脉冲电源污水处理技术.pdf 3页

'·22·Dec.2001HIGHVOLTAGEENGINEERINGVol.27No.6高压新技术应用
脉冲电源污水处理技术StudyontheWastewaterTreatmentwithPulsedPower李冬黎,何湘宁(浙江大学电气工程学院,杭州310027)摘要论述了臭氧发生法、高压脉冲放电法和脉冲电解法[1]解决问题的关键在于改善臭氧的发生方法。等脉冲电源污水处理技术的研究现状及展望,重点论述了相早期采用的固定低频(50～60Hz)和固定中频关脉冲供电电源的最新探索,指出了限制脉冲电源污水处理技术广泛应用的主要障碍是能耗大、成本高等。然而脉冲电(400～600Hz)可变电压电源已有所改进。近年来,源污水处理技术的独特优点使其有广阔的应用前景。随着电力电子技术的发展,高频电源的制作变得简AbstractThepaperintroducesthecurrentresearchsitua-单,O3发生采用高频供电技术(1～100kHz)优点众tionanddevelopmentinthefutureofwastewatertreatment多:强化臭氧合成过程;减少装置体积和重量;降低usingozone,highvoltagepulseddischargeplasmaand发生器的工作电压;发生器产率不变时可靠性和耐pulsedelectrolyse.Thelatestdevelopmentsofpulsedpower[2]appliedtowastewatertreatmentarediscussedemphatically.久性更好。研究表明,在各种脉冲波形的高频应用Themainproblemwhichrestrictstheapplicationofpulsed中供电电源采用高频快上升的方波或脉冲波形比传powertowastewatertreatmentisthatthecostofenergyis统正弦波合成臭氧效果更佳。另外,电源因放电产生high.Itisoutlinedthatpulsedpowertechnologyhaswide大量的热能,需要良好的散热工艺。andperspectiveapplicationsinthefieldofwastewatertreat-mentwithitsspecialadvantageandthedevelopmentofelec-2高压脉冲放电法水处理技术tricpowerindustry.关键词脉冲电源污水处理臭氧脉冲放电电解2.1基本原理Keywordspulsedpowerwastewatertreatmentozone易于实现高能化的高电压技术处理难处理工业pulsedischargeelectrolyse中图分类号TM832;X505文献标识码A污水已是当前研究热点之一。气水相间的混合系统[3～4]中施加高压窄脉冲可实现气体电晕放电。外加0引言电压幅值数10kV,上升时间ns级的高压脉冲时,电晕放电产生的电子温度高达几百度,而离子和中水环境质量恶化趋势使得传统水处理方法受到性气体温度接近常温。被这种非平衡等离子体包围挑战,相关污水处理技术逐渐成为研究热点。本文论的水滴同时承受4种效应:
高能电子轰击;
电晕述了臭氧发生法、高压脉冲放电法和脉冲电解法等放电产生的O3对水滴的杀菌消毒;
放电产生的脉冲电源污水处理技术的应用和发展情况。紫外线对水滴起光化学处理作用;
放电等离子体1臭氧发生法水处理技术中产生某些活性自由基(OH基等)。它们的共同作[4]用使难处理的工业污水达到快速净化的目的。臭氧(O3)是一种可溶解于污水且氧化性很强高压脉冲放电等离子体水处理技术使放电生产的气体,通过与水中污染物反应实现净化。与其它常的臭氧与水直接作用。简化了传统臭氧净水技术的用氧化剂(如Cl2,NaClO等)相比,O3具有无色、无[5]程序,使装置小型化,既避免了O3质量浓度随时恶臭、无强腐蚀性和毒性,原料(空气)价廉易得,现[6]间的衰减,又发挥了放电产生的活性粒子的净化制现用等优点,尤其是使用后无二次污染还会增大[7]作用,应用前景好。有益的区域含氧量。2.2技术关键突变电场电离空气生成活性O并与O2结合成2.2.1高压窄脉冲电源的设计O3的过程中,脉冲电源输出的电能仅7%～14%用设计脉冲电源时必须注意:
电源可靠性设计,于O3的生成,其余全为热损失。电能利用效率低、其重点是电路散热和电磁兼容设计。因为电源高频工艺成本高是臭氧法水处理技术应用的主要障碍。
国家教育部博士点基金资助(项目编号为200033526) 2001年12月高电压技术第27卷第6期·23·放电产生大量的热能和电磁干扰。
提高电源效率。2.2.2等离子体生成方法高压脉冲放电过程中非平衡等离子体的生成方法十分关键,设计原则有3个:
空间利用率尽可能大;
尽可能增大等离子体(和O3)与水的接触面图2脉冲电源示意图[4]积;
能处理连续流动的水。现常用的等离子体生3.3脉冲电解电源展望[8][4、9]成方法有:泰勒锥放电法、雾中放电法、水中气适合于电解净化污水的脉冲电源尚未成熟,设[10]泡放电法、水膜无声放电法等。其中雾中放电法计PEP及其控制系统时应注意:和水中气泡放电法可使放电产生的等离子体(和
提高电源效率O3)与水充分接触,最具应用前景。为减小电源的体积和重量,必须实现高频化。但是,高频化同时引起了功率管的开通和关断,损耗加3脉冲电解水处理技术剧。故要提高电源效率,有必要采用软开关技术。最初利用直流供电电源电解净化污水时,废水
功率因数较正处理的电能消耗和阳极损耗大,工艺成本较高,故未PEP中的二极管整流、电容滤波等引起输入电能获得广泛应用。改为脉冲电源后,电能和阳极损耗流严重畸变,结果使电网谐波污染严重而且降低开均有明显降低,极板结垢、阳极钝化,处理效果不稳关电源的功率因数。与直流供电电源相比,脉冲电源[12]定等问题上也较直流供电明显为优。的等效功率因数低,现有的“JH—YR—B”功率因数3.1基本原理仅有0.3～0.4。故电源内部最好有功率因数较正废水成分比较复杂,实际水处理过程中通常是(PFC)环节。氧化、还原、电解气浮和电凝聚协同作用。
采用模糊控制3.2脉冲电解电源的研究现状为污水的电解净化过程建立精确的数学模型是有关脉冲电解电源(PEP)的报导很少见。图1十分困难的,而模糊控制勿需建立控制对象的数学[11]所示的GTR脉冲电源设计方案为一斩波器,电模型,只需通过语言描述建立控制系统的模型,其控路采用直流电平与基准三角波比较后输出一个驱动制策略以有经验的操作者提供的事先确定的值为基信号,以控制GTR的通断将直流电源E转变为脉础。电解净水机的模糊控制原理见图3,首先根据各冲输出电源。改变直流电平的大小可调节脉冲电源类传感器测量值确定各语言变量的隶属度,然后经的脉宽;改变三角波的频率可调节脉冲电源的频率。过模糊控制器自动选择电气参数(包括脉冲频率、脉这样脉宽和脉冲频率分开调节以满足不同废水处理冲占空比、脉冲幅值)和处理时间,以最佳的净化方对脉冲电源的电气参数要求。这种PEP因使用了工案自动完成污水净化全过程。电解净水过程的模糊频变压器和扼流电感,体积和重量较大。图2的语言变量包括污水的污染程度(严重、一般、轻)、污[12]PEP系统示意图中,系统先由整流滤波获得直流水量(大、中、小)、污水性质(如印染废水、含油生活电压,再通过Buck功率变换器获得脉冲输出。反馈污水)。其核心是建立合理的模糊规则库。故须作大调节环形成的误差信号通过PWM发生器控制开关量的工艺性实验,以研究污水化效果同电气参数间管通断,使直流电压稳定在所设定的幅值上。调制信的关系。采用模糊控制方法可降低单位水处理的电号由微机控制系统发出,适时的封锁PWM开关电耗,提高污水处理过程的自动化程度。源。开关管Q断开,电源输出随电感和电容的放电而衰减到零。当封锁信号撤消时,电源又重新启动,输出电压重新建立,从而在输出端形成功率脉冲。该电源因使用了高频开关电源技术,设备高效、轻巧,适用于工业废水及含油污水的处理。图3电解净水机模糊控制原理框图
提高电源自适应性实际工程应用中,污水成分复杂多变,故有必要提高电源的自适应性,使之在不同的污水处理条件图1GTR脉冲电源示意图下自动调整,保证输出波形既能满足净化结果,又能达到节能的目的。(下转第33页) 2001年12月高电压技术第27卷第6期·33·式作业。作业人员需穿戴全套屏蔽服,应用绝缘工器接触该线路,并应保持足够的距离,只有当线路两端具进出高电位。在进入等电位后,与接地构件保持>良好接地且作业人员在工作点通过绝缘工具将便携1.2m的安全距离。杆塔构架上的地电位电工也应式短路接地线挂上后方能触及该检修回路。便携式穿全套屏蔽服,向检修线路上作业的等电位电工传接地线的安装步骤应是先将一端可靠接地,再将另递工具或配合作业时,也应通过绝缘工器具进行,并一端挂在导线上并使其接触良好,拆除程序则相反。与被检修线路应保持>1.2m的安全距离。在通过5结论绝缘杆进行检测或其它作业时,绝缘杆的最小有效绝缘长度应≥1.2m。等电位电工转移电位时人体a.500kV紧凑型同塔双回线路当一回运行另裸露部分与导线的距离应≥0.3m。以上措施可确一回检修时,若检修线路两端都没接地,在检修回路保检修作业人员的安全。上会出现高达数十千伏的工频感应电压;若线路一2)采用地电位检修方式。被检修线段两端接地端接地后,感应电压<1kV;若线路两端接地后,感时在停电检修线段上可按地电位方式作业,即作业应电压≤0.052kV。人员进出被检修线路时不需采用进出高电位的绝缘b.停电回路两端未接地时须采用等电位作业工具,也不必考虑与接地构件之间的安全距离,塔上方式,两端已接地时可采用地电位作业方式。电工与导线上电工配合作业不需限定用绝缘工器参考文献具。但是,无论是塔上电工还是导线上电工都必须穿戴全套蔽服或静电防护服(包括导电鞋),其作用为:1柏克寒.带电作业.北京:水利电力出版社,1986
对空间强电场进行屏蔽防护;
保持与导线或接(收稿日期2001-10-30)地构件的同一电位,避免受到静电电击;
当接触传胡毅1955年生,硕士,教授级高级工程师,从事输电线路及带电递绳上的金属工具时,屏蔽服可旁路静电感应电流,作业技术研究。防止“麻电”引发二次事故。在被检修线路的两端接地前,作业人员不充许(上接第23页)6北京大学化学系.简明化学手册.北京:北京出版社,19825结束语7BingSunetal.Opticalstudyofactivespeciesproducedbyapulsedsteamercoronadischargeinwater.Electro-脉冲电源水处理技术具有无需添加氧化剂、絮static,1997,39:189凝剂等化学药品,无二次污染,设备体积小,操作简8RibinsonJAetal.Anewtypeofozonegeneratorusing便,可与其它污水处理技术灵活组合等优点,随着电taylorconeonwatersurfaces.IEEETransIndustryAp-能成本的不断降低,它应用前景非常广阔。plication,1998,34(6):1281脉冲电源污水处理技术的主要缺点是能耗大,9BBoevS,YavorovskyN.Electropulsewatertreatment.工艺成本较高。故应设法降低处理单位污水能耗。该PulsedPowerConference.12thIEEEInternational,技术横跨电工、环境、化学、微生物、物理等多门学1999,1:181科,要达到实际应用水平尚需大量的深入研究。10SikneyClementJetal.Preliminaryinvestigationofprebreakdownpemnomenaandchemicalreactionsusing参考文献apulsedhigh-voltagedischargeinwater.IEEETransIndustryApplication,1987,23(2):2241葛自良,吴於人.工业臭氧发生器的技术改进.高电压11詹伯君,王化能.电解净水机GTR脉冲电源的研制.技术,1999,25(3):66电力电子技术,1995,(1):322戴建国.无声放电臭氧发生器的研究进展.电子器件,12黄纵雷.功率脉冲电源的优化设计——在电凝聚处理1997,20(3):40污水中的应用.杭州:浙江大学出版社,19973李胜利,李劲,王译文等.用高压脉冲放电等离子体处理(收稿日期2001-07-31)印染废水的研究.中国环境科学,1996,16(1):734李劲,王译文,高秋华等.放电等离子体处理技术中的放李冬黎1975年生,博士生,从事电力电子技术及其工业应用研究,电问题.高电压技术,1997,23(2):7电话:(0571)87952416。5孙明,赵小明,许德玄.水放电极雾化净水技术.高电压何湘宁1961年生,博士,教授、博导,IEE会士、IEEE高级会员,从技术,2000,26(4):36事电力电子技术及其工业应用研究。'