本文關(guān)鍵詞：脈沖電源在環(huán)境工程領(lǐng)域應(yīng)用綜述，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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)境污染的日趨嚴重，環(huán)境治理與保護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)用自然地成為國內(nèi)外學術(shù)界的研究熱點�！　　　　　　　　　”疚脑诳偨Y(jié)有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，首先簡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，其中重點論述了脈沖電源的研究現(xiàn)狀。本文的工作帶有學科交叉性，它對于如何將電工技術(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)境治理和保護各個領(lǐng)域中應(yīng)用具有指導意義。

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)過慢儲能，使初級能源具有足夠的能量；然后向中間儲能和脈沖成形系統(tǒng)充電（或流入能量），能量經(jīng)過儲存、壓縮、形成脈沖或轉(zhuǎn)化等某些復雜過程之后，最后快速放電給負載。

脈沖電源的主要研究方向為：

①提高脈沖重復頻率。通過提高脈沖的重復頻率，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。

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系統(tǒng)可靠性造成嚴重的影響。

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)，是目前國內(nèi)外環(huán)境治理新技術(shù)的研究熱點。Masuda將此課題命名為“納秒級高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體化學技術(shù)”（PPCP）[1]。其機理是利用前沿陡峭、窄脈寬（納秒級）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，對工業(yè)廢氣中的有害氣體分子進行氧化、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)具有很強的應(yīng)用前景，是國內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點 ，美國、日本、荷蘭、俄羅斯、意大利等國積極開展研究，國內(nèi)曾將該研究列為“九五”攻關(guān)項目。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)的主要研究熱點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反應(yīng)機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論述。

圖3  空心變壓器式脈沖電源原理

ns級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單原理圖，直流高壓電源DC通過電感L和變壓器T對電容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)的特點是可能得到大功率、快上升、高頻的窄脈沖[6]。缺點是在高頻、快上升脈沖系統(tǒng)中，對磁性開關(guān)材料選擇比較苛刻，技術(shù)不是很成熟。美國的LLNL在這方面做了很多研究。

圖4  高壓脈沖電源原理

文獻[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的電壓達到峰值后，磁開關(guān)Sm飽和開通，PFL輸出高脈沖電壓到負載上。該電源的關(guān)鍵是動態(tài)負載下磁開關(guān)Sm的設(shè)計。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級脈沖脈沖電源有不同的設(shè)計方法，各種方法各有其優(yōu)缺點。目前ns級脈沖電源的設(shè)計難點主要是：脈沖電源和反應(yīng)器負載的有效匹配問題[8]；電源的壽命短，可靠性設(shè)計有待提高；效率低、能耗高。上述電源問題是嚴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主要集中在高壓脈沖電源的設(shè)計和等離子體生成法的優(yōu)化設(shè)計。

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)會造成反電暈現(xiàn)象，導致除塵率下降。當采用脈沖供電時，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，使之達到最佳除塵效果。脈沖靜電除塵是一種先進的空氣凈化技術(shù)，如果將之與脫硫脫氮技術(shù)相結(jié)合，采用微秒級或納秒級的脈沖供電電源，可以實現(xiàn)脫硫脫氮技術(shù)與除塵技術(shù)一體化[14]。

　　目前國內(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)計方案需要用兩臺變壓器構(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)都比較復雜，價格昂貴。

3.4  脈沖電場殺菌

　　自從1967年英國發(fā)現(xiàn)高壓直流脈沖能有效殺死營養(yǎng)細菌和酵母菌后，人們紛紛開展了這方面的研究�，F(xiàn)已陸續(xù)報道高壓脈沖電場對幾十種與食品有關(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)于脈沖電場殺菌機理國內(nèi)外學者提出了許多不同的觀點，主要有細胞膜穿孔效應(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]。細胞膜穿孔效應(yīng)理論認為，當液體食品流經(jīng)高壓脈沖電場時，液體中微生物由于細胞膜上產(chǎn)生電荷分離而引起穿孔，從而導致細胞死亡。粘彈極形成模型理論強調(diào)，一是細菌的細胞膜在殺菌時受到強烈的電場作用而劇烈振蕩；二是殺菌時由于強烈的電場作用，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)生強烈的沖擊波，沖擊波強度超出細菌細胞的可塑性范圍而擊碎細菌。電解產(chǎn)物理論認為，　　在電場作用下，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胞膜與細胞內(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)理論認為是高壓電場作用下產(chǎn)生的臭氧起到了殺菌作用[19]。

　　盡管脈沖電場殺菌機理目前尚存在爭議，但脈沖電場殺菌劑已經(jīng)在食品殺菌、細胞生物、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)在美國正走向商業(yè)化。

　　文獻[22]提出一種用于食品殺菌的脈沖電源設(shè)計方案，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、機械旋轉(zhuǎn)開關(guān)等。三個電容C和三個電感L構(gòu)成了一個脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Network，簡稱PFN）。當處理室和PFN之間實現(xiàn)電阻匹配時，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。當電路中再增加一級PFN時，處理室獲得的電壓輸出幅值增至原來的兩倍。

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

①設(shè)計經(jīng)濟實用的高壓脈沖電源。

　　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]。但是要在負載參數(shù)寬范圍變化條件下，得到負載匹配高壓矩形波脈沖，卻要在結(jié)構(gòu)復雜性、成本價格方面付出相當大的代價。

②進一步研究細菌在脈沖電場作用下的電擊穿機理，控制細胞膜破碎的可逆和不可逆過程

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

④有效抑制高壓脈沖電場殺菌過程出現(xiàn)的有害過程。殺菌過程中的有害過程主要有兩個，其一是強電場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)；其二是電極表面長時間的積垢影響殺菌效果。

　　⑤改進殺菌室的合理性設(shè)計。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，主要有如下幾個問題有待解決[26-28]：沒有建立合理的溫度場、電場空間分布的數(shù)學模型，無法準確找出火花放電的危險點，還無法克服火花放電問題；電極設(shè)計等因素導致電場分布不均勻。

3.5  制取臭氧

　　臭氧一種強氧化性氣體，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腐蝕性和毒性，制備原料（空氣）易得等優(yōu)點。臭氧產(chǎn)生的原理是突變電場（工頻、高頻或脈沖電場）作用下氣體分子中原有少量載流子（電子和離子）從外電場中獲得能量，使其加速運動與氣體分子碰撞、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，因此這個領(lǐng)域仍吸引了許多研究者。

　　文獻[30]研制了一臺用于為臭氧反應(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。它利用一對互相垂直的旋轉(zhuǎn)球隙RSG1交替實現(xiàn)正、負直流高壓的斬波，，分別對脈沖電容CP1、CP2充電，然后通過另一對互相垂直的旋轉(zhuǎn)球隙RSG2給反應(yīng)器（負載）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、微生物、物理等多門學科的知識，是典型的學科結(jié)合交叉。至今的有關(guān)研究還不夠深入，尚需一個相當長的發(fā)展過程，尤其是在實際應(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、便捷等獨特優(yōu)點，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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