环境工程领域的脉冲功率技术应用

环境工程领域的脉冲功率技术应用

脉冲功率技术在我国高新技术发展中有着重要的应用,同时其应用范围也在不断地扩展,在民用部门、手工业、环境保护等领域都有着广泛的应用,并随着科学技术的发展对其的应用技术也在不断成熟。随着生活水平和经济水平的上升,环境问题逐渐成为了众多人关注的焦点,对环境工程领域中的技术应用也提出了更高的要求。

一、脉冲功率技术简述

1.脉冲功率技术在我国的发展

在国际上对脉冲功率技术的研究是开始于二十世纪三十年代的,到六十年代,该技术就成为了一个独立的发展学科,之后美国、日本、俄罗斯等国家都对该技术开始了深入研究。在我国,对脉冲功率的研究是开始于二十世纪七十年代末的,我国对它的研究是开始于“高功率电子束发器的研究”,“1979年北京高能物理所建成了当时我国最大的强流脉冲电子束加速器闪光—I,应用于射线模拟源”,随之而来的是对脉冲功率技术研究的高潮,层出不穷的强流脉冲电子加速器逐渐建成,进而为我国当时高新技术的研究,如准分子激光、集体离子加速、闪光射线照相、电磁轨道炮以及高功率微波等提供了很好的研究条件。脉冲功率技术发展

(1)脉冲功率装置

通常来讲,脉冲功率的装置包括以下几个部分,如图所示:

图一:脉冲功率装置图示

(2)高功率脉冲发展方向

当前,高功率脉冲的主要发展方向有以下几方面,第一,元件储能密度还需要提高。随着电容制造技术的提高以及分子工程技术的广泛应用,为储能元件储能密度的提高提供了发展条件,同时脉冲电容器储能空间也能够得到一定提升,这就有利于缓解大体积、大重量给脉冲功率系统带来的不良影响。根据不同器件电气强度极限值不同,其要求的储能密度也是不同的。但是,无论密度要求如何,电容的储能密度要远远低于电感储能密度,所以,不仅在我国,在国际上对这种电感储能高功率脉冲电源的研究也非常重视。第二、发展重复高功率脉冲。原来我国应用多是单次的脉冲功率技术,这种技术主要是为我国国防科学研究提供服务,应用范围与社会发展的要求产生了不可避免的矛盾,所以,为了适应民用、工业以及新兴领域对脉冲功率的要求,必须要发展重复频率高且具有平均功率的脉冲功率技术。第三、高频、大功率开关技术的研究。开关元件的相关参数对脉冲功率系统的整体都存在着一定的影响,这也决定了开关元件技术是脉冲功率技术中重点技术之一。随着社会科技的发展以及应用要求的提高,同时,大功率全控型的产品器件被大量生产并且产品化,为开关技术的发展研究提供了可靠的器件基础,为此“高重复率脉冲电源转换开关和开关的串联均压技术被大量使用在脉冲电源中,并取得了较为理想的结果”。第四,脉冲电源多元化发展。脉冲功率应用范围的扩展给脉冲电源的技术标准提出了更高的要求,所以在未来的研究中要加大对脉冲电源多元化的发展,比如低成本化、小型化、多样化等。第五,脉冲功率电源

超高功率输出技术。近些年“高电压大功率多电平逆变技术”的发展为超高功率的输出技术的发展有着重要的意义。

二、环境工程领域脉冲功率技术的应用

1.脉冲功率技术在除尘中的应用

传统的除尘系统中在集尘极和放电极之间是使用直流的高压电源,这就导致了在除尘中出现了一些问题,比如,除尘的效率受到粉尘比电阻限制比较严重。在高比电阻之下,粉尘的导电率是非常小的,所以粉尘就容易在集尘极端积聚,一旦粉尘集中太多就会很多电荷无法通过集尘极释放,进而也就导致了集尘层电势升高而产生电晕,相反极离子就会被动的进入电晕场,最终会导致粉尘吸收率严重下降。而在比电阻比较小的情况下,电阻率就会比较高,负电荷和其转带的正电荷就会被大量释放入集尘极,同时因为电场力的存在,就导致了气流的进入,之后这一过程会重复进行,所以说,在这种情况下,除尘效果也不是很理想。

那么,若脉冲功率技术应用于除尘系统当中,就会解决以上的麻烦。高压脉冲所制造的电晕流能够贯穿两级之间,这样就会使得在高比电阻情况下,积尘层被击穿,能够通过电荷的释放来抑制反电晕的发生,进而提高除尘效率。除此之外,脉冲电晕能够在放点空间之内产生很多高能电子,它是一种气体成分,能够产生活性粒子,此时,除尘器除了吸尘之外还能消除粉尘携带的SO2以及有机物分子等,起到了净化空气,环境保护的作用。在相等的电压之下,应用脉冲功率技术中的高压脉冲电源,能够比直流电源的使用跟家节省能量,净化空气、节能环

保,是该技术应用的环境保护效果,这也是该技术被大量应用于环境工程领域的重要原因。

2.脉冲功率技术在废水处理中的应用

由高压脉冲电源输出的电压波形有着前沿比较陡,脉冲比较窄的特点,如果将其施加在液相内部的非平衡电极中间,很容易引起处理对象的分子发生结构性的改变,其中,质量轻的电子在获得一定的能量之后就会变成高能的自由电子,在这种高能的自由电子运动时,会与其他分子发生碰撞,也就会导致水相化学过程的发生,会产生水等活性的物质,从而能够降解污水中的各种有机物。在发生这些电化学反应过程中,因为分子被电离了,电子的跃迁会产生很多的物理效应,比如说超声波的产生、冲击波的产生等,而这些物理效应也会有力的降解有机物。

首先,电子辐射作用的产生。在废水中会有很多的分子和原子,而脉冲电源放电会导致很多等离子体产生,而这些等离子体中又含有高能电子,这些电子会与废水中的分子发生碰撞,会产生很多活性粒子,比如过氧自由基、双氧水、水合电子、水合氢离子等。其次,会产生臭氧氧化反应。臭氧是一种强氧化剂,在水中的氧化途径如公式所示: 再次,紫外光线的分解作用。在脉动电源放电过程中能够产生一些紫外光线,这些紫外光线对有害物质有分解作用。最后,能够产生超声波作用。液相的超声波能够产生很多的空化气泡,这些气泡能够裂解形成高压和局部的高温状态,这样就会产生氢自由基,同时,超声波还能够分解水中所含有的溶解氧。