图1 等离子体瞬态电-光-热多参量同步原位诊断平台中电路和气路系统布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of circuit and gas system in the experimental setup
摘要 进气流量作为影响滑动电弧放电特性的关键操作参数，直接关系到滑动电弧分解CO2的转化性能。该文拟通过实验研究进气流量对滑动电弧放电分解CO2的电-光-热特性及其对转化性能的影响。为此搭建了滑动电弧放电的瞬态电-光-热特性同步原位诊断平台，其中，热特性通过高速纹影技术表征。借助搭建的诊断平台，开展了不同进气流量（1.5～10 L/min）下滑动电弧放电分解CO2的实验，并对比分析进气流量对滑动电弧运动特征（即放电周期和电弧短路事件）、等离子体发光区和高温气流区面积、注入能量和CO2转化性能参数的影响规律。实验结果表明：滑动电弧的放电周期随着进气流量的增大而减小，且变化趋势近似服从指数衰减；等离子体发光区和高温气流区的面积均与进气流量呈正相关，表明进气流量的增大有利于扩大活性粒子分布区域并强化对流换热过程，从而提升CO2的转化性能；过高的进气流量（10 L/min）会引发两类电弧短路事件，而短路事件的频繁发生会抑制滑动电弧的作用区域和对流换热过程，导致CO2转化性能劣化。最后，提出了进气流量对滑动电弧放电分解CO2的影响机制，将有助于理解反应器内气流与等离子体之间的相互作用关系，为反应器操作参数的调控提供指导。
关键词：CO2分解 滑动电弧放电 进气流量 纹影技术 电-光-热特性
化石燃料的广泛开采和利用，在促进人类文明飞速发展的同时，也加剧了大气温室效应。这给自然界碳循环带来了巨大压力，并引发气候变暖、海洋酸化等一系列全球性环境问题。CO2作为最主要的温室气体，其含量的持续增加被认为是21世纪面临的重大挑战之一[1-3]。2020年，中国政府提出了“双碳”目标，不仅要求减少碳排放，更提倡实现碳资源的循环再利用[4-5]。
分解CO2是实现碳资源循环中最为基础的一环，其常规分解方法包括热解法、电化学转化、光催化转化和生物化学转化等。然而，上述方法的反应条件均十分严苛，难以平衡经济成本与CO2转化收益，规模化工业化应用难以实现[6]。相较于常规的分解方法，大气压非平衡等离子体技术具有三个方面的显著优势，使得其在分解CO2时具有明显的经济成本和工业化应用优势[7-11]。①等离子体中丰富的活性粒子和极强的化学活性，能在常温常压下诱导激活CO2强吸热分解反应的发生，反应工况和配套条件都易于实现；②等离子体启停灵活，可采用可再生电能进行驱动，不仅具有较低的能源成本，还能调节电网峰值和稳定电网运行；③等离子体分解CO2的主要产物为CO，经分离提纯工序后具有较高的化学附加值，且有助于碳资源的循环利用。大气压非平衡等离子体的产生方式包括辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、火花放电和滑动电弧放电等[12-16]。比较近年来研究人员所报道的不同类型等离子体反应器分解CO2的性能参数（能量效率和CO2转化率）发现：具有温等离子体特征的微波等离子体、射频等离子体和滑动电弧等离子体，与其他类型的等离子体相比，其能量利用效率更高[10,14]。这主要是由于温等离子体的电子温度约为1～2 eV，CO2分子主要沿着具有高能量效率的振动诱导解离路径进行分解，其中振动诱导解离路径能量效率约为80%，而电子碰撞直接解离能量效率约为25%[17]。能量效率的提升可显著降低能源成本，使其更具工业化应用前景。此外，在温等离子体类型中，滑动电弧等离子体因其具有常压运行、反应装置简单、易于大规模部署等优点，而备受研究人员关注[18-20]。文献[21-24]基于典型的二维滑动电弧反应器，研究了进气流量、输入功率、背景气体组分和放电间距等参数对CO2转化性能的影响，发现增大原料气流量（10～22 L/min）对CO2转化率有负面影响，提出转化性能的劣化是由于CO2在等离子体中的停留时间减少所致。文献[19]将进气流量控制在 2～8 L/min，发现CO2转化率和能量效率会随着进气流量的变化出现两种不同的变化模式：当流量低于6 L/min时，CO2转化率与进气流量正相关；当流量大于6 L/min时，CO2转化率随着进气流量的上升而降低。这种模式的转变被认为与气体停留时间和气体温度等多种因素相关[18]。此外，文献[25-27]发现进气流量的增加会导致电弧短路事件发生，并认为多次电弧短路事件的出现会减缓滑动电弧的运动速度，增大处理气体比例，从而有利于提升CO2转化性能。
为进一步探究滑动电弧放电分解CO2的物理机制，从而优化反应参数设置，研究人员借助高速摄影仪、电学测量设备和光谱仪等诊断装置，以及动理学数值模拟方式，对滑动电弧等离子体的理化特性进行了大量的研究。文献[28-29]采用发射光谱获得了滑动电弧等离子体的特征参数范围：电子温度为0.4～3.4 eV，电子密度为1012～1014 cm-3，气体温度为2 000～3 500 K。文献[30]通过考虑完整的CO2振动激发态分子，建立了零维动理学模型，计算结果表明：滑动电弧等离子体中CO2的分解主要是依靠电子碰撞引发的振动激发诱导解离反应，并且气体温度的升高会使得振动激发态分子更易退激发至基态CO2。文献[31]通过引入对流冷却特征频率，仿真研究了横向气体对流对CO2转化性能的影响，发现过高的气体流量会降低电子数密度和电子温度，从而引起CO2转化率下降。此外，文献[32-33]进一步研究了基于切向进气涡流形式的旋转电弧反应器结构，发现涡流形式可提高反应器中CO2的转化性能，并提出涡流形式加强高温电弧和反应气体之间的对流换热是促进CO2转化的主要原因。
综上所述，进气流量因改变气体停留时间和影响滑动电弧对流换热过程，直接关系到滑动电弧放电分解CO2的转化性能。然而，现有研究主要关注CO2转化的最终性能指标（如转化率、能量效率），缺乏对滑动电弧放电中电弧运动、光学和热学形态等中间物理过程的直接观测。这导致进气流量对滑动电弧运动特征和对等离子体特性的影响研究缺乏系统性，不利于揭示进气流量对滑动电弧反应器转化性能的作用机制。
鉴于此，本文拟搭建集成电学测量、高速摄影仪和纹影系统的实验平台，实现滑动电弧的瞬态电-光-热特性的同步原位诊断。基于搭建的诊断平台，本文将开展如下研究内容：首先，分析典型滑动电弧放电的瞬态电学参量和热学形态；其次，研究不同进气流量下滑动电弧的运动特征和瞬态光-热特性；最后，对比分析不同进气流量下CO2转化性能的差异，讨论进气流量对滑动电弧放电分解CO2的作用机制。
本文搭建的等离子体瞬态电-光-热多参量同步原位诊断平台如图1所示，主要由滑动电弧反应器、电路系统、气路系统和光路系统组成。需要说明的是，图1因绘图空间限制而未示意光学系统，将通过图2予以补充。滑动电弧反应器由两片刀型黄铜电极以及两块夹紧密封刀型电极的石英玻璃构成，其中刀型电极长80 mm、宽40 mm、厚3 mm，两电极之间的最小距离为5 mm。电路系统主要包括激励电源和电压电流测量设备，激励电源采用直流高压电源（TESLAMAN, TLP2041P20），其电压峰峰值范围为0～20 kV，最大输出功率为4 kW。直流高压电源和滑动电弧反应器之间串联100 kΩ的高压无感电阻，用于限制回路短路电流。滑动电弧放电的电压和电流波形分别借助高压探头（PINTECH P6028A，分压比为1 000:1）和电流探头（CYBERTEK HCP8030D，电流比为1 V/A）进行测量，并采用四通道示波器（RIGOL MSO5104）记录保存电压电流波形。
图1 等离子体瞬态电-光-热多参量同步原位诊断平台中电路和气路系统布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of circuit and gas system in the experimental setup
图2 实验平台中光学系统布置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the optical system in the experimental setup
气路系统主要包括反应气体、质量流量计和气相色谱仪。反应气体CO2由压缩气瓶提供，纯度为99.99%。输入滑动电弧反应器的进气流量由高精度质量流量计（SIARGO MF5706）控制和调节，气体流动方向如图1中箭头所示。反应器出口的混合气体先经过质量流量计测得出口气体流量Qout后，经气管导入气相色谱仪（AGILENT 6890Plus）进行成分检测分析，该设备配置有火焰离子检测器和热导检测器。
此外，本文设计了如图2所示的光学系统，用于观测滑动电弧等离子体的瞬态光学和热学特性。滑动电弧的可见光通过高速摄影仪C1（CHRONOS 1.4-color）捕捉；其热学特性观测采用纹影技术。图2所示的纹影系统由LED光源、双凹面镜、刀口和高速摄影仪C2（iX-Cameras, i-SPEED 716）组成。纹影技术的基本原理是将观测区域内气体温度（密度）的梯度变化转换为高速摄影仪C2成像图片的灰度值变化，从而实现滑动电弧反应器中热学特性的可视化[34-36]。为保证两台高速摄影仪观测到的视场为同一投影平面，尽可能地消除由于投影角度引起的空间位置偏差，高速摄影仪C1与Z形纹影光路的夹角应小于5°。同时，为保证光学图像和纹影图像具有相同的曝光时间序列，高速摄影仪C1和C2的拍摄帧率均同步设置为9 000帧/s，并通过调整相机曝光信号的时延，使得两台相机的曝光脉冲序列完全同步。光学图像和纹影图像的空间分辨率分别为0.2 mm/像素和0.05 mm/像素，满足分辨空间尺寸为mm量级的滑动电弧放电通道的观测要求。
通过实验准备阶段的曝光时延调整、实验进行阶段的设备自动同步触发和数据处理阶段的时间零点同步，并以电流脉冲上升沿（ns量级）作为触发源信号，实现所有测量设备（示波器、高速摄影仪C1和C2）的同步触发，以及滑动电弧放电过程中电学、光学和热学特性的同步观测。
滑动电弧反应器的放电功率P（单位为W）和输入能量密度（Specific Energy Input, SEI）（单位为kJ/L）分别表示为
（1）
（2）
式中，U和I分别为测量得到的放电电压和电流；T为滑动电弧放电周期；Qin为入口气体流量，L/min。
反应器排出的混合气体组分主要包括CO2、CO和O2等。本文采用转化率X和能量效率η两个评价指标来表征滑动电弧反应器分解CO2的转化性能。由于反应过程中气体的膨胀效应，出口气体流量Qout大于入口气体流量Qin，故评价转化率X和能量效率η时需要进行气体膨胀修正，修正后的指标评价公式分别为
（3）
（4）
式中，
为反应器出口处CO2的体积分数（%）；ΔH为CO2分解反应的标准焓变，数值为279.8 kJ/mol；
为标准状况下理想气体的摩尔体积，数值为22.4 L/mol。
另外，为了方便分析和展示实验结果，本文定义了两类区域：①等离子体的发光区，代表滑动电弧等离子体中的活性粒子在反应器内作用的区域，通过高速摄影仪C1拍摄的光学图像获得；②高温气流区，代表反应器中对流换热作用的区域，通过高速摄影仪C2拍摄的纹影图像获得。发光区和高温气流区的大小通过各自与反应器面积的占比表征，分别记为RO和RH，表示为
（5）
式中，SO为光学图像中发光区域的面积；SH为纹影图像中灰度值发生变化的区域面积；STotal为滑动电弧反应器的平面面积；SElectrode为两片刀型电极的平面面积。
滑动电弧放电的典型瞬态电-光-热特性如图3所示，对应的CO2进气流量为4 L/min，所有测量结果都进行了同步处理。图3a展示了滑动电弧放电起始及其后续四个周期的放电电压和电流波形。t= 0时刻，放电间隙被击穿，对应的击穿电压约为8 kV，放电电流达到峰值150 mA；而后随着电极间的气体绝缘逐渐恢复，电压逐渐增大，放电电流逐渐减小；直至t= 24 ms时刻，新击穿过程发生，滑动电弧放电进入新的周期。进一步分析实验结果可以发现：放电电流在下降期出现“驼峰”现象，持续时间约为10 ms，期间电流表现为先升后降。这主要是因为进气流量较小时，电弧弧根移动缓慢，使得金属电极表面容易出现不稳定的微爆炸，进而导致弧根处的电导率更高，放电电流增加[37-38]。
图3 滑动电弧放电的瞬态电-光-热典型观测结果（进气流量为4 L/min）
Fig.3 Typical results of transient electrical-optical-thermal synchronization observations in a gliding arc discharge (inlet flow rate is 4 L/min)
图3b和图3c分别为图3a中第一个放电周期内滑动电弧的光学图像和纹影图像，其中，相邻图像之间的时间间隔为8 ms。由图3b的光学图像可知，电弧首先形成于电极间距最短处（帧①），随后电弧在气流推力的作用下沿着电极向上滑动（帧②和帧③）。随着电弧长度逐渐增加，滑动电弧的耗散能量显著增大，当耗散能量大于注入功率时，滑动电弧发光衰败至熄灭，同时新的电弧重新起始于电极间距最短处，如帧④所示。
相应地，图3c中纹影图像清晰地显示了与图3b中等离子体发光区域对应的高温核心区，如虚线框所示。高温核心区的形态与等离子体发光形态的一致性较好，且该区域的气体温度最高。另外，从纹影图像可以发现，在发光区的下游（相对于进气口而言）还存在温度升高的区域，如点画线框所示，此处称为高温扩散区，该区域的面积要远大于发光区或高温核心区。高温核心区与高温扩散区共同组成了滑动电弧放电时的高温气流区。值得注意的是，在每个放电周期的末期，即便原滑动电弧无发光或发光强度极低，纹影图像依然可以清晰地呈现原有电弧的形态和高温气流的分布区域，这是对传统单一光学观测的重要补充。
根据图3所示的典型实验结果可以发现，滑动电弧放电具有击穿-拉长-熄灭的周期性运动特征，放电周期可以表征反应器内气体与滑动电弧等离子体的相互作用时间。为此，本文首先基于放电电压和电流波形，统计了滑动电弧放电周期随进气流量的变化规律，结果如图4所示。结果表明，增加进气流量能加快滑动电弧在反应器内的运动，缩短滑动电弧的放电周期，导致反应气体的停留时间缩短。此外，通过拟合统计数据发现，滑动电弧的放电周期随着进气流量的衰减近似服从指数函数。
当进气流量为1.5 L/min时，滑动电弧平均放电周期为104 ms，这使得反应气体能与反应器内的滑动电弧等离子体有充足的接触时间。当进气流量增加至7 L/min时，放电周期平均值仅为9.1 ms，且相对于进气流量为1.5 L/min时，放电周期标准差明显减小，说明滑动电弧放电的周期性更加稳定。当进气流量继续增加至10 L/min时，放电周期相较于7 L/min时降低了2.8 ms，但是统计数据的标准差变大，这表明放电波动性增加，滑动电弧放电的周期重复性变差。
图4 滑动电弧放电周期随进气流量变化柱状图
Fig.4 Histogram of discharge period variation with inlet flow rate
图5展示了进气流量分别为7 L/min和10 L/min时滑动电弧放电的电压和电流波形。与进气流量为4 L/min的结果（见图3）相比，虽然间隙的击穿电压差异不大，均约为8 kV，但放电电流最小值随着进气流量的增加而增大，即当流量从4 L/min增大至10 L/min时，放电电流的最小值由20 mA增大至60 mA。进一步分析电压波形可以发现，当进气流量为7 L/min和10 L/min时，在放电周期内会出现电压陡降现象，如图5中绿色箭头所示，这是电弧短路事件的出现所致[25]。
通过统计周期内的电压陡降特征，可得到电弧短路事件的发生频次。统计结果表明：当进气流量为1.5 L/min和4 L/min时，无电弧短路现象出现；当进气流量为7 L/min时，单个放电周期内出现电弧短路事件的平均次数为0.7次；当进气流量增大到10 L/min时，单个放电周期内出现电弧短路事件的平均次数达到3.1次。这表明放电周期内电弧短路事件出现的概率随着进气流量的增大而增加，这也解释了图4中流量为10 L/min时放电周期标准差变大的原因。值得注意的是：高进气流量下，在放电电压的恢复阶段，放电电流不再出现驼峰现象。这主要是由于高进气流量加速了滑动电弧的对流冷却，同时导致电弧迅速拉长，从而极大地增加了等离子体放电通道的电阻，使得放电电流保持下降趋势。
图5 高进气流量下滑动电弧的放电电压和电流波形
Fig.5 Discharge voltage and current waveforms of gliding arc discharges at high inlet flow rates
本文通过进一步对比分析电弧短路事件的光学图像和纹影图像，发现了两种类型（Ⅰ型和Ⅱ型）的电弧短路事件，如图6所示。Ⅰ型电弧短路事件如图6a中第②帧所示，具体表现为：电弧短路发生在反应器下游区域的弧柱部分，短路事件的出现使得滑动电弧的头部位置下降，但两电极处的弧根位置基本保持不变。Ⅰ型电弧短路事件中，与原有电弧通道相比，新形成的短路通道在初期阶段的直径更小，且气体加热作用更弱。该类电弧短路事件的出现可能与两个因素相关：①滑动电弧的压降随着电弧长度和耗散功率的增加而急剧增大；②高进气流量使反应器下游区域湍流效应加剧，导致弧柱部分形态更加褶皱和曲折。在上述两个因素的共同作用下，当弧柱两端相距较近时，电场强度超过击穿阈值而发生电击穿，Ⅰ型电弧短路事件出现。
图6 两类电弧短路事件发生时刻所对应前后连续三帧的光学和纹影图像
Fig.6 Three sequential frames of optical and schlieren images corresponded to the two types of arc short circuit events
Ⅱ型电弧短路事件如图6b所示，具体表现为：滑动电弧的弧柱和阳极弧根均同时向后倒退，而阴极弧根位置基本不变。Ⅱ型电弧短路事件更易发生于反应器上游区域，且相较于原有电弧通道，新短路通道的发光更强、加热作用更明显。此外，在Ⅱ型电弧短路事件发生前，第④帧纹影图像显示阴极弧根处的高温气流区靠近阳极，间距约为2 mm（虚线框标注）。此类电弧短路事件主要是由于高进气流量条件下阴极弧根的位置基本不变（见第④～⑥帧），当阴极斑点出现后，近阴极区域的温度持续增加，引起阴极金属电极出现热致电子发射。当具有高电子密度和高气体温度的近阴极区贴近阳极时，其邻近区域更易发展击穿，从而引发电弧短路事件。
进气流量通过影响反应器内气体的流速和流场结构，不仅可以改变滑动电弧的运动特征，而且关系滑动电弧与气体之间的对流换热及耗散过程。这些都会影响滑动电弧因电离和激发作用而发光的区域，同时也会影响高温气流区域的演化。图7a为不同进气流量下新放电周期起始时刻的滑动电弧放电光学图像，可以看出：当进气流量为1.5 L/min时，两电极处的弧根均能滑动至接近电极末端位置，使得放电通道具有较长的横向长度；当进气流量逐渐增加时，滑动电弧的纵向长度随之增加，这是由于反应器中间位置气体流速高于两侧所导致；直到进气流量增加至10 L/min时，滑动电弧通道的纵向长度和光学直径反而减小。
图7 滑动电弧新放电周期起始时刻的发光形态和发光区在反应器面积占比RO的时变特征
Fig.7 Luminescence morphology during the new discharge period, and time-varying curve of RO in gliding arc
为定量地比较进气流量对滑动电弧等离子体发光区域时变特征的影响，首先对放电时间进行归一化处理：将不同进气流量下的放电持续时间归一化至每种工况下各自的放电周期，由此所有工况的放电周期均可定义为T。采用上述方法，获得了不同进气流量下等离子体发光区域在反应器内面积占比RO的时变特征，如图7b所示。分析特定进气流量下RO的变化趋势可以发现：在滑动电弧放电周期的前90%时间范围内，发光区面积整体呈现出扩大趋势；而后10%时间范围内，发光区面积减小。发光区域面积先增后减的主要原因是放电前期电源维持功率大于耗散功率，等离子体的电离和激发活动不断加强，且随着滑动电弧的向上运动，活性粒子的含量及作用区域增大；而后期虽然电弧通道仍在拉长，但电弧耗散功率逐渐超过电源维持功率，使得活性粒子含量降低，作用区域开始收缩。
分析进气流量对RO的影响可以发现：当进气流量从1.5 L/min增加至7 L/min时，等离子体发光区面积占比RO的最大值从9%上升至15%；然而，当进气流量增加至10 L/min时，等离子体发光区占比不增反降，且低于其他三种进气流量的结果，这可能是因为多次电弧短路事件的出现，限制了滑动电弧的延伸空间。
因电子碰撞和振动-平动驰豫过程，滑动电弧的中心气体温度可达数千K。由于滑动电弧与原料进气之间的对流换热，热量可以传递至反应器内更大的区域，形成高温气流区。为了定量衡量上述高温气流区的时变特征，本文利用纹影图像和式（5）计算反应器内高温气流区的面积占比RH。这项工作需要首先剔除纹影图像的背景噪声，具体方法是将包含放电的纹影图像减去放电发生前的纹影图像，处理流程如图8a所示。通过统计剔除背景的纹影图片中灰度值发生变化的区域大小，得到不同进气流量下高温气流区面积占比RH的时变曲线，如图8b所示。结果表明，RH的总体变化趋势虽然不如等离子体发光区面积占比RO的变化明显，但也表现为前90%周期内逐渐增加而后10%周期内有所减小。
图8 纹影图像预处理流程及不同进气流量时滑动电弧的高温气流区与在反应器面积占比RH的时变特征
Fig.8 Flow chart of Schlieren image pre-processing and time-varying curves of RH
对比图7b和图8b可以发现，滑动电弧的高温气流区域面积远大于发光区域面积。在进气流量为7 L/min工况下，当高温气流区达到最大时，约占反应器总面积的80%，是相同条件下等离子体发光面积的5.3倍。此外，不同于RO在前90%周期内近似线性增加，RH在前20%周期内快速上升，至最大值的一半左右，而后上升趋缓。这是由于在滑动电弧放电前期，等离子体处于平衡态，电弧内部温度迅速升高（接近104 K），可通过热传导作用快速加热周围气体。此外，当气体流量从1.5 L/min增加至 7 L/min时，高温气流区也随之不断扩大，这表明增加气体流量能有效地促进滑动电弧与周围气体的对流换热过程。然而，当进气流量为10 L/min时，多次电弧短路事件的发生使得滑动电弧运动区域受限，不利于反应器内高温区域的对流及扩散，从而限制了高温气流区的作用范围。
放电功率和输入能量密度（SEI）是刻画滑动电弧反应器分解CO2时注入反应器能量的两个关键参数。为此，本文统计分析了进气流量对放电功率和SEI的影响规律，结果如图9所示。可以看出，滑动电弧的放电功率随着进气流量的增大而提高。具体地，当进气流量为10 L/min时，放电功率达到640 W，约为进气流量为1.5 L/min时的2倍。与放电功率不同的是，SEI随着进气流量的增加而降低，当流量从1.5 L/min增加至10 L/min时，SEI从13.8 kJ/L降低至3.9 kJ/L。
图9 滑动电弧反应器的放电功率和输入能量密度随进气流量的变化曲线
Fig.9 Variation curves of discharge power and specific energy input with inlet flow rates in the gliding arc reactor
放电功率与进气流量呈正相关是由于更高的进气流量会导致更强的对流换热过程，这不仅使得间隙击穿形成电弧所需的击穿功率增加，而且电弧沿电极滑动时电源所需维持电弧发展的能量也随之增加。根据式（2）可知，SEI由放电功率和进气流量共同决定。虽然放电功率随着进气流量的增大而增加，但是更大的进气流量也使得反应器内原料CO2的供给量极大增加，前者增速不及后者，最终导致SEI与进气流量呈负相关。
此外，本文还统计了CO2转化率和能量效率与进气流量的关系，结果如图10所示。当进气流量从1.5 L/min增加至7 L/min时，CO2转化率由9.4 %上升至14.6 %，同时能量效率也由8.3%增加至35.7%；当进气流量继续增大至10 L/min，转化率反而下降至13.3%，能量效率虽增速减缓，但仍增加至37.4%。这表明进气流量对CO2转化性能的影响并非是单一作用的结果：当进气流量小于7 L/min时，进气流量的增加有利于CO2在滑动电弧反应器内的分解转化；而当流量继续增大时，对CO2的转化性能开始劣化，这与前期文献[19]报道的结果相似。能量效率与进气流量呈正相关是由于增大进气流量可以丰富原料气体的绝对含量，即使CO2转化率有所下降，但CO2分解的绝对总量仍有所增加，从而提高了能量效率。此外，实验结果表明本文滑动电弧反应器内CO2的分解产物为CO和O2，碳平衡达到了99.99%，无积碳现象出现。
图10 滑动电弧反应器的CO2转化率和能量效率随进气流量的变化曲线
Fig.10 Variation curves of CO2 conversion and energy efficiency with inlet flow rates in the gliding arc reactor
3.1～3.5节的统计分析结果表明，进气流量对滑动电弧分解CO2时转化性能的影响主要体现在四个方面：
1）滑动电弧的运动周期随着进气流量的增大而缩短，从而减少了原料气体CO2在反应器内与等离子体的相互作用时间，不利于CO2的分解。
2）增加进气流量不仅能增大放电功率，而且能扩大滑动电弧等离子体的电离和激发作用区域（即发光区面积增加），从而增大了反应器内活性粒子的数量和作用范围，有利于CO2的分解。
3）增大进气流量能增强滑动电弧与周围气体的对流散热过程，减缓CO2振动激发态分子退激为基态的反应速率，有利于振动激发诱导CO2解离反应的正向进行。
4）高进气流量会促进湍流效应和阴极斑点效应的形成，导致电弧短路事件出现的概率增加，这将削弱等离子体中活性粒子作用区域和加热区域的对流换热作用，不利于转化性能的提升。
上述四个因素共同作用于滑动电弧放电分解CO2过程，主导或共同主导的因素将会决定CO2的转化性能。
以图10为例，进气流量对滑动电弧放电分解CO2转化性能的影响规律可解释如下：当进气流量从1.5 L/min增大至7 L/min时，虽然气体停留时间缩短，但活性粒子数量和作用区域增加，且对流换热作用同样得到增强，后两者的正向作用超过前者的反向作用，使得CO2的转化性能得到提升；而当进气流量为10 L/min时，气体与电弧之间的相互作用因停留时间的减小而大幅减弱，而且短路事件出现的频次增加，导致CO2转化性能降低。
此外，滑动电弧的电-光-热特征也与CO2分解性能有密切联系。滑动电弧的电学特性主导了活性粒子的产生和相对含量，放电功率的提高能增加注入反应器的能量，使得活性粒子种类和数量明显增加，CO2更易被活化和分解。但过高的能量注入会导致传输至气体加热路径的能量损失比例大幅度提升，相应地作用于电子碰撞解离CO2的分解路径的有效能量比例随之降低，从而使得反应体系内总的能量效率下降。
滑动电弧的光学特性主要是由活性粒子的空间分布和运动状态所主导，扩大发光区面积有利于增加活性粒子与反应器内原料CO2的接触反应概率，使得更多的CO2在滑动电弧等离子体作用下分解，从而促进CO2的转化。滑动电弧的热学特性由反应器内热源反应和对流换热过程所主导，热源反应由反应器内注入能量和混合气体组分所决定，对流换热过程由反应器内流场结构主导，良好的对流散热过程能有效减缓气体温度的上升速率，避免气温过高导致的分子振动能量损失与气体加热之间的正循环，从而有利于保持振动诱导解离路径占据优势地位。
为进一步提高等离子体分解CO2的转化性能，可从反应器结构设计和等离子体-催化剂协同两个方面进行优化。一方面，优化反应器结构设计，不仅可使得注入能量主要进入具有高能量效率的CO2振动诱导解离路径，而且可以增强对流换热过程并扩大等离子体作用范围，从而提升能量利用率和原料气体处理比例；另一方面，选择与等离子体具有正协同效应的催化剂，并根据等离子体与催化剂的相对位置选择催化剂种类。例如，在等离子体反应区选择协同促进CO2分解的催化剂（如贵金属催化剂），而在等离子体余辉区选择抑制逆分解反应和分离混合气体产物的催化剂（如碳床）。
进气流量是决定滑动电弧放电特性的重要参数之一，通过改变滑动电弧在反应器内的运动特征和等离子体的时空分布，从而影响CO2的转化性能。本文基于搭建的瞬态电-光-热多参量同步原位诊断平台，研究了进气流量对滑动电弧运动特征（气体停留时间和电弧短路事件），以及其对等离子体发光区和高温气流区的影响规律。同时，统计了反应器内CO2的转化性能及注入能量参数与进气流量的关系，据此探讨了进气流量的改变对CO2转化性能的影响机制。上述研究工作获得的主要结论如下：
1）增大进气流量能加速滑动电弧的运动，缩短气体在反应器内的停留时间，从而减小滑动电弧放电周期，且该周期随进气流量的变化趋势近似服从于指数分布。
2）滑动电弧放电在高进气流量下存在两类电弧短路事件：一类位于反应器下游的弧柱之间，因电击穿形成；另一类位于反应器上游的近阴极区，因热击穿形成。
3）滑动电弧的发光区和高温气流区所占面积在放电周期内的变化趋势类似：前90%周期内持续增加，而后10%周期内减小。在一定的进气流量范围内（本文中为1.5～7 L/min），发光区和高温气流区均随着进气流量的增大而扩大，但当进气流量达到10 L/min时，放电周期内出现多次电弧短路事件，使得电离发光区和高温气流区均大幅缩减。
4）随着进气流量的增大，CO2转化率先增加后降低，而能量效率始终保持增加。这是因为进气流量对CO2转化性能的影响主要由气体停留时间、活性粒子含量和空间分布、对流换热过程及短路事件的共同作用所决定。
值得注意的是，本文的主要结论是基于进气端和出气端无特殊设置（如无加装拉瓦尔喷嘴或切向强迫进气对流等方式）的二维滑动电弧反应器所得到的，具有强迫对流或极速膨胀等通气方式的滑动电弧反应器不在本文考虑范围之内，是下一步的研究方向。
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Abstract The rising concentration of carbon dioxide (CO2) is recognized as one of the most challenges in the 21st century. Non-equilibrium plasma can activate the reaction of CO2 decomposition at room temperature and pressure due to the abundant active particles. Gliding arc discharge (GAD), as a non-equilibrium plasma production method, has attracted the attention of researchersbecause of the high energy efficiency for CO2decomposition. The inlet flow rate, as a key operational parameter, is directly related to the conversion performance of CO2 decomposition in GAD. However, current studies mainly focus on the CO2 conversion performanceand lack the direct observation of the arc motion, optical, and thermal morphology. To address these issues, this paper aims to investigate the effect of inlet flow rate on the transient electrical-optical-thermal characteristics and conversion performance of CO2 decomposition in GAD by experiment.
Firstly, an in-situ diagnostic platform for transient electrical-optical-thermal characteristics is built in this paper, in which the thermal characteristic is visualized by a high-speed Schlieren technology. Then, by using the diagnostic platform, this paper carries out the experiments of CO2 decomposition in gliding arc discharge under different inlet flow rates (1.5 L/min to 10 L/min). Typical gliding arc discharge results show that Schlieren images are an essential supplement to traditional mono-optical observation by revealing a high-temperature flow region composed of a high-temperature core and a high-temperature diffuse region.
The effects of the inlet flow rate on the motion characteristic in GAD (i.e., the discharge period and the arc short-circuit event), the area of the plasma luminescence and the high-temperature gas flow regions, the input energy, and the CO2 conversion performance parameters are compared and analyzed. The experimental results show that the discharge period decreases with the increase of the inlet flow rate, and the tendency follows an exponential decay distribution approximately. The areas of the plasma luminescence and high-temperature gas flow regions are positively correlated with the inlet flow rate, indicating that the increase in the inlet flow rate facilitates the expansion of the active particle and the enhancement of the heat convective to improve CO2 conversion. Two types of arc short-circuit events are induced by excessive inlet flow (10 L/min). The gliding region of GAD and the heat convection are suppressed due to frequent short-circuit events, resulting in the deterioration of CO2 conversion.
The following conclusions can be drawn: (1) the discharge period decreases with the increase of the inlet flow rate, and the tendency follows an exponential decay distribution approximately. (2) There are two types of arc short-circuit events in gliding arc discharge:one is formed between the arc columns by electrical breakdown, and the other is formed in the near-cathode region by thermal breakdown. (3) The plasma luminescence area and high-temperature gas flow area increase with theinlet flow rate in a limited range,and reduce at excessive flow rates due to frequent arc short-circuit events. (4) The role of the inlet flow rate on CO2 conversion is mainly determined by the combined effect of gas residence time, active particle concentration and spatial distribution, heat convection, and short-circuit events.
keywords：CO2 decomposition, gliding arc discharge, inlet flow rate, Schlieren technology, electrical-optical-thermal characteristics
中图分类号：TM8; O53
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231860
香港政府环境及自然保育基金资助项目（ECF26/2022）。
收稿日期 2023-11-08
改稿日期 2023-12-21
刘 洋 男，1998年生，博士研究生，研究方向为大气压放电等离子体及其应用。E-mail：yangliu_ee@hust.edu.cn
何俊佳 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为高压电器、过电压防护和放电等离子体应用。E-mail：h-junjia@vip.sina.com（通信作者）
（编辑 李 冰）