脉冲电源在环境工程领域应用综述

现有的研究表明，脉冲电源技术在上述诸多环境工程领域具有良好的应用前景，但要走向实际应用，尚须进行更系统和深入地研究。本文的研究工作对于如何将脉冲电源技术和环境工程技术相互结合，如何发展脉冲电源在环境治理和保护领域中的应用具有指导意义。
  
  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。李劲、李胜利等[10-12]提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。高压脉冲放电废水处理的基于以下四种效应：高能电子轰击；臭氧杀菌；紫外线的光化学处理作用；放电等离子体中产生的活性自由基的作用。高压脉冲放电等离子体水处理技术使放电生产的臭氧与水直接作用，简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却、水气混合等程序，使装置小型化，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的衰减，而且充分发挥放电产生的活性粒子的净化作用。因此，与传统的臭氧净水方法相比，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的应用前景。
  
  高压脉冲放电废水处理的研究热点主要集中在高压脉冲电源的设计和等离子体生成法的优化设计。
  
  3.3  脉冲静电除尘
  
  静电除尘器以其除尘效率高、阻力低、烟气处理量大、耐温高等优点而成为粉尘回收和气体净化的的主要设备，已广泛应用于有色金属冶炼、电力、建材、石油、化工等行业[13]。
  
  传统静电除尘采用直流高压供电方式。在这种供电方式下，由于粉尘层等效电容效应会造成反电晕现象，导致除尘率下降。当采用脉冲供电时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，所以除尘器粉尘层上不会因积累电荷形成高电压而使粉尘造成反电晕。因此与常规直流电源供电的除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果更佳。此外，对于不同比电阻的粉尘，可通过调整直流基压、脉冲频率和占空比，使之达到最佳除尘效果。脉冲静电除尘是一种先进的空气净化技术，如果将之与脱硫脱氮技术相结合，采用微秒级或纳秒级的脉冲供电电源，可以实现脱硫脱氮技术与除尘技术一体化[14]。
  
  目前国内外电除尘脉冲供电电源大多采用在直流基础电压上迭加脉冲电压的设计方案，其典型电路如图5所示[14]。EP为电除尘的本体，其吸尘极接地。电晕线为线柱，通过隔离二极管VD2接电压可调的基础直 流高压电源E2的负极，其电压值通常调到接近临界电晕电压。脉冲供电电源由可调直流电压源E1，滤波限流电感L1，谐振储能电容C1，快速晶闸管VT的反馈二极管VD1，谐振电感L2组成的谐振电路构成。脉冲频率和占空比的调节可以通过控制晶闸管VT的触发脉冲来实现，脉冲宽度则由谐振回路的参数决定。上述电源设计方案需要用两台变压器构成两套电源，分别用于产生直流基压和脉冲电压，因此电源的结构和控制系统都比较复杂，价格昂贵。
  
  3.4  脉冲电场杀菌
  
  自从1967年英国发现高压直流脉冲能有效杀死营养细菌和酵母菌后，人们纷纷开展了这方面的研究。现已陆续报道高压脉冲电场对几十种与食品有关的微生物具有良好的杀菌作用，如大肠杆菌、枯草菌、短乳菌、啤酒酵母等[15]。
  
  关于脉冲电场杀菌机理国内外学者提出了许多不同的观点，主要有细胞膜穿孔效应、粘弹极形成模型、电磁效应、电解产物效应、臭氧效应等[16,17]。细胞膜穿孔效应理论认为，当液体食品流经高压脉冲电场时，液体中微生物由于细胞膜上产生电荷分离而引起穿孔，从而导致细胞死亡。粘弹极形成模型理论强调，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而剧烈振荡；二是杀菌时由于强烈的电场作用，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，冲击波强度超出细菌细胞的可塑性范围而击碎细菌。电解产物理论认为，在电场作用下，电极附近介质中的电解质发生电解产生阴阳离子，这些阴阳离子穿过细胞膜与细胞内的生命物质（如蛋白质、核糖核酸等）结合而使之变性。该理论的缺陷是难以解释PH值变化剧烈的条件下杀菌效果没有显著变化的现象[18]。臭氧效应理论认为是高压电场作用下产生的臭氧起到了杀菌作用[19]。
  
  尽管脉冲电场杀菌机理目前尚存在争议，但脉冲电场杀菌剂已经在食品杀菌、细胞生物、基因工程、生物技术工程领域引起很大的关注[20,21]。其中脉冲电场食品杀菌既能起到有效杀菌的作用，又能保持食品的新鲜和原有的色香味，是非热处理食品杀菌技术中目前效果最好、最有应用前景的技术，该技术在美国正走向商业化。
  
  文献[22]提出一种用于食品杀菌的脉冲电源设计方案，其电路原理如图6所示，其中高压开关可使用火花隙开关、晶闸管SCR、机械旋转开关等。三个电容C和三个电感L构成了一个脉冲成形网络（Pulse forming Network，简称PFN）。当处理室和PFN之间实现电阻匹配时，即可获得方波输出。处理室获得的电压输出幅值是电容C上的充电幅值的一半。当电路中再增加一级PFN时，处理室获得的电压输出幅值增至原来的两倍。
  
  脉冲电场处理食品技术有待解决的几个关键问题为[23-25]
  
  ①设计经济实用的高压脉冲电源。
  
  高压脉冲电源是杀菌装置的关键部件。研究表明，
  
  矩形波的杀菌效率最高，指数衰减波次之，振荡波最低[26]。但是要在负载参数宽范围变化条件下，得到负载匹配高压矩形波脉冲，却要在结构复杂性、成本价格方面付出相当大的代价。
  
  ②进一步研究细菌在脉冲电场作用下的电击穿机理，控制细胞膜破碎的可逆和不可逆过程
  
  ③建立大量的食品导电模型。杀菌所需的最小能量是有关食品电阻的一个函数，因此食品电阻是优化脉冲电源设计的一个重要的参数。
  
  ④有效抑制高压脉冲电场杀菌过程出现的有害过程。杀菌过程中的有害过程主要有两个，其一是强电场作用破坏食品中的有用成分，使食品中出现碎屑，破坏食品的品质；其二是电极表面长时间的积垢影响杀菌效果。
  
  ⑤改进杀菌室的合理性设计。目前所设的杀菌室绝大部分未能满足工业应用的要求，主要有如下几个问题有待解决[26-28]：没有建立合理的温度场、电场空间分布的数学模型，无法准确找出火花放电的危险点，还无法克服火花放电问题；电极设计等因素导致电场分布不均匀。
  
  3.5  制取臭氧
  
  臭氧一种强氧化性气体，它广泛用于杀菌、氧化、漂白、除臭等[29]。与其它常用的氧化剂（如Cl2、ClO2、NaCl、KMnO4等）相比，具有无色无恶臭无强腐蚀性和毒性，制备原料（空气）易得等优点。臭氧产生的原理是突变电场（工频、高频或脉冲电场）作用下气体分子中原有少量载流子（电子和离子）从外电场中获得能量，使其加速运动与气体分子碰撞、电离，氧分子分解成氧原子并在瞬间重新结合成臭氧。
  
  目前臭氧技术的主要问题是生产效率低、能耗高。臭氧制备的理论效率为2kg/(kWh)，实际中用空气制备的效率只有理论的4~5%，约为46~58 kg/(kWh)，用纯氧制取可提高到10%。采用高压脉冲技术可以提高臭氧生产效率。目前该技术的工业生产成本尚未显著降低，因此这个领域仍吸引了许多研究者。
  
  文献[30]研制了一台用于为臭氧反应器提供双极性窄脉冲的火花隙高压开关电源，其原理见图7。它利用一对互相垂直的旋转球隙RSG1交替实现正、负直流高压的斩波，分别对脉冲电容CP1、CP2充电，然后通过另一对互相垂直的旋转球隙RSG2给反应器（负载）供电。电压脉冲前沿和宽度通过调整脉冲电容及其反应器的匹配来实现，脉冲频率为0~200Hz，由旋转球隙的转速调节。试验用的电源电压为0~±20kV。
  
  4  结束语
  
  由于利用脉冲电源治理环境污染涉及电工、环境、化学、微生物、物理等多门学科的知识，是典型的学科结合交叉。至今的有关研究还不够深入，尚需一个相当长的发展过程，尤其是在实际应用方面。但是，现有研究表明，利用脉冲电源处理环境污染具有高效、清洁、便捷等独特优点，而且能与其它污染治理技术灵活组合，加上电力工业的迅速发展，脉冲电源在环境工程的诸多领域具有广阔的应用前景，值得大力研究和推广。
  
  作者简介：
  
  李冬黎(1975-)  男，浙江大学电气工程学院在读博士研究生，主要研究领域为电力电子技术。
  
  何湘宁（1961-）  男，博士，教授，博士生导师，现为浙江大学电力电子技术研究所所长，英国电气工程师学会（IEE）Fellow和美国电气与电子工程师学会(IEEE)高级会员，主要研究领域为电力电子技术。

人生感悟：发生口角后，别关机，也别在街上和其他异性闲逛，那只能使矛盾激化。