CN102211797A

CN102211797A - 高压脉冲放电等离子体水处理装置及其高频高压电源

Info

Publication number: CN102211797A
Application number: CN2010101381337A
Authority: CN
Inventors: 邵乐冲; 吴军
Original assignee: SHANGHAI JINGYUAN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI JINGYUAN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明公开了一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极固定设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。本发明能够有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物，处理成本低廉，尤其是针对水中高浓度有机物的去除效果明显。本发明在进行污水处理时，不需要添加化学试剂，处理过程简单，无废弃物和二次污染，同时容易实现自动化控制，在提高水处理效率的同时，极大地减少了能耗。本发明还公开了一种用于高压脉冲放电等离子体水处理装置的高频高压电源。

Description

高压脉冲放电等离子体水处理装置及其高频高压电源

技术领域

本发明涉及一种污水处理设备，具体涉及一种高压脉冲放电等离子体水处理装置。本发明还涉及一种用于高压脉冲放电等离子体水处理装置的高频高压电源。

背景技术

现有的利用放电等离子体对污水进行处理或对饮用水进行消毒杀菌处理的方法和技术中，大多数是采用先在气体中放电产生等离子体，然后将含有臭氧等的气体充入水中的方法。由于放电气体中大部分活性粒子的寿命很短，其氧化作用无法得到充分利用；另外，这些方法中，放电电压不是加在水上，高电压对水中杂质的活化、极化和中性化作用并不产生很大影响，从而导致了这些方法水处理效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，它可以有效去除水中的高浓度有机物。

为解决上述技术问题，本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置的技术解决方案为：

包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极固定设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。

所述高压电极包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线该端外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线的另一端连接所述高频高压电源；高压线与高电导率溶液构成高压电位。

本发明还提供一种用于高压脉冲放电等离子体水处理装置的高频高压电源，其技术解决方案为：

包括晶闸管可控整流电路、全桥方波逆变电路、高频升压变压器；三相交流电接入晶闸管可控整流电路，晶闸管可控整流电路通过直流母线电容连接全桥方波逆变电路，全桥方波逆变电路的输出接高频升压变压器，高频升压变压器连接负载。还包括控制电路和检测保护显示电路。

所述晶闸管可控整流电路包括相互并联的三条支路，每条支路上串联有多个晶闸管T、交流保险管F、交流接触器RELAY、工频电感L，每个晶闸管T分别并联电阻R、电容C。

所述全桥方波逆变电路包括多个功率半导体开关器件Q，每两个功率半导体开关器件串联形成一个支路后与其它串联支路并联；每个功率半导体开关器件Q分别并联缓冲电容Cs。

所述功率半导体开关器件是绝缘栅双极型晶体管。

所述直流母线电容包括多个电容，每两个电容并联形成一个支路后与其它并联支路串联；每个并联支路上分别并联有电压平衡电阻。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明采用介质阻挡放电形式，利用高频电压电源产生脉冲电压，经变压器谐振产生高压后，对污水负载进行放电，介质阻挡放电布满了整个反应器的空间，放电产生的等离子体由于高温、高压以及富含大量的离子、OH自由基等粒子，使在等离子体通道内的有机物分子会被高温完全热解，并且在自由基的作用下发生高级氧化而化学降解。同时，由于高温、高压等离子体通道的产生，在强烈的紫外光及巨大的冲击波作用下，等离子体通道区域及其外部的溶液中发生几种物理化学过程，即：紫外光光解、液电空化降解、超临界水氧化降解等过程。在这些过程和反应的协同作用下，有机物被降解，从而达到有效分解处理高浓度有机物废水的目的。

本发明能够有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物，处理成本低廉，尤其是针对水中高浓度有机物的去除效果明显。

本发明在进行污水处理时，不需要添加化学试剂，处理过程简单，无废弃物和二次污染，同时容易实现自动化控制，在提高水处理效率的同时，极大地减少了能耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置的结构示意图；

图2是本发明的高频高压电源的主电路拓扑；

图3是介质阻挡放电负载等效模型的示意图。

图中附图标记说明：

1为高频高压电源， 2为反应器，

3为高压电极， 4为放电介质，

5为地电极， T、T1～T6为晶闸管，

R、R1～R6为电阻， C、C1～C6为电容，

F、F1～F3为交流保险管， RELAY为交流接触器，

L、L1～L3为工频电感， Cs为缓冲电容，

Q、Q1～Q4为功率半导体开关器件，R8、R9为电压平衡电阻，

E1～E4为直流母线电容。

具体实施方式

如图1所示，本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置，包括高频高压电源1、反应器2、高压电极3、放电介质4、地电极5；

放电介质4设置于反应器2的底部；放电介质4的面积比反应器2的横截面积略大。放电介质4的厚度为2～8mm。放电介质4为硅橡胶。

地电极5设置于放电介质4的底部；地电极5的面积略大于放电介质4的面积；地电极5用于承载反应器2，同时地电极5需要保证可靠接地，与大地同电位。地电极5为铁板。

反应器2内盛装待处理污水，反应器2为圆柱形。反应器2用于污水存储，同时在反应器2内进行介质阻挡放电反应，使污水在反应器2中被处理。

反应器2设有进出水口，进出水口所在的管道上分别设有阀门，通过控制进出水管道上的阀门，可以得到所需的流速和流量。反应过程中利用进水和出水的流速以及流量控制，维持放电过程中的液位恒定。针对不同性质的污水，可采用不同的流速。

进水口设置于反应器2的下部，反应器2的进水口连接污水存储罐下部的出水口，污水存储罐的液面高于反应器的最高液面，反应过程中保持污水存储罐的液面恒定。

出水口设置于反应器2的上部，当反应器2内的液位高于出水口的最低点时，反应器2内的污水将通过出水口流出。反应器2设有多个出水口，并使出水管的直径较大，以保证反应器2的出水流速流量，通过自然溢流的方法，使反应器2的液位恒定在出水口的最低点附近。

高压电极3连接高频高压电源1；高压电极3固定设置于反应器2内，以保证安全。

高压电极3包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液(如NaCl溶液)，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线的另一端连接高频高压电源1；高压线外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线与高电导率溶液构成高压电位。

玻璃容器呈锥形，玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径；玻璃容器的底部为平面且置于反应器2内的待处理污水液面以下；整个玻璃容器置于反应器2内。由于玻璃容器的底面浸没于反应器2内的污水液面以下，玻璃容器的底部边缘与污水液面之间存在气隙。

由于玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径，当被处理污水的液面高于玻璃容器的底部并低于玻璃容器中间位置的最大直径处，该气隙总是存在。

本发明反应器2下部的进水口与污水存储罐连通，污水存储罐内的污水在水的压力下自动流入反应器2内，由于污水存储罐的液面恒定，故水压恒定，因而进水最大流速恒定，通过调节进水管道的阀门，可以控制进水流速。

高频高压电源1为高频高压脉冲等离子体电源，用于产生0～20kV的高压交流电，其输出频率通过锁相环实现对负载谐振频率的闭环跟踪。

高频高压电源1采用如图2所示的电源主电路拓扑。高频高压电源1包括晶闸管可控整流电路、全桥方波逆变电路、高频升压变压器，三相交流电接入晶闸管可控整流电路，晶闸管可控整流电路通过直流母线电容连接全桥方波逆变电路，全桥方波逆变电路的输出通过高频升压变压器连接负载。

晶闸管可控整流电路包括相互并联的三条支路，每条支路上串联有多个晶闸管T，每个晶闸管T分别并联电阻R、电容C；每条支路上串联有交流保险管F、交流接触器RELAY、工频电感L；

如图2所示，6个晶闸管T1～T6，晶闸管T1并联电阻R1、电容C1，晶闸管T2并联电阻R2、电容C2，以此类推。晶闸管T1与T4串联为第一支路A，该支路A上串联交流保险管F1、交流接触器RELAY、工频电感L1；晶闸管T2与T5串联为第三支路C，该支路C上串联交流保险管F3、交流接触器RELAY、工频电感L3；晶闸管T3与T6串联为第二支路B，该支路B上串联交流保险管F2、交流接触器RELAY、工频电感L2。

全桥方波逆变电路包括多个功率半导体开关器件Q，每个功率半导体开关器件Q分别并联缓冲电容Cs；

如图2所示，4个功率半导体开关器件Q1～Q4，Q1与Q2串联后与Q3、Q4的串联支路并联；每个功率半导体开关器件分别并联一个缓冲电容Cs；缓冲电容Cs用于改善开关性能；

功率半导体开关器件Q可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

直流母线电容E1～E4，E1与E3的并联支路与E2与E4的并联支路串联，两个并联支路上各并联有一个电压平衡电阻R8、R9。电压平衡电阻用于平衡电容E1和E2以及电容E3和E4间的电压。

高频高压电源1的工作原理是：

三相交流电经过晶闸管可控整流电路中T1～T6的整流，再通过直流母线电容E1～E4的滤波，变换为直流(直流母线电容E1～E4的电压值由T1～T6的导通角确定)后，输入由功率半导体开关器件Q1～Q4组成的全桥方波逆变电路，全桥方波逆变电路输出高频方波，方波幅值由直流母线电容E1～E4的电压确定，所输出的高频方波最后经过高频升压变压器的升压后提供给放电负载。

高频高压电源1中可设置控制电路，用于产生T1～T6以及Q1～Q4的门极控制信号，经驱动电路之后，控制了T1～T6以及Q1～Q4的开通和关断。

高频高压电源1中还可设置检测保护显示电路，以保证了电源***的完整性、可靠性和易用性。

由于直接采用变压器升压得到放电所需的高压将增加变压器设计的难度，并且存在寄生谐振问题。而介质阻挡放电负载是非线性变化的容性负载，工作时会有很大的无功反馈回电源侧，电源的工作效率较低。由于负载的非线性变化，增加负载匹配电路是比较困难的。在变压器的原边进行负载匹配同样会引入寄生谐振的问题，高压侧的负载匹配，要采用高耐压的电容。由于降低高频高压变压器的漏感是比较困难的，因此，本发明直接采用高频升压变压器的漏感和容性的放电负载串联谐振，来产生放电所需的高压。这样既克服了直接变压器升压存在寄生谐振的问题，又无需负载匹配电路，就可以得到较高的功率因数。

本发明的高频高压电源1采用锁相环电路(PLL)，用于对负载的谐振频率进行跟踪，以确保电路始终工作在准谐振状态。当被处理的污水液面上下波动，或者污水的电导率、pH值等发生变化，从而造成放电反应器的等效负载在一定范围变化，此时，电源输出频率能对负载的谐振频率进行闭环跟踪，保证电路工作在准谐振状态，从而使放电反应能持续进行。这样，对不同性质的污水，对于水的循环流动造成的液面波动等情况，都能稳定的进行放电。

本发明高压脉冲放电等离子体水处理方法如下：

打开反应器2的进水阀，使污水存储罐内的水通过进水口流入反应器2；当反应器2内的污水流速稳定、液面保持恒定时，打开高频高压电源1，高压迅速在高压电极3与地电极5之间建立；

当高压电极3的玻璃容器与污水液面之间的气隙上的高频电压达到放电起始电压(一般为6000V左右)时，气隙中的电子从电场中获得足够的能量，通过碰撞使周围的原子和分子电离，气隙中的气体被击穿。由于绝缘的放电介质4的存在，限制了放电电流的自由增长，因此也阻止了电极间火花和弧光的形成，气隙中发生介质阻挡放电；

在放电期间气隙上的电压近似保持恒定，为放电维持电压U_T。这时，高压等离子体污水处理电源负载等效模型可以由多个非线性变化的电容电路并联来等效。如图3所示，其中，Cg和Rg为气隙等效电容和电阻，Cd为介质等效电容，Ls为高频高压变压器的漏感，C_A为测量电容。其中负载等效电路的参数无法进行直接测量，但可以利用利萨如图形进行估算。

本发明在放电过程中，气隙上的电压近似保持在放电维持电压U_T，因而，整个放电过程放电电压能保持基本稳定，在污水流动的实际处理场合，也可以长时间不间断的稳定工作。针对不同污水，配置不同的介质，放电电压在7～20kV间某个电压值就能开始出现介质阻挡放电现象。在高压电极与被处理污水的界面，能看到明显的放电现象，肉眼能观察到显著的紫色放电区域，且有大量的臭氧产生。在整个放电过程中，仅有连续的细微的放电声响。整个过程安全、稳定、可靠。

本发明用于处理含高浓度有机物的废水。

Claims

1.一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极固定设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。

2.根据权利要求1所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述高压电极包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线该端外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线的另一端连接所述高频高压电源；高压线与高电导率溶液构成高压电位。

3.一种用于权利要求1所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置的高频高压电源，其特征在于：包括晶闸管可控整流电路、全桥方波逆变电路、高频升压变压器；三相交流电接入晶闸管可控整流电路，晶闸管可控整流电路通过直流母线电容连接全桥方波逆变电路，全桥方波逆变电路的输出接高频升压变压器，高频升压变压器连接负载。

4.根据权利要求3所述的高频高压电源，其特征在于：所述晶闸管可控整流电路包括相互并联的三条支路，每条支路上串联有多个晶闸管、交流保险管、交流接触器、工频电感，每个晶闸管分别并联电阻、电容。

5.根据权利要求3所述的高频高压电源，其特征在于：所述全桥方波逆变电路包括多个功率半导体开关器件，每两个功率半导体开关器件串联形成一个支路后与其它串联支路并联；每个功率半导体开关器件分别并联缓冲电容。

6.根据权利要求5所述的高频高压电源，其特征在于：所述功率半导体开关器件是绝缘栅双极型晶体管。

7.根据权利要求3所述的高频高压电源，其特征在于：所述直流母线电容包括多个电容，每两个电容并联形成一个支路后与其它并联支路串联；每个并联支路上分别并联有电压平衡电阻。

8.根据权利要求3所述的高频高压电源，其特征在于：还包括控制电路。

9.根据权利要求3所述的高频高压电源，其特征在于：还包括检测保护显示电路。