脉冲功率技术在废气处理的应用调研

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1、脉冲功率技术在废气处理的应用调研前言脉冲功率技术是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域。经过几十年的技术进步，脉冲功率在电路理论、和器件水平上都取得了巨大的进展。近年来，等离子体物理、高压技术等高新科技在发展的过程中与脉冲功率技术相互结合，开拓了很多新的应用领域：（1）在材料科学领域，可应用于等离子体浸入离子注入、脉冲电子束表面改性、电爆金属丝等；（2）在医疗和生物领域，可利用脉冲电场进行杀菌消毒、癌症治疗；（3）在光源领域，脉冲气体激光和脉冲极紫外光源都有着广阔的前景；在加

2、速器领域，高能粒子加速器的工作更是直接建立在多个高压脉冲调制器的基础之上。此外，在面对全球工业化带来的严重环境问题时，传统的污染治理方法存在着处理效率低、能耗高、二次污染等缺陷，将脉冲功率技术结合气体放电产生低温等离子体的方法有着操作简单、低耗节能、处理效率高、无二次污染等巨大优势，因此在废气处理和废水处理领域都有着广泛的应用，对环境治理的施行指出了一个新的方向。本文主要根据一篇浙江大学环境工程专业的学位论文以及一篇中国工程物理研究院环保工程研究中心的研究论文，调研了脉冲放电等离子体技术在废气处理中的实践研究。脉冲功率处理废气的机理与优

3、势八十年代初期，日本、美国等的学者提出了脉冲电晕放电等离子体技术（PulseCoronaDischargePlasma，PCDP），利用气体放电过程产生大量电子，电子能量等级在5～20eV范围内。其基本原理是：通过陡前沿、窄脉宽(纳秒级)的高压脉冲电晕放电，在常温常压下获得非平衡等离子体，而产生大量的高能电子和·O、·OH等活性粒子，对挥发性有机化合物（volatileorganiccompounds，缩写为VOCs）进行氧化、降解反应，使VOCs最终转化为无害物。与电子束照射法相比，脉冲电晕法避免了电子加速器的使用，也无须辐射屏蔽，增

4、强了技术的安全性和实用性。与直流电晕相比，脉冲电晕的优势主要体现在两个方面：（1）直流电晕放电在稍高的电压下容易过渡到火花放电，而脉冲电晕放电则可在高峰值脉冲电压下操作，产生的活性粒子浓度比前者高出了几个数量级；（2）采用ns脉冲高压电源供能，电子可被加速成为高能电子，而离子由于质量远大于电子，其加速相对来说可忽略不计，因此避免了直流电晕放电时加速离子产生的能量损耗。应用于废气处理的脉冲电源装置在浙大的学位论文的实验中，采用的是Blumlein脉冲形成网络（BPFN）型窄脉冲高压电源，避免了传统火花隙电源的开关噪声及脉冲重复频率的不稳定

5、性，缩短了脉冲电压在反应器上的衰减时间，利于实现大功率化，提高了整套设备的安全性。电路简图如图一所示：图一窄脉冲高压电源该电路的基本原理是：交流输入1供电给直流高压电源2，经滤波电容3、电感4、硅堆5，为BPFN8谐振充电；通过闸流管7放电，在脉冲变压器10的初级线圈形成负脉冲高压，经脉冲变压器升压并进行极性转换后，正高压加到等离子体反应器11上。其最大输出功率为1kW，最高脉冲电压峰值为100kV。以图一中的11、12为高压探头和电流探头的取样点，测得等离子体反应器上的典型电压、电流波形如图二所示。图二典型电压、电流波形从图二可以看出

6、，脉冲电压峰值为62kV，上升前沿225ns，脉宽467ns，脉冲电流峰值105A。电参数对于废气降解率的影响1、峰值电压图三峰值电压对单一和混合条件下C2H5SH、H2S去除率的影响由图三可以看出，恶臭气体C2H5SH、H2S的去除率随着峰值电压的增大而增大，主要原因在于峰值电压的增加可以使电晕放电产生的高能电子、自由基等活性粒子都迅速增加，也就越容易断开气体分子的化学键，从而提高去除率。2、重复频率图四重复频率对混合条件下C2H5SH、H2S去除率的影响图四显示适当提高重复频率可在较低的峰值电压下达到相同的去除率，原因也在于重复频率

7、的增大导致功率增大，产生的活性粒子增多。但是频率变化会带来热效应的问题，所谓的热效应问题指的是电源频率（峰值电压）越高，气体在反应器内的温升也越明显，导致部分离子在强电场下被加速获得动能，从而使电能的利用率降低，不利于恶臭废气的搞笑降解。定义热效应θ为：θ=q/p*100%q=(1000/3600)*cp*M*(t2-t1)式中：q——注入反应器的电能所转化成的热能（W）；cp——气体的比热容，取为1.01kJ/(kg*K)；M——气体质量流量（kg/h）；t1、t2——进、出气口气体温度。图五显示了不同重复频率下C2H5SH、H2S降

8、解时的热效应，可看出在频率和峰值电压较高时，反应器内的热效应体现得更为明显，这不利于NH3与一系列酸性物质之间飞反应，从而影响气体的降解率。选择合适的峰值电压和电源频率对于废气降解的效率来说十分重要。图五不