基于氫閘流管的高壓脈沖放電VOCs凈化裝置設(shè)計(jì)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃嘉琪 鄧曉婿 胡 波 應(yīng)宜辰 陳文光

基于氫閘流管的高壓脈沖放電VOCs凈化裝置設(shè)計(jì)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃嘉琪 鄧曉婿 胡 波 應(yīng)宜辰 陳文光

PM2.5是空氣污染的主要來源之一，而VOCs對(duì)PM2.5濃度的影響非常大，受到VOCs污染的大氣在排放前必須凈化處理。本文基于氫閘流管設(shè)計(jì)了一種高壓脈沖VOCs凈化裝置。從主電路的原理、氫閘流管的觸發(fā)電路、放電室的結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的說明。該脈沖電源的幅值大小在28kV以內(nèi)調(diào)，占空比在0.1%-90%可調(diào)，重復(fù)頻率1Hz-1kHz可調(diào)，放電效率最高可達(dá)90%以上。

PM2.5；高壓脈沖放電；氫閘流管

0 引言

大氣是人類生存的自然環(huán)境的必要環(huán)境，也是人類生存，發(fā)展的基礎(chǔ)物質(zhì)。2012年2月29日國(guó)務(wù)院通過新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，首次將PM2.5納入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)源是環(huán)境空氣 VOCs 主要貢獻(xiàn)源之一[1]。工業(yè)廢氣中VOCs的凈化方法主要有冷凝法、吸收法以及吸附法、燃燒法、生物凈化技術(shù)法以及等離子體處理法[2]。其中等離子體處理法是目前處理廢氣較先進(jìn)的方法，高壓脈沖放電技術(shù)是等離子體處理法的一種新發(fā)展的廢氣治理技術(shù)之一，其具有能耗低，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，已得到廣泛研究[3]。本項(xiàng)目就是利用高壓脈沖放電技術(shù)對(duì)工業(yè)廢氣中的VOCs進(jìn)行處理，可適用于脫硫、脫氮、除塵、去除有機(jī)廢氣等，最后達(dá)到凈化工業(yè)廢氣的目的。

本文提出一種基于高壓脈沖放電技術(shù)凈化VOCs的裝置，其原理是用前沿陡峭、脈寬窄（納秒級(jí)）的脈沖高壓電源對(duì)VOCs放電，產(chǎn)生低溫等離子體。低溫等離子體中存在很多電子、離子、活性基和激發(fā)態(tài)分子鄧有極高化學(xué)活性的粒子，使很多需要很高活化能的化學(xué)反應(yīng)能夠發(fā)生，使常規(guī)方法難以去除的污染物得以轉(zhuǎn)化或分解[4]。整個(gè)設(shè)計(jì)包括主電路的系統(tǒng)、氫閘流管觸發(fā)電路、放電室等，并對(duì)脈沖發(fā)生器進(jìn)行PSPICE仿真，驗(yàn)證脈沖電源的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本設(shè)計(jì)提出采用基于氫閘流管的高壓脈沖發(fā)生器和氫閘流管柵極控制器產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)對(duì)VOCs放電的技術(shù)，從而達(dá)到VOCs凈化的目的。裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖

2 脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2.1 主電路

（1）高壓脈沖發(fā)生器主電路圖（如圖2所示）

圖2 高壓脈沖發(fā)生器主電路

圖2 中220V交流市電電壓經(jīng)工頻變壓器升壓和整流器整流后得到的脈動(dòng)高壓直流。C1為儲(chǔ)能電容，其電容容量比較大，起儲(chǔ)能、濾波的作用，所以輸入電壓基本可以視為一個(gè)幅值穩(wěn)定的高壓直流E。L為磁開關(guān)，防止氫閘流管導(dǎo)通時(shí)整流之后的電源直接對(duì)公共地短路。R1為L(zhǎng)的復(fù)位電阻，C2為中間儲(chǔ)能電容。D2、R2為C2提供充電回路，R2阻值較小，D2同時(shí)承擔(dān)C2放電時(shí)的阻斷隔離作用。Dr和Rr起減小氫閘流管關(guān)斷時(shí)因回路的寄生電感、電容而產(chǎn)生的反向電壓的作用。氫閘流管當(dāng)開關(guān)使用，當(dāng)氫閘管柵極G有控制電壓時(shí)，氫閘流管的陰極K及陽極A因等離子體弧而導(dǎo)通[5-7]。

起初，氫閘流管關(guān)斷，A、K之間處于絕緣狀態(tài)，高壓直流通過D、L、D2、R2向C2充電。當(dāng)C2充滿時(shí)，控制氫閘流管導(dǎo)通讓C2能量釋放，由于復(fù)位電阻R1在L飽和時(shí)對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，使電感量增大，相當(dāng)于氫閘流管導(dǎo)通時(shí)磁開關(guān)斷開，此時(shí)輸入電源不會(huì)被直接短路。C2上儲(chǔ)存的能量經(jīng)氫閘流管向放電室放電，瞬間產(chǎn)生負(fù)極性類似矩形方波的脈沖。如此反復(fù)，得到系列序高壓脈沖。脈沖發(fā)生器的充電回路和放電回路如圖3和圖4所示。

（2）濾波電容C1

（3）磁開關(guān)L的選擇[5][7]

由于磁路原件的電感量與其磁導(dǎo)率成正比，磁開關(guān)具有兩個(gè)電感量，磁開關(guān)技術(shù)就是利用了鐵磁材料飽和時(shí)磁導(dǎo)率μS（電感量LS）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未飽和時(shí)磁導(dǎo)率μr（電感量Lr）的特性，所以鐵磁材料不飽和時(shí)，磁開關(guān)相當(dāng)于開路。磁開關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)伏秒積，當(dāng)磁芯材料、大小、線圈匝數(shù)確定后，伏秒積為常數(shù)，其定義為：

（4）脈沖儲(chǔ)能電容C2

翁明[8]等人推導(dǎo)出了較能吻合實(shí)際的脈沖幅值、儲(chǔ)能電容大小、氣壓和電擊距離之間關(guān)系的解析式為：

其中，Uh為脈沖幅值，R為負(fù)載電阻（約為50歐），C為儲(chǔ)能電容大小，p為氣壓（約為1atm），a為火花常數(shù)（a與氣體種類有關(guān)，文獻(xiàn)8所選a=1.4atm?cm2V-2s-1），f為只與氣體有關(guān)的常數(shù)（選f=1.9×104Vcm-1atm-1）?？伤愕茫篊2≈7nF。

2.2 氫閘流管觸發(fā)電路

（1）氫閘流管的觸發(fā)電路為基于N溝道MOS管IRFP460和脈沖變壓器的脈沖電源其主電路圖如圖4所示：

圖4 氫閘流管觸發(fā)電路

觸發(fā)電路的輸入為220V交流市電電壓，途中保險(xiǎn)絲F1和熱敏電阻R1一起對(duì)電路起保護(hù)作用。經(jīng)整流橋BG1和濾波電容C1、C2整流濾波為311V穩(wěn)壓直流。電阻R為限流電阻，D8為MOS管IRFP460的續(xù)流二極管，C3為中間儲(chǔ)能電容，T1為脈沖變壓器。當(dāng)MOS管柵極為低電平時(shí)，MOS管關(guān)斷，電路經(jīng)限流電阻R和變壓器原邊線圈為C3充電；MOS管柵極為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，C3通過MOS管對(duì)變壓器原邊線圈放電。經(jīng)變壓器隔離升壓，從而控制氫閘流管的導(dǎo)通和關(guān)斷。變壓器的副邊線圈串聯(lián)4個(gè)串聯(lián)的陶瓷放電管，防止電壓過高損壞氫閘流管。

（2）氫閘流管。氫閘流管選擇型號(hào)GL1551B陶瓷外殼的充氘四極閘流管，如圖5所示。它具有低時(shí)間跳動(dòng)、低陽極著火延遲時(shí)間、低陽極著火延遲時(shí)間漂移和高陽極脈沖電流上升速率等特點(diǎn)。其峰值正向陽極電壓為33kV，柵極脈沖電壓為500V-1000V。

圖5 氫閘流管實(shí)物圖

（3）脈沖變壓器T1。該脈沖變壓器二次側(cè)對(duì)氫閘流管柵極放電，因此對(duì)脈沖上升沿和下降沿寬度要求較高，要求變壓器的磁化電感足夠大。另外，脈沖變壓器設(shè)計(jì)在觸發(fā)電路中，所以要求體積較小。為符合設(shè)計(jì)要求，脈沖變壓器的輸入電壓為311V，輸出為1000V，上升沿和下降沿均為500ns。 根據(jù)要求，應(yīng)選高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度及溫度穩(wěn)定性較好的磁性材料，選擇鐵氧體MXD-2000為磁芯材料（磁導(dǎo)率為1250，飽和磁通密度為0.4T，剩余磁通密度為0.12T）、罐型（GU型）鐵芯GU42×26（有效截面積為251.8mm2，有效體積為45880 mm3）。罐型鐵芯的骨架和繞組幾乎全部被磁芯和繞組包裹起來，使其對(duì)EMI的屏蔽效果非常好[9]。

圖6 放電室結(jié)構(gòu)圖

圖7 仿真原理圖

圖8 各點(diǎn)電壓仿真波形（輸出1kHz）

3 放電室的設(shè)計(jì)

放電室的外殼為5節(jié)相連的透明的亞克力圓筒，選擇亞克力材料作為放電室外殼的原因是其絕緣性好，且其是透明的，便于觀察放電室內(nèi)放電情況。每個(gè)圓筒兩端有法蘭，法蘭上均勻分布6個(gè)直徑為10mm的圓孔，用于亞克力圓筒之間兩兩相接的固定。筒身上有一個(gè)直徑約10mm的圓孔，用于放入電源線。

正、負(fù)電極采用尖-板結(jié)構(gòu)，尖-板結(jié)構(gòu)可降低氣體的擊穿電壓有利于產(chǎn)生等離子體。正、負(fù)電極均為均勻分布圓孔的圓形紫銅板。正電極平面上均勻分布垂直于板面的針柱。

正、負(fù)電極與亞克力圓筒之間用四氟乙烯圓筒固定，四氟乙烯絕緣性高、柔韌性好，放在亞克力外殼和電極之間可方便正負(fù)電極位置的調(diào)整。整個(gè)放電室的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖9 各點(diǎn)電壓仿真波形（占空比0.1%）

圖10 仿真原理圖

圖11 觸發(fā)電路仿真波形（1kHz）

4 PSPICE仿真分析

4.1 主電路仿真

用PSPICE繪制原理圖并仿真，原理圖如圖7所示。仿真中用開關(guān)S代替次開關(guān)L，電壓控制型開關(guān)S1代替氫閘流管。

（1）變壓器輸出20kV，頻率為1kHz時(shí)的仿真圖如圖8所示。分析圖8(d)，可見脈沖周期為1ms（頻率為1kHz），脈沖幅值為28kV。符合理論分析值。

（2）輸出幅值為28kV，頻率為1kHz時(shí)，占空比為0.1%時(shí)如圖9所示。分析圖9(d)，可見脈沖寬度為1ms（占空比為0.1%），符合理論分析值。

4.2 觸發(fā)電路電路仿真

原理圖如圖10所示，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)電壓控制，驅(qū)動(dòng)電壓頻率為1kHz時(shí)，觸發(fā)電路各點(diǎn)波形如圖11所示。分析圖11(c)，脈沖周期為1ms，即頻率為1kHz，驅(qū)動(dòng)電壓約為900V。符合理論分析值。

5 總結(jié)

本文介紹了一種基于高壓脈沖放電凈化VOCs裝置的脈沖發(fā)生器和放電室的設(shè)計(jì)方案，且脈沖發(fā)生的方案通過PSPICE仿真得到了驗(yàn)證。

（1）高壓脈沖發(fā)生器輸出的高壓脈沖具備的優(yōu)點(diǎn)

A.脈沖幅值在10kV-28kV可調(diào)；

B.頻率在1Hz-1kHz可調(diào)；

C.占空比在0.1%-90%可調(diào)。

（2）放電室具備的優(yōu)點(diǎn)

A.透明的亞克力外殼有利于實(shí)驗(yàn)的觀察；

B.正電極的針柱型設(shè)計(jì)，尖-板放電有利于氣體的擊穿；

C.用四氟乙烯在外殼和電極間固定之間，可方便調(diào)整兩電極間距離；

D.放電室兩端開口設(shè)計(jì)，方便投入催化劑和通入VOCs。

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Design of a high voltage pulse discharge device for purifying VOCs based hydrogen thyratron

HUANG Jiaqi，Deng Xiaoxu，Hu Bo，Ying Yichen，Chen Wenguang

（College of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan，421001，China）

PM2.5 is one of the major sources of air pollution，and VOCs have a great inf l uence on the concentration of PM2.5.This design is to design a device for purifying VOCs based high voltage pulse discharge technology，which achieved high eff i ciency，adjust easily，convenient regulation，extensive application，convenient material addition of discharge chamber and no secondary pollution.The core of high voltage pulse power supply is hydrogen thyratron，the discharge chamber’s shell made of acrylic material，which help material addition and observation.The amplitude is adjustable，and it can be up to 28kV，duty cycle is adjustable from 0.1% to 90%，repetition frequency is adjustable from 1Hz to 1kHz，its eff i ciency can be up to 90%.

high voltage pulse discharge；hydrogen thyratron；pulse discharge chamber

黃嘉琪（1994—），女，廣東東莞人，大學(xué)本科，

陳文光（1968—），男，湖南茶陵人，博士，教授，長(zhǎng)期從事電力電子、特種電源技術(shù)等方面的研究工作。

湖南省科技廳項(xiàng)目（2015GK3124）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（201510555001）。