5~3 kHz等不同条件下的类滑动放电图像构建图像库,搭建CNN模型并优化影响CNN识别性能的超参数,包括网络层数、全连接层(full connected layer,FC)神经元数、卷积核尺寸以及激活函数类型,最后比较了CNN与决策树(decision tree,DT)算法和随机森林(random decision forests,RF)算法的识别效果。结果表明,CNN识别准确率为100%,高于传统机器学习方法。此外,本文还给出了放电模式及条件参数,通过基于反向传播神经网络(back propagation neural networks,BPNN)的聚类分析算法识别弥散放电和类滑动放电,并且准确率为100%。