脉冲电源在环境工程领域应用综述

来源：未知　浏览次数：日期：2018-10-19 20:41

1 引言　　众所周知，随着环境污染的日趋严重，环境治理与保护已成为不容忽视的全球性问题。令人值得关注的是，脉冲电源技术最近几十年在环境治理和保护领域中蓬勃发展，显示出了广阔的应用前景。因此脉冲电源技术在环境工程领域的应用自然地成为国内外学术界的研究热点。　　　　　　　　　　本文在总结有关研究成果的基础上，首先简单介绍了脉冲电源的基本的工作原理和主要发展方向，最后论述了脉冲电源在净化工业废气和污水、静电除尘、杀菌消毒、臭氧制取等环境工程领域的应用情况，其中重点论述了脉冲电源的研究现状。本文的工作带有学科交叉性，它对于如何将电工技术和环境工程技术相互结合，如何发展脉冲功率技术在环境治理和保护各个领域中应用具有指导意义。2 脉冲电源技术概述　　脉冲脉冲电源技术的基本工作原理如图1所示：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；然后向中间储能和脉冲成形系统充电（或流入能量），能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等某些复杂过程之后，最后快速放电给负载。脉冲电源的主要研究方向为：①提高脉冲重复频率。通过提高脉冲的重复频率，不仅提高脉冲电源的平均功率，而且减小电源的体积和降低造价。②提高电源效率，降低电源自身能耗。③提高电源系统的可靠性，脉冲放电产热和高频电磁干扰对系统可靠性造成严重的影响。3 脉冲电源在环境工程领域的应用 3.1 脉冲电晕等离子体法净化工业废气图2 脉冲变压器式电源原理脉冲电晕等离子体法净化废气是近十年发展起来的新技术，是目前国内外环境治理新技术的研究热点。masuda将此课题命名为“纳秒级高压脉冲电晕放电产生等离子体化学技术”（ppcp）[1]。其机理是利用前沿陡峭、窄脉宽（纳秒级）的高压脉冲电晕放电，在常温下获得非平衡等离子体，即产生大量的高能电子和o、oh等活性粒子，对工业废气中的有害气体分子进行氧化、降解等反应，使污染物最终转化为低毒或无毒物质。从国内外现有的研究资料看，可利用ppcp净化的废气有：so2、nox、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、已醇等。其中脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术具有很强的应用前景，是国内外普遍关注的热点，美国、日本、荷兰、俄罗斯、意大利等国积极开展研究，国内曾将该研究列为“九五”攻关项目。脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术的主要研究热点是高压窄脉冲电源的研制、反应器结构优化、脱硫脱氮等离子体化学反应机理及添加剂的选取等[2-4]。下面就脉冲电源的研制情况作重点论述。图3 空心变压器式脉冲电源原理 ns级脉冲电源主要可分为三类：脉冲变压器式电源、空心变压器（tesla）谐振充电式电源和磁压缩式电源[5]。图2是一般的脉冲变压器式电源简单原理图，直流高压电源dc通过电感l和变压器t对电容c谐振充电，充电到峰值后接通开关s，电容c放电形成脉冲。脉冲变压器式电源技术较为成熟，但采用了变压器铁芯材料使脉冲前沿受限制，无法得到快速上升的脉冲。图3为典型的空心变压器（tesla）谐振充电式电源原理图，c1、l1和c2、l2构成双谐振回路，c3、s3用于压缩脉宽。空心变压器式电源可以得快速上升的脉冲，但由于受脉冲形成大电流开关（常用的如火花间隙、赝火开关和电晕稳定开关等）的限制，使用寿命短。脉冲磁压缩技术是一种先进的技术，它采用坡莫合金、金属玻璃等磁性材料作铁芯。这种技术的特点是可能得到大功率、快上升、高频的窄脉冲[6]。缺点是在高频、快上升脉冲系统中，对磁性开关材料选择比较苛刻，技术不是很成熟。美国的llnl在这方面做了很多研究。图4 高压脉冲电源原理文献[7]提出的脉冲电源，其原理如图4所示。其工作过程为：首先由直流高压电源给电容c1充电，充电到峰值后闸流管s1导通，c1给c2充电。c2充电完后断开s1，开通s2，c2通过升压脉冲变压器给脉冲形成线（pfl）放电，pfl的电压达到峰值后，磁开关sm饱和开通，pfl输出高脉冲电压到负载上。该电源的关键是动态负载下磁开关sm的设计。该电源将脉冲变压器技术和磁压缩开关技术相结合，技术较为成熟，可得到ns级脉冲，其不足之处是输出电压变化范围较小。　　由上述可知，ns级脉冲脉冲电源有不同的设计方法，各种方法各有其优缺点。目前ns级脉冲电源的设计难点主要是：脉冲电源和反应器负载的有效匹配问题[8]；电源的寿命短，可靠性设计有待提高；效率低、能耗高。上述电源问题是严重限制了脉冲脱硫脱氮技术广泛地走向工业化。3.2 高压脉冲放电废水处理[9] 　　由于高电压技术易于实现高能化，近年来将高电压技术用于处理难处理工业污水的研究已引起了国内外研究者们的极大的兴趣。

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