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脈沖電源在環(huán)境工程領(lǐng)域應(yīng)用綜述

新聞出處：iC921　　發(fā)布時(shí)間：2006/11/10 | 2298次閱讀

1 引  言

　　眾所周知，隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，環(huán)境治理與保護(hù)已成為不容忽視的全球性問題。令人值得關(guān)注的是，脈沖電源技術(shù)最近幾十年在環(huán)境治理和保護(hù)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。因此脈沖電源技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用自然地成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)�！　　　　　　　　　”疚脑诳偨Y(jié)有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，首先簡(jiǎn)單介紹了脈沖電源的基本的工作原理和主要發(fā)展方向，最后論述了脈沖電源在凈化工業(yè)廢氣和污水、靜電除塵、殺菌消毒、臭氧制取等環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況，其中重點(diǎn)論述了脈沖電源的研究現(xiàn)狀。本文的工作帶有學(xué)科交叉性，它對(duì)于如何將電工技術(shù)和環(huán)境工程技術(shù)相互結(jié)合，如何發(fā)展脈沖功率技術(shù)在環(huán)境治理和保護(hù)各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

2  脈沖電源技術(shù)概述

　　脈沖脈沖電源技術(shù)的基本工作原理如圖1所示 ：首先經(jīng)過慢儲(chǔ)能，使初級(jí)能源具有足夠的能量；然后向中間儲(chǔ)能和脈沖成形系統(tǒng)充電（或流入能量），能量經(jīng)過儲(chǔ)存、壓縮、形成脈沖或轉(zhuǎn)化等某些復(fù)雜過程之后，最后快速放電給負(fù)載。

脈沖電源的主要研究方向?yàn)椋?/p>

①提高脈沖重復(fù)頻率。通過提高脈沖的重復(fù)頻率，不僅提高脈沖電源的平均功率，而且減小電源的體積和降低造價(jià)。

②提高電源效率，降低電源自身能耗。

③提高電源系統(tǒng)的可靠性，脈沖放電產(chǎn)熱和高頻電磁干擾對(duì)系統(tǒng)可靠性造成嚴(yán)重的影響。

3  脈沖電源在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 脈沖電暈等離子體法凈化工業(yè)廢氣

圖2  脈沖變壓器式電源原理

脈沖電暈等離子體法凈化廢氣是近十年發(fā)展起來的新技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境治理新技術(shù)的研究熱點(diǎn)。Masuda將此課題命名為“納秒級(jí)高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體化學(xué)技術(shù)”（PPCP）[1]。其機(jī)理是利用前沿陡峭、窄脈寬（納秒級(jí)）的高壓脈沖電暈放電，在常溫下獲得非平衡等離子體，即產(chǎn)生大量的高能電子和O、OH等活性粒子，對(duì)工業(yè)廢氣中的有害氣體分子進(jìn)行氧化、降解等反應(yīng)，使污染物最終轉(zhuǎn)化為低毒或無毒物質(zhì)。從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究資料看，可利用PPCP凈化的廢氣有：SO2、NOx、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、已醇等。其中脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn) ，美國(guó)、日本、荷蘭、俄羅斯、意大利等國(guó)積極開展研究，國(guó)內(nèi)曾將該研究列為“九五”攻關(guān)項(xiàng)目。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)的主要研究熱點(diǎn)是高壓窄脈沖電源的研制、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、脫硫脫氮等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及添加劑的選取等[2-4]。下面就脈沖電源的研制情況作重點(diǎn)論述。

圖3  空心變壓器式脈沖電源原理

ns級(jí)脈沖電源主要可分為三類：脈沖變壓器式電源、空心變壓器（Tesla）諧振充電式電源和磁壓縮式電源[5]。圖2是一般的脈沖變壓器式電源簡(jiǎn)單原理圖，直流高壓電源DC通過電感L和變壓器T對(duì)電容C諧振充電，充電到峰值后接通開關(guān)S，電容C放電形成脈沖。脈沖變壓器式電源技術(shù)較為成熟，但采用了變壓器鐵芯材料使脈沖前沿受限制，無法得到快速上升的脈沖。圖3為典型的空心變壓器（Tesla）諧振充電式電源原理圖，C1、L1和C2、L2構(gòu)成雙諧振回路，C3、S3用于壓縮脈寬�？招淖儔浩魇诫娫纯梢缘每焖偕仙拿}沖，但由于受脈沖形成大電流開關(guān)（常用的如火花間隙、贗火開關(guān)和電暈穩(wěn)定開關(guān)等）的限制，使用壽命短。脈沖磁壓縮技術(shù)是一種先進(jìn)的技術(shù)，它采用坡莫合金、金屬玻璃等磁性材料作鐵芯。這種技術(shù)的特點(diǎn)是可能得到大功率、快上升、高頻的窄脈沖[6]。缺點(diǎn)是在高頻、快上升脈沖系統(tǒng)中，對(duì)磁性開關(guān)材料選擇比較苛刻，技術(shù)不是很成熟。美國(guó)的LLNL在這方面做了很多研究。

圖4  高壓脈沖電源原理

文獻(xiàn)[7]提出的脈沖電源，其原理如圖4所示。其工作過程為：首先由直流高壓電源給電容C1充電，充電到峰值后閘流管S1導(dǎo)通，C1給C2充電。C2充電完后斷開S1，開通S2，C2通過升壓脈沖變壓器給脈沖形成線（PFL）放電，PFL的電壓達(dá)到峰值后，磁開關(guān)Sm飽和開通，PFL輸出高脈沖電壓到負(fù)載上。該電源的關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)負(fù)載下磁開關(guān)Sm的設(shè)計(jì)。該電源將脈沖變壓器技術(shù)和磁壓縮開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，技術(shù)較為成熟，可得到ns級(jí)脈沖，其不足之處是輸出電壓變化范圍較小。

　　由上述可知，ns級(jí)脈沖脈沖電源有不同的設(shè)計(jì)方法，各種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前ns級(jí)脈沖電源的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是：脈沖電源和反應(yīng)器負(fù)載的有效匹配問題[8]；電源的壽命短，可靠性設(shè)計(jì)有待提高；效率低、能耗高。上述電源問題是嚴(yán)重限制了脈沖脫硫脫氮技術(shù)廣泛地走向工業(yè)化。

3.2  高壓脈沖放電廢水處理[9]

　　由于高電壓技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)高能化，近年來將高電壓技術(shù)用于處理難處理工業(yè)污水的研究已引起了國(guó)內(nèi)外研究者們的極大的興趣。李勁、李勝利等[10-12]提出了高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)。高壓脈沖放電廢水處理的基于以下四種效應(yīng)：高能電子轟擊；臭氧殺菌；紫外線的光化學(xué)處理作用；放電等離子體中產(chǎn)生的活性自由基的作用。高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)使放電生產(chǎn)的臭氧與水直接作用，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)臭氧凈水技術(shù)中氣體干燥、電極冷卻、水氣混合等程序，使裝置小型化，不僅避免了臭氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的衰減，而且充分發(fā)揮放電產(chǎn)生的活性粒子的凈化作用。因此，與傳統(tǒng)的臭氧凈水方法相比，高壓脈沖等離子體水處理顯然具有更好的應(yīng)用前景。

　　高壓脈沖放電廢水處理的研究熱點(diǎn)主要集中在高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)和等離子體生成法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3  脈沖靜電除塵

　　靜電除塵器以其除塵效率高、阻力低、煙氣處理量大、耐溫高等優(yōu)點(diǎn)而成為粉塵回收和氣體凈化的的主要設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于有色金屬冶煉、電力、建材、石油、化工等行業(yè)[13]。

　　傳統(tǒng)靜電除塵采用直流高壓供電方式。在這種供電方式下，由于粉塵層等效電容效應(yīng)會(huì)造成反電暈現(xiàn)象，導(dǎo)致除塵率下降。當(dāng)采用脈沖供電時(shí)，除塵器粉塵層的等效電容在脈沖施加期間只充上很少的電荷，在脈沖消失期間所充電荷基本放完，所以除塵器粉塵層上不會(huì)因積累電荷形成高電壓而使粉塵造成反電暈。因此與常規(guī)直流電源供電的除塵器相比，脈沖供電電源除塵器的除塵效果更佳。此外，對(duì)于不同比電阻的粉塵，可通過調(diào)整直流基壓、脈沖頻率和占空比，使之達(dá)到最佳除塵效果。脈沖靜電除塵是一種先進(jìn)的空氣凈化技術(shù)，如果將之與脫硫脫氮技術(shù)相結(jié)合，采用微秒級(jí)或納秒級(jí)的脈沖供電電源，可以實(shí)現(xiàn)脫硫脫氮技術(shù)與除塵技術(shù)一體化[14]。

　　目前國(guó)內(nèi)外電除塵脈沖供電電源大多采用在直流基礎(chǔ)電壓上迭加脈沖電壓的設(shè)計(jì)方案，其典型電路如圖5所示[14]。EP為電除塵的本體，其吸塵極接地。電暈線為線柱，通過隔離二極管VD2接電壓可調(diào)的基礎(chǔ)直 流高壓電源E2的負(fù)極，其電壓值通常調(diào)到接近臨界電暈電壓。脈沖供電電源由可調(diào)直流電壓源E1，濾波限流電感L1，諧振儲(chǔ)能電容C1，快速晶閘管VT的反饋二極管VD1，諧振電感L2組成的諧振電路構(gòu)成。脈沖頻率和占空比的調(diào)節(jié)可以通過控制晶閘管VT的觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)，脈沖寬度則由諧振回路的參數(shù)決定。上述電源設(shè)計(jì)方案需要用兩臺(tái)變壓器構(gòu)成兩套電源，分別用于產(chǎn)生直流基壓和脈沖電壓，因此電源的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

3.4  脈沖電場(chǎng)殺菌

　　自從1967年英國(guó)發(fā)現(xiàn)高壓直流脈沖能有效殺死營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌和酵母菌后，人們紛紛開展了這方面的研究�，F(xiàn)已陸續(xù)報(bào)道高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)幾十種與食品有關(guān)的微生物具有良好的殺菌作用，如大腸桿菌、枯草菌、短乳菌、啤酒酵母等[15]。

　　關(guān)于脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同的觀點(diǎn)，主要有細(xì)胞膜穿孔效應(yīng)、粘彈極形成模型、電磁效應(yīng)、電解產(chǎn)物效應(yīng)、臭氧效應(yīng)等[16,17]。細(xì)胞膜穿孔效應(yīng)理論認(rèn)為，當(dāng)液體食品流經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)時(shí)，液體中微生物由于細(xì)胞膜上產(chǎn)生電荷分離而引起穿孔，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。粘彈極形成模型理論強(qiáng)調(diào)，一是細(xì)菌的細(xì)胞膜在殺菌時(shí)受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)作用而劇烈振蕩；二是殺菌時(shí)由于強(qiáng)烈的電場(chǎng)作用，介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體，并且等離子體發(fā)生劇烈膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，沖擊波強(qiáng)度超出細(xì)菌細(xì)胞的可塑性范圍而擊碎細(xì)菌。電解產(chǎn)物理論認(rèn)為，　　在電場(chǎng)作用下，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)發(fā)生電解產(chǎn)生陰陽離子，這些陰陽離子穿過細(xì)胞膜與細(xì)胞內(nèi)的生命物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核糖核酸等）結(jié)合而使之變性。該理論的缺陷是難以解釋PH值變化劇烈的條件下殺菌效果沒有顯著變化的現(xiàn)象[18]。臭氧效應(yīng)理論認(rèn)為是高壓電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的臭氧起到了殺菌作用[19]。

　　盡管脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理目前尚存在爭(zhēng)議，但脈沖電場(chǎng)殺菌劑已經(jīng)在食品殺菌、細(xì)胞生物、基因工程、生物技術(shù)工程領(lǐng)域引起很大的關(guān)注[20,21]。其中脈沖電場(chǎng)食品殺菌既能起到有效殺菌的作用，又能保持食品的新鮮和原有的色香味，是非熱處理食品殺菌技術(shù)中目前效果最好、最有應(yīng)用前景的技術(shù)，該技術(shù)在美國(guó)正走向商業(yè)化。

　　文獻(xiàn)[22]提出一種用于食品殺菌的脈沖電源設(shè)計(jì)方案，其電路原理如圖6所示，其中高壓開關(guān)可使用火花隙開關(guān)、晶閘管SCR、機(jī)械旋轉(zhuǎn)開關(guān)等。三個(gè)電容C和三個(gè)電感L構(gòu)成了一個(gè)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Network，簡(jiǎn)稱PFN）。當(dāng)處理室和PFN之間實(shí)現(xiàn)電阻匹配時(shí)，即可獲得方波輸出。處理室獲得的電壓輸出幅值是電容C上的充電幅值的一半。當(dāng)電路中再增加一級(jí)PFN時(shí)，處理室獲得的電壓輸出幅值增至原來的兩倍。

脈沖電場(chǎng)處理食品技術(shù)有待解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題為[23-25]

①設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高壓脈沖電源。

　　高壓脈沖電源是殺菌裝置的關(guān)鍵部件。研究表明，

　　矩形波的殺菌效率最高，指數(shù)衰減波次之，振蕩波最低[26]。但是要在負(fù)載參數(shù)寬范圍變化條件下，得到負(fù)載匹配高壓矩形波脈沖，卻要在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、成本價(jià)格方面付出相當(dāng)大的代價(jià)。

②進(jìn)一步研究細(xì)菌在脈沖電場(chǎng)作用下的電擊穿機(jī)理，控制細(xì)胞膜破碎的可逆和不可逆過程

③建立大量的食品導(dǎo)電模型。殺菌所需的最小能量是有關(guān)食品電阻的一個(gè)函數(shù)，因此食品電阻是優(yōu)化脈沖電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的參數(shù)。

④有效抑制高壓脈沖電場(chǎng)殺菌過程出現(xiàn)的有害過程。殺菌過程中的有害過程主要有兩個(gè)，其一是強(qiáng)電場(chǎng)作用破壞食品中的有用成分，使食品中出現(xiàn)碎屑，破壞食品的品質(zhì)；其二是電極表面長(zhǎng)時(shí)間的積垢影響殺菌效果。

　�、莞倪M(jìn)殺菌室的合理性設(shè)計(jì)。目前所設(shè)的殺菌室絕大部分未能滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，主要有如下幾個(gè)問題有待解決[26-28]：沒有建立合理的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)空間分布的數(shù)學(xué)模型，無法準(zhǔn)確找出火花放電的危險(xiǎn)點(diǎn)，還無法克服火花放電問題；電極設(shè)計(jì)等因素導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻。

3.5  制取臭氧

　　臭氧一種強(qiáng)氧化性氣體，它廣泛用于殺菌、氧化、漂白、除臭等[29]。與其它常用的氧化劑（如Cl2、ClO2、NaCl、KMnO4等）相比，具有無色無惡臭無強(qiáng)腐蝕性和毒性，制備原料（空氣）易得等優(yōu)點(diǎn)。臭氧產(chǎn)生的原理是突變電場(chǎng)（工頻、高頻或脈沖電場(chǎng)）作用下氣體分子中原有少量載流子（電子和離子）從外電場(chǎng)中獲得能量，使其加速運(yùn)動(dòng)與氣體分子碰撞、電離，氧分子分解成氧原子并在瞬間重新結(jié)合成臭氧。

目前臭氧技術(shù)的主要問題是生產(chǎn)效率低、能耗高。臭氧制備的理論效率為2kg/(kWh)，實(shí)際中用空氣制備的效率只有理論的4~5%，約為46~58 kg/(kWh)，用純氧制取可提高到10%。采用高壓脈沖技術(shù)可以提高臭氧生產(chǎn)效率。目前該技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)成本尚未顯著降低，因此這個(gè)領(lǐng)域仍吸引了許多研究者。

　　文獻(xiàn)[30]研制了一臺(tái)用于為臭氧反應(yīng)器提供雙極性窄脈沖的火花隙高壓開關(guān)電源，其原理見圖7。它利用一對(duì)互相垂直的旋轉(zhuǎn)球隙RSG1交替實(shí)現(xiàn)正、負(fù)直流高壓的斬波，，分別對(duì)脈沖電容CP1、CP2充電，然后通過另一對(duì)互相垂直的旋轉(zhuǎn)球隙RSG2給反應(yīng)器（負(fù)載）供電。電壓脈沖前沿和寬度通過調(diào)整脈沖電容及其反應(yīng)器的匹配來實(shí)現(xiàn)，脈沖頻率為0~200Hz，由旋轉(zhuǎn)球隙的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。試驗(yàn)用的電源電壓為0~±20kV。

4  結(jié)束語

　　由于利用脈沖電源治理環(huán)境污染涉及電工、環(huán)境、化學(xué)、微生物、物理等多門學(xué)科的知識(shí)，是典型的學(xué)科結(jié)合交叉。至今的有關(guān)研究還不夠深入，尚需一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展過程，尤其是在實(shí)際應(yīng)用方面。但是，現(xiàn)有研究表明，利用脈沖電源處理環(huán)境污染具有高效、清潔、便捷等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且能與其它污染治理技術(shù)靈活組合，加上電力工業(yè)的迅速發(fā)展，脈沖電源在環(huán)境工程的諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力研究和推廣。

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