電力電子與電力傳動研究生畢業(yè)論文

1、電力電子與電力傳動研究生畢業(yè)論文題目 流光放電等離子體煙氣脫硫反應器、電源及其匹配問題研究專 業(yè)：電力電子與電力傳動流光放電等離子體煙氣脫硫反應器、電源及其匹配問題研究摘 要燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要根源。脈沖電暈法煙氣脫硫脫硝技術經(jīng)過各國科技人員的不斷努力，目前已經(jīng)發(fā)展到工業(yè)試驗階段。脈沖電源問題是脈沖電暈法脫硫脫硝技術產(chǎn)業(yè)化的難以克服的困難之一。交直流疊加電源流光放電等離子體發(fā)生技術的出現(xiàn)，以及在此基礎上的煙氣脫硫工藝流程的實現(xiàn)，使流光放電煙氣脫硫技術工業(yè)應用近在眼前。交直流疊加電源發(fā)生流光電暈與脈沖電源發(fā)生的流光在脫硫脫硝效果是相

2、同的。交直流疊加電源采用電力電子開關器件代替火花隙的，這樣可以大大的提高開關的壽命以及電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。電源采用交直流電源疊加的方式，交流電壓使放電增強，產(chǎn)生自由基增多，因而氧化脫除量增加；直流基壓驅使正離子和電子離開流光通道，在更大的范圍內發(fā)生復合反應，自由基分布更廣，交直流疊加可以產(chǎn)生穩(wěn)定、寬范圍和有效的流光。該交直流疊加電源采用高頻電能變換技術，利用諧振的工作方式，在諧振升壓的同時可以實現(xiàn)逆變電路開關管的零電流關斷，減少開關損耗和散熱器的體積。同時串聯(lián)電感的應用使電源可以可靠的工作在負載頻繁放電的條件下。反應器作為交直流疊加電源的負載對電源的工作狀態(tài)有很大的影響；在電源和反應器系

3、統(tǒng)中流光的發(fā)生不能脫離反應器，電源和反應器必須結合在一起進行研究。本文主要針對流光放電等子體煙氣脫硫反應器、交直流疊加電源及其匹配問題進行研究。本文分析了流光放電脫硫反應器的負載特性，利用鏡像法，計算了線板結構反應器的靜態(tài)電容。研究了如何優(yōu)化反應器的板電極寬度、放電極鄰距等電極配置形式，從而提高交直流疊加電源的效率和脫硫系統(tǒng)能量利用率。在12000Nm3/h工業(yè)中試試驗平臺上，在模擬煙氣的情況下，對流光放電煙氣脫硫反應器、電源系統(tǒng)以及以此為基礎的整個工藝流程進行了大量的實驗研究，獲得了良好的實驗結果，確定了工藝流程的大量的工業(yè)運行參數(shù)，為以后大規(guī)模工業(yè)應用積累了寶貴經(jīng)驗。關鍵詞：煙氣脫硫，流光

4、放電，交直流疊加，反應器，匹配THE RESEARCH OF STREAMER DISCHARGE PLASMA FGD REACTOR, AC+DC POWER SUPPLY AND MATCH PROBLEM OF THEMABSTRACTSoot, SO2, NOX and other deleterious matters contained in flue gas are the main roots of atmosphere empoison, acid rain and greenhouse effect. Many achievements in the technology

5、 of DESO2 from flue gas by PPCP(Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process) have been achieved and this technology will be enlarged into industrial scale in the future. Pulse power supply problem is the primary difficulty to DESO2 and DENOX from flue gas by PPCP. Industrial application of DESO2 an

6、d DENOX from flue gas by streamer discharge will come into true soon with the utilizing of the technology of inspiring streamer discharge plasma by AC+DC power supply and the achieving technical process based on this.Streamer corona induced by AC+DC power supply has the same effect of DESO2 with str

7、eamer corona induced pulse power supply. This power supply uses the solid-state switch to take place the spark-gap switch, which will increase the life span of switch and the stability & dependability of power supply. The output of the power supply is the AC supposed on the DC in order to produce ef

8、fective and steady streamer at a broad range. AC makes the discharging stronger and increases the energy density and free radical quantity in the reactor. DC spreads cation and free radical to a broad range.The AC+DC power supply make use of the technology of high frequency power transform and reson

9、ant. Using the resonant technique can realize ZCS and decrease switching loss. At the same time the series inductance can make the power supply work normally under the condition of frequent discharging in the reactor.Reactor has a great influence to working state of AC+DC power supply as its load an

10、d cant be leaved out of account from the system producing streamer discharge. So the study on reactor and power supply must be taken into account synchronously. The paper mainly researches streamer discharge plasma DESO2 reactor, AC+DC power supply and the switch problem of them.In the paper, the lo

11、ad characteristic of streamer discharge DESO2 reactor is analyzed and the static capacitance of the line-plane reactor is calculated with the method of enantiomorphy. The paper researches into optimizing electrode configurations of streamer discharge reactor such as the distance between discharge el

12、ectrodes and panel electrodes, which can improve the power factor of AC+DC power supply and energy utilizing rate of the DESO2 system. Streamer discharge plasma DESO2 reactor, AC+DC power supply and the whole DESO2 system are investigated comparatively deeply in the pilot test of 12,000Nm3/h. The pi

13、lot run demonstrates that the whole system is feasible. All works supply useful method and experience for larger industrial application. KEY WORDS：FGD，streamer discharge，AC+DC，reactor, match目 錄1 緒論11.1 前言11.2 等離子體煙氣脫硫國內外研究現(xiàn)狀21.2.1 電子束法21.2.2 脈沖電暈法31.2.3 交直流疊加電源流光放電等離子體發(fā)生技術51.2.4 有關反應器的研究綜述51.3 流光放電等

14、離子體煙氣脫硫工藝流程介紹61.4 本課題的主要研究內容72 流光放電等離子體煙氣脫硫反應器的初步研究92.1 反應器負載特性分析92.2 線板電極結構靜態(tài)電容的計算102.3 不同供電方式的電暈放電模式122. 3.1 直流供電的電暈放電模式122. 3.2 交直流疊加供電的電暈放電模式142.4 反應器電極配置的實驗研究152.4.1 實驗裝置152.4.2 測量系統(tǒng)152.4.3 實驗結果及分析162.4.4 討論183 交直流疊加電源的工作原理203.1 概述203.2 交流電源的工作原理分析213.2.1 交流電源的主電路結構213.2.2 RLC串聯(lián)諧振電路的原理分析223.2.3

15、 橋式RLC串聯(lián)諧振電路工作狀態(tài)分析273.3 直流電源的工作原理分析283.3.1直流電源的主電路結構283.3.2并聯(lián)負載串聯(lián)諧振電路諧振原理分析293.4 交直流疊加電路工作原理分析313.5 功率母線技術324 交直流疊加電源的參數(shù)設計及實驗分析35 4.1 交流電源的參數(shù)設計354.1.1 逆變電路的參數(shù)設計354.1.2 直流環(huán)節(jié)濾波電路的參數(shù)設計374.1.3 整流電路的參數(shù)設計384.2 直流電路的參數(shù)設計394.3 交直流疊加電路的參數(shù)設計及實現(xiàn)404.4 觸發(fā)和控制電路的設計及實現(xiàn)41 4.4.1 控制方法的綜述414.4.2 晶閘管觸發(fā)電路42 4.4.3 逆變控制電路4

16、44.5 抗干擾設計及實現(xiàn)47 4.5.1 電源主電路的抗干擾設計47 4.5.2 控制電路的抗干擾設計484.6 電源實驗結果及波形分析484.6.1 直流電源的實驗結果及波形分析484.6.2 交流電源的實驗結果及波形分析544.6.3 交直流疊加電源的實驗結果及波形分析575 流光電暈非熱籌離子體煙氣脫硫反應器的設計與實驗研究605.1 引言605.2 12000 Nm3h流光電暈煙氣脫硫實驗615.2.1 預期目標615.2.2 實驗裝置625.2.3 測試系統(tǒng)645.2.4 12000 Nm3/h反應器的設計645.2.5 流光放電煙氣脫硫的實驗結果及分析665.2.6 12000N

17、m3/h流光電暈脫硫反應器的技術數(shù)據(jù)746 結論與展望766.1 結論766.2 前景展望77參考文獻79致謝83攻讀碩士學位期間所發(fā)表的論文841 緒論1.1 前 言在我國能源的主要來源在很長一段時間內仍然是燃煤。燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要根源。目前，我國治理煙氣脫硫的現(xiàn)狀比較落后，實現(xiàn)污染物排放總量控制的形勢十分嚴峻。隨著國民經(jīng)濟的騰飛，動力需求迅速增加，煙氣排放污染物造成的負面影響亦愈加嚴重。酸雨的危害面積不斷擴大，反映著環(huán)境條件的惡化。煙氣脫硫工程進展停滯不前與國民經(jīng)濟的高速發(fā)展形成極大的反差，全面整治環(huán)境刻不容緩。在煙氣污染物

18、排放量控制方面，目前粉塵的排放基本得到控制，而氣相污染物的排放仍然放任自由，僅僅采用高煙囪擴散稀釋，控制近地點的污染物濃度，二氧化硫的排放沒有得到治理，只是場地發(fā)生了轉移。據(jù)專家估算，我國生態(tài)環(huán)境可承受的SO2排放量不超過1640萬噸/年。預計2020年全國廢氣產(chǎn)生的SO2將達到3500萬噸，按2020年SO2排放降至生態(tài)承受極限，近20年內每年應增長煙氣脫硫能力108萬噸/年。據(jù)國家環(huán)?？偩值馁Y料顯示，電廠脫硫技術及其成套設備制造到近20年，每年只要有5%的燃煤電廠進行脫硫治理工程，就能形成年產(chǎn)值六十億元以上的產(chǎn)業(yè)需求。因此，生產(chǎn)適合中國國情的工業(yè)鍋爐脫硫設備具有廣闊的市場。我國的煙氣脫硫技

19、術至今仍處于起步階段，燃煤煙氣脫硫技術的引進，研究和開發(fā)工作經(jīng)過“七五”和“八五”攻關，對國際上的現(xiàn)有煙氣脫硫技術的一些主要類型都進行了研究和裝置試驗，少數(shù)引自國外的脫硫工藝已在可靠、有效地運行。“脈沖電暈等離子體煙氣脫硫技術研究”是“九五”國家科技攻關項目，這項技術具有一系列的優(yōu)點，如能耗低、投資少、產(chǎn)物是化肥，不存在廢液處理、可同時實現(xiàn)脫硫脫硝，操作簡單、體積小等。1.2等離子體煙氣脫硫國內外研究現(xiàn)狀脈沖電暈法應用于煙氣脫硫是受到電子束法的啟發(fā)而發(fā)展起來的。脈沖電暈法（PPCP）和電子束（EBDS）作為等離子體煙氣脫硫脫硝技術，是目前世界上較大規(guī)模開展研究的方法。1.2.1 電子束法電子束

20、法是采用高能電子束照射煙氣，使煙氣中的O2和水蒸汽被激活，電離甚至裂解，產(chǎn)生大量離子及自由基等活性離子。由于它們的強氧化性，使SO2、NOX被氧化為SO3、NO2，這些高價的硫氧化物與水蒸汽反應生成霧狀的，產(chǎn)生的酸再與NH3預先反應生成硫酸銨和硝銨。1970年，日本荏原（Ebara）公司首次在實驗室利用電子束輻照靜態(tài)煙氣，實現(xiàn)脫硫。1997年6月，世界上第一套工業(yè)示范裝置處理100MW電廠鍋爐煙氣的“電子束輻照法”由中日合作在成都熱電廠建成投運，裝置投資1.04億元，實際脫硫率80%、脫硝率18%。裝置單位建設投資約1000/元KW-1，每噸二氧化硫脫除費用約1000元。該項目于1998年5月

21、通過國家驗收，是目前世界上投入運行的處理煙氣量最大（200，000Nm3/h）電子束脫硫裝置。電子束法與傳統(tǒng)工藝相比，有以下優(yōu)點：脫硫脫硝同時進行，脫除效率較高；工藝流程簡單，操作容易；干式方法，無排水和廢渣的二次污染；處理過程中不用觸媒，粉塵影響很小，且無老化、結垢、阻塞、腐蝕等問題；干式方法，不影響原系統(tǒng)的熱效率，煙氣可不必再加熱即從煙囪排放；添加氨后，生成物可作肥料回收綜合利用；設備占地面積小，建造費比常規(guī)法低；對鍋爐運行無不良影響，能適應鍋爐負荷的變化，對鍋爐熱效率無影響。電子束法的關鍵設備是能長期穩(wěn)定運行的大功率電子槍，大容量的電子加速器造價昂貴，技術要求高，且其功率難以滿足應用于工

22、業(yè)煙氣量的需要；電子加速器產(chǎn)生電子束的同時也產(chǎn)生X射線，工業(yè)應用時必須建造混凝土防輻射裝置來保護人的安全；電子束能量很大一部分損失在離子的碰撞上（離子的熱運動對形成有脫硫作用的活性自由基不起作用），故其電能的消耗較大，大約為電廠所發(fā)出電能的3。1.2.2 脈沖電暈法1986年Masuda和Mizuno根據(jù)電子束法的特點而提出用幾萬伏以上的脈沖電源代替電子加速器產(chǎn)生等離子體的脈沖電暈法。1986-1987年，在Masuda實驗室訪問的中國學者吳彥對脈沖電暈引起的等離子體化學方法（Pulse corona induced plasma chemical process, PPCP）脫除煙氣中的NO

23、X、SOX和Hg蒸汽做了大量的先期的實驗工作，確定了該方法的可行性。1990年左右，意大利的ENEL公司在Marghera熱電廠首次利用真實煙氣進行了1000Nm3/h的小試試驗，為進一步的工業(yè)試驗提供了必要的數(shù)據(jù)。1996年，大連理工大學建造了1000Nm3/h煙氣脫硫裝置，并進行了許多研究工作。華中理工大學的李勁教授、北京理工大學的李瑞年教授對脈沖電暈法也做了許多試驗和機理方面的研究。脈沖電暈放電等離子體煙氣脫硫法：給反應器放電極加上幾萬伏ns級脈沖電壓，產(chǎn)生520eV的高能電子，而離子仍處于與氣體平衡的狀態(tài)，高能電子與中性電子碰撞，產(chǎn)生O、OH、HO2和O3等，這些活性物質引發(fā)的反應，在

24、有氨加入的條件下，將SO2、NOX轉化為硫銨和硝銨。脈沖電暈法的最大優(yōu)點就是能起到電子束法同樣的作用而又克服了電子束法的缺點，它省掉了大功率、需長期穩(wěn)定工作的昂貴電子槍，避免了電子槍壽命和X射線屏蔽問題，而且具有以下優(yōu)點：具有用簡便的方法集煙氣脫硫脫硝和除塵為一體的潛力；可能在發(fā)電廠現(xiàn)有的靜電除塵設備基礎上進一步改造發(fā)展而成，投資較??；產(chǎn)生的最終產(chǎn)物易于處理和獲得回收利用，避免了廢液、廢渣等二次污染問題。目前是國內外廣泛關注的技術并最具有良好應用前景。目前脈沖電源的問題在于：有效電子的產(chǎn)生率不及電子束法高，能耗也高，這是因為脈沖電源輸出特性較差；用旋轉火花隙開關使脈沖波形變壞；用電容器組作初級

25、儲能，由于儲能密度低、壽命短、性能價格比低等缺點，不適合用于處理大氣流量和連續(xù)穩(wěn)定運行的脈沖發(fā)生器；利用火花隙作為開關產(chǎn)生脈沖，脈沖頻率一般在幾百Hz，作為工業(yè)應用脫硫效率較低。脈沖電源系統(tǒng)是實現(xiàn)脈沖電暈脫硫脫硝技術產(chǎn)業(yè)化的關鍵之一。流光電暈放電脫硫脫硝技術要求在有載條件下脈沖電源系統(tǒng)提供較陡上升前沿（數(shù)十納秒級）的脈沖電流電壓波形。脈沖寬度應依據(jù)反應器放電空間的情況(極間距及流光速度)而定,以避免二次流光通過反應空間造成能量浪費。同時,系統(tǒng)要具有一定的輕便靈活的特點,特別要求系統(tǒng)能長期(3千小時到6千小時)有效連續(xù)工作,以適應電廠運行的要求。對實驗室研究而言,數(shù)百瓦乃至數(shù)千瓦的功率要求使得電

26、源系統(tǒng)較易實現(xiàn),而對一30萬千瓦發(fā)電機組而言,要采用電暈放電技術有效地脫硫脫硝,需脈沖電源功率系統(tǒng)提供約3600KW的平均功率。這將帶來一系列的問題 ,如系統(tǒng)熱效應,高功率開關預期壽命等。采用傳統(tǒng)的脈沖電源很難實現(xiàn)。從長遠來看，開拓突破傳統(tǒng)的開關方式的新型開關技術，是重復脈沖功率技術發(fā)展的關鍵所在。1.2.3 交直流疊加電源流光放電等離子體發(fā)生技術1998年，閻克平教授等發(fā)布了采用交直流疊加電源（AC/DC）電源發(fā)生流光電暈的臺式試驗結果，該電源與窄脈沖高壓電源發(fā)生的流光在脫除NOX效果方面相同。窄脈沖電源流光的發(fā)生是同步的，而AC/DC的電源流光隨機分布在較大的時間范圍。2001年40KW交

27、直流疊加電源的研制成功，并在煙氣脫硫的工業(yè)試驗裝置上，成功發(fā)生了分布良好的流光電暈。AC/DC電源所用的故態(tài)開關器件壽命長，該電源造價僅為窄脈沖電源的1020。該電源采用新型電力電子開關器件代替火花隙，這樣可以大大的提高開關的壽命以及電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。電源利用諧振原理在反應器上產(chǎn)生的正弦波形的上升時間在微秒級，雖然達不到ns級，但開關頻率可以提高至50KHz，在單位時間內產(chǎn)生的流光數(shù)量大大增加，同樣可以達到很好的脫硫效果。該脫硫脫硝電源采用交直流電源疊加的方式，直流基壓使放電增強，單脈沖注入能量增大，產(chǎn)生自由基增多，因而氧化脫除量增加。同時直流基壓驅使正離子和電子離開流光通道，在更大的

28、范圍內發(fā)生復合反應，自由基分布更廣，與SO2等接觸增加，因而脫硫效果增加。所疊加的高頻交流電壓作用和傳統(tǒng)脈沖電源作用相同，主要用于流光電暈的產(chǎn)生。1.2.4 有關反應器的研究綜述脈沖電暈反應器的結構一般為線筒式或線板式，工業(yè)實驗一般為線板式，這主要是從處理煙氣量方面的考慮。例如意大利的100Nm3/h工業(yè)小試裝置和大連理工大學的300Nm3/h工業(yè)小試裝置都為線板式。在大量的實驗和理論研究的基礎上，近年來人們在努力使脈沖電暈法去除有害氣體的技術向實際應用轉化，設計了各種各樣的反應器處理的氣體包括：NOX，SO2，Hg蒸汽和易揮發(fā)性有機氣體VOCs（Volatic organic compoun

29、ds）。Chang J S概述了各種反應器，例如：點對板式、點對點式、線筒式和填充床式等，對放電特性、反應過程和脫除效率做了詳細的描述。日本的增田實驗室設計了一種將除塵器和脈沖電暈反應器做成一體的反應器，處理垃圾焚燒后產(chǎn)生的有害氣體 NOX，SO2，Hg和HCL。Ohkubo、Kanazawa和Chang J S等人分別研究了自由基噴淋式脈沖電暈反應器，這種反應器的放電極上裝有噴嘴，從噴嘴噴出的被處理氣體經(jīng)過噴嘴尖端的強電場區(qū)，被激發(fā)、分解和電離，以活性粒子的形式注入反應器。值得指出的是，反應器作為電源的負載對交直流疊加電源的設計，以及輸出的波形有較大的影響。反應器一般呈容性，在電源和反應器系

30、統(tǒng)中流光電暈的產(chǎn)生不能脫離反應器，電源和反應器必須結合在一起研究，實現(xiàn)電源和反應器的最佳匹配。1.3流光放電等離子體煙氣脫硫工藝流程介紹流光放電煙氣脫硫的工藝流程如圖11所示：是一套完整的設備，將它嵌入燃煤電廠煙氣排放系統(tǒng)內，一端接受除塵器的尾氣，另一端將脫硫脫硝的氣體，送入煙囪。分區(qū)濕式反應器包含熱化學反應區(qū)和等離子體反應區(qū)，煙氣先經(jīng)過熱化學反應區(qū)，由液態(tài)吸收劑吸收大部分SO2，得到濃度達到摩爾量級的亞硫酸鹽溶液；進入等離子體反應區(qū)時，經(jīng)受脫硫脫硝處理，同時也將熱化學反應區(qū)的生成液霧化噴入，使生成液中的亞鹽氧化為正鹽。由于初始氧化速度提高千百倍，使反應器能耗降低 3050。圖11 流光放電等

31、離子體煙氣脫硫工藝流程圖Figure1-1 Technical flow chart of streamer discharge plasma FGD在此工藝流程中，煙氣脫硫率90以上，脫硝率1050（根據(jù)需要選擇）；利用來氣的熱量，將等離子體反應器生成的正硫酸鹽溶液脫水，產(chǎn)生副產(chǎn)物干粉。此工藝流程實現(xiàn)物料平衡和能量平衡，水耗僅為煙氣增濕用水；總耗電不超過廠用電2，并將顯著降低占地面積。氨泄漏5ppm（85mg/Nm3）。 1.4本課題的主要研究內容本文就當今世界上主要的集中煙氣脫硫的方法進行了分析和比較，說明了脈沖電暈法的優(yōu)點和現(xiàn)存技術上的缺點。為了改進這些缺點，本文在分析了脈沖電暈流光放電

32、脫硫方法機理的基礎上，分析了高壓直流電暈和高壓交直流疊加電暈放電的形式，說明了交直流疊加流光放電脫硫技術是一種新型可行的具有大規(guī)模工業(yè)應用前景的技術。根據(jù)流光放電脫硫的要求，論文主要討論高壓直流電源，高頻高壓交流電源，交直流疊加電路，以及控制和保護電路的設計。在校內的中型實驗平臺上進行了實驗，結果表明裝置具有很好的脫硫效果。第一章緒論，首先討論了煙氣脫硫技術應用的必要性、緊迫性和課題背景。比較了世界上正在應用和研究的幾種等離子體煙氣脫硫技術，說明脈沖電暈法是其中一種具有良好應用前景的煙氣脫硫技術，介紹了一種采用交直流疊加電源流光放電等離子體發(fā)生技術，以及在此基礎上的流光放電等離子體煙氣脫硫的工

33、藝流程。第二章流光放電等離子體反應器的初步研究，分析了流光放電等離子體反應器的負載特性，利用鏡像法，計算了線板結構反應器的靜態(tài)電容。比較了不同供電方式：脈沖供電、直流供電、AC+DC供電下流光分布的不同形式，說明AC+DC供電方式下，產(chǎn)生的流光放電有效、持續(xù)穩(wěn)定且范圍很寬，適合工業(yè)化應用。研究了反應器電極配置形式對交直流疊加電源伏安特性的影響，確定板電極的寬度、放電極之間的距離等電極參數(shù)，為反應器設計提供必要的理論和實驗依據(jù)。第三章交直流疊加電源的工作原理分析，詳細論述了高壓直流電源、高頻高壓交流電源和交直流疊加電路的工作原理。并介紹了功率母線技術。第四章交直流疊加電源參數(shù)設計和實現(xiàn)，詳細說明

34、了電路主電路參數(shù)的設計和控制電路的設計，以及在抗電磁干擾方面所做的接地、屏蔽等電磁兼容設計。并分析了交、直流電源的相關的實驗波形。第五章流光放電等離子體煙氣脫硫反應器的設計和試驗研究，以12000Nm3/h為設計目標，確定反應器的通道寬度、電場區(qū)域長度和高度。驗證流光放電對脫除SO2 ，NOx的作用，分析煙氣溫度、煙氣含水量、煙氣停留時間等工業(yè)運行參數(shù)對脫除率的影響，為以后大規(guī)模工業(yè)應用提供設計依據(jù)。第六章總結，簡要總結論文的主要研究工作，展望流光放電等離子體煙氣脫硫的發(fā)展前景。2流光放電等離子體煙氣脫硫反應器的初步研究2.1反應器負載特性分析脈沖電暈放電反應器的結構一般為線筒式或線板式，在工

35、業(yè)性實驗中一般為線板式結構。反應器作為電源的負載，對放電有很大的影響，所以將反應器和電源結合起來研究，實現(xiàn)兩者的優(yōu)化匹配。圖21 反應器的截面圖Figure2-1 The figure of reactor section在實驗的脫硫平臺上，反應器的結構為箱體式線板結構。 反應器的截面圖如上圖2-1所示，電暈線間距可以調節(jié)為100mm和200mm。正極棒狀電暈線上焊有規(guī)則的放電尖端。電暈線是懸掛式結構，依靠重力豎直均勻的分布在接地極板的中間。電暈線上端裝有霧化噴嘴，工作時在反應器內形成水霧，增大溶液粒子的反應表面積。反應器在流光放電前后負載情況有較大的變化?？梢约僭O反應器負載的電路模型由一個電

36、容和一個電阻并聯(lián)而成，如圖2-2所示，發(fā)生流光放電前，電阻呈無窮大，電容為反應器的靜態(tài)電容；當反應器上的電壓升高至一定值時，發(fā)生流光電暈放電，此時反應器的電阻阻抗呈指數(shù)下降，電容減小容抗增大，能量通過電阻瀉放；在持續(xù)一段時間后當電壓不足以維持流光放電時，反應器恢復至最初的狀態(tài)。圖22 反應器等效電路Figure2-2 Equivalent circuit of the reactor2.2線板電極結構靜態(tài)電容的計算線板電極結構的俯視圖如圖2.3所示：所有電極放置在線框上，線框懸掛在兩塊板電極之間。線板電極結構靜態(tài)時（即不放電時）可等效成電容，放電時可等效成靜態(tài)電容同非線性電阻并聯(lián)的模型。圖2.

37、3 線板放電極結構俯視圖Figure2-3 The figure of line-plane reactor planform圖2.4 連續(xù)鏡像法線板放電極結構圖Figure2-4 The figure of line-plane reactor by the method of series enantiomorphy設放電極上的電荷為q，采用連續(xù)鏡像法，如圖2.4所示。忽略邊緣效應，由于對稱性，只計算下半部的情況，并選擇中間的一根放電極為1號導體，則1號導體同地之間的電位差為：(2.1)上式中l(wèi)為放電極長度，k為1號放電極右側的放電極根樹，中括號前面的系數(shù)2是加上了1號放電極左側放電極的作

38、用。上式可簡寫為：(2.2)因所有放電極都放置在線框上，每根放電極具有相同的電位，帶電荷量相同，固有：(2.3)式中C10為每根放電極的對地電容，如果忽略邊緣效應，并且假設放電極的根數(shù)足夠多，則每根放電極的對地電容相同?？傠娙轂椋?2.4)式中（2k1）表示放電極的總根數(shù)，這樣給出放電半徑r，板電極距離2h，放電極之間距離b，放電極長度l和放電極的根數(shù)，即可計算出放電間隙的靜態(tài)電容。2h200mm，r1mm，l1mm，改變放電極相鄰距離。放電極和板電極之間總電容的測量值和計算值如表2.1所示（電容的測量采用LCR數(shù)字表）結果符合的很好。表2.1 總電容的測量值和計算值對比b(mm)C的測量值（

39、nF）C的計算值（nF）2000.150.171000.220.25500.300.322. 3 不同供電方式的電暈放電模式2. 3.1 直流供電的電暈放電模式可以用直流供電發(fā)生流光電暈模式的放電。取半徑為 1cm的半球頭棒狀電極為正極，正極頂端與負極的距離為d。正極加直流高壓。圖2-5示出可能的各種放電模式。例如d=25cm，當電壓從零逐漸升高，線電極有一瞬變分枝的線，流光的發(fā)生是脈沖式的，如圖所示。如果電壓繼續(xù)升高，流光的產(chǎn)生越來頻繁，一直到瞬變活動停止而趨于自持。這時陽極表面附近出現(xiàn)一穩(wěn)定的薄的輝光層。這階段的電流雖然是連續(xù)的，但有漲落，繼續(xù)提高電壓，電流上升，發(fā)亮的輝光的尺寸及強度也增

40、強；然后突然出現(xiàn)一瞬間放電。流光的特點是強有力的，流光很亮，并且伴有清晰的“咝咝”的響聲，靠近陽極的地方產(chǎn)生一輝光層，再升高電壓，最后有電火花產(chǎn)生，引起間隙全部擊穿。圖2-5 正電暈不同模式的閾（A起始流光B輝光C預擊穿電壓D火花）Figure2-5 the area of the different model positive corona在直流供電的情況下，氣體放電類型的順序隨著電壓的升高變化的順序為：起始流光、輝光、預擊穿流光、電火花。如圖2-6所示：圖26 直流供電模式下四種放電模式的示意圖Figure2-6 Four kinds of discharging modes at th

41、e DC power supply上圖為直流供電模式下，四種放電模式的示意圖。（a）為初始流光，（b）為輝光，（c）為預擊穿流光，（d）電火花。2. 3.2 交直流疊加供電的電暈放電模式從上述直流正電暈放電模式的分布可見，在適當電極結構和電極間隙夠大的條件下，隨著電壓從零升高，放電模式轉變的閾值有四個：Vc：由無電暈轉變?yōu)槠鹗剂鞴狻g：由起始流光轉變?yōu)檩x光放電。Vps：由輝光放電轉變?yōu)轭A擊穿流光。Vs：由預擊穿流光轉變?yōu)榛鸹ǚ烹?。它們大小比較情況為：VcVgVpsVs.在工業(yè)應用中，應當避免輝光電暈的出現(xiàn)，使這個放電區(qū)域均為流光電暈區(qū)，這樣既可以節(jié)約放電能量的消耗，也可以適合工業(yè)上大功率產(chǎn)業(yè)

42、化的應用。研究表明，在直流電源的基礎上疊加一定的交流可以達到這種效果即把輝光放電轉化成為流光放電。因為輝光生成是由于電負性氣體負離子包圍正極尖端表附近，在電壓不很高的條件下，屏蔽了正電場，阻塞了正流光向外延伸。然而電負性氣體離子形成屏蔽層需要一定的時間（約0.1ms），因此，如果AC頻率大于10KHz，在輝光生成之前，電壓又回升到預擊穿流光區(qū)域，故放電仍保持為預擊穿流光電暈。采用交直流疊加的供電方式可以實現(xiàn)的電暈放電模式如圖25所示?？梢钥闯?，只要在直流的基壓上疊加高頻交流就可以破壞輝光的形成，使得流光在一個很大的電壓范圍內產(chǎn)生，這對于工業(yè)上的應用具有十分重要的意義。又因為大功率的交直流電源容

43、易實現(xiàn)，成本相對更加低廉，這就為流光放電等離子體煙氣脫硫今后的工業(yè)化前景奠定了一個很好的基礎。圖27 交直流供電方式下的電暈放電模式Figure2-7 Discharging modes at the AC+CDC power supply2.4反應器電極配置的實驗研究2.4.1實驗裝置圖2.8為實驗裝置簡圖，圖中隔直電容C、隔交電感L1、防短路電感L2共同組成LC匹配網(wǎng)絡。通過此匹配網(wǎng)絡，交、直流電源疊加在反應器上。交流峰值電壓、直流基壓值可以分別調節(jié)。圖2.8 試驗裝置簡圖Figure2.8 Diagram of experiment devices線板放電間隙的板電極有兩塊，并分別接地。

44、線電極放置在線框上，線電極鄰距可調整，整個線框懸掛在板電極中問。板電極規(guī)格為2m1m，線電極為4mm4mm星形線，有效長度1mm。2.4.2測量系統(tǒng)輸出電壓采用FRG-無局部放電電阻分壓器測量，分壓比為1000：1，阻抗為80M，電容6pF。交、直流電壓由線框上邊的一端接入線電極，在板電極和地之間接如圖2.9所示的反應器電流測量電路。串聯(lián)電阻值為10，遠小于負載等效電阻，穩(wěn)壓二極管為15V，負載電流過大時對采樣電阻起保護作用，通過檢測電阻R上的波形和幅值就可以得出電暈電流的波形和幅值。輸出到示波器上。高壓分壓器和采樣電阻的輸出信號由Tektonix TDS3014數(shù)字存儲示波器監(jiān)測，示波器實時

45、帶寬100MHz，輸入阻抗1M，取樣速率為1.25GS/S，電容約為8pF。因線板放電間隙靜態(tài)時可看作容性負載，其靜態(tài)電容為幾百個pf。實驗中可忽略測量儀器的影響。圖2.9 反應器電流測量電路Figure2-9 Measure circuit of reactor current2.4.3 實驗結果及分析 Peek發(fā)現(xiàn)電暈起始的電場強度與放電極的半徑及空氣密度有關。Peek從實驗中得到了很好的經(jīng)驗公式：(2.5)式中(Er)s為閾值場，E0=31Kv/m（此值相當于標準狀態(tài)下空氣中放電間隙為1cm時的均勻場中的火花場強），m是一個描述導體表面狀態(tài)的系數(shù)（0.6m1），為空氣的相對密度：2.94

46、10-3P/(273+T)（P是以Pa為單位，當PPa，T25時，l），k3.0810-2m1/2，r是放電極的半徑。放電的閾值條件由式(5.1)所定義，如果能寫出放電間隙中某x點處的電場強度Ex與外加電壓V的函數(shù)關系，就可以很容易決定閾值電壓Vs。這個關系式為:(2.6)式中 F是形狀因子。 Bohm給出了線板結構放電間隙的形狀因子：(2.7)式中a為放電極半徑（即r）。線板電極距離為b，放電極鄰距為d，則式中d/ b，kn表示放電極數(shù)。于是閾值電壓或者叫做起暈電壓為：Vs(Er)s rF(2.8)從上述的分析中可以看出流光電暈放電的強度取決于交、直流電壓的大小以及電極的配置形式，即電暈線半

47、徑、電暈線與板電極的距離和電暈線之間的距離。還有另外一個因素是被處理氣體的性質和密度，將在第五章討論。一 板電極距離對電暈放電的影響200mm、240mm、280mm三種板電極距離，線距為160mm，限電級數(shù)為3條。直流供電方式下測得的電壓電流波形參數(shù)見表2.l。據(jù)此可見，板電極距離加寬，可加的直流電壓升高，注入功率增加，但是單位體積的注入功率并沒有增加，反應器電容減小。上述的實驗測量結果表明，兩塊平板之間的距離增加，放電間隙的擊穿電壓隨之提高。板電極距離決定交直流疊加電壓峰值。表2.l 不同板電極距離波形參數(shù)對比2b/mmVDMAX/KVPDMAX/KWVs/KVPa/W/m3CR/nF20

48、0562394510170.282406825046.58840.2528082291498840.22其中b：線板電極距離、VDMAX：直流供電下產(chǎn)生火花放電的電壓、PDMAX：直流供電下最大的注入功率、Vs：起暈電壓、Pa單位體積功率密度、CR：反應器電容二 放電極鄰距改變對電暈放電的影響板間距200mm，放電極數(shù)3條。相同的交、直流電壓條件下放電極鄰距為：60、100、160條件下測得的電壓、電流測量參數(shù)數(shù)據(jù)見表2.2。表中CR為測量值，不包括分壓器和示波器的電容（分別為6pF），忽略測量系統(tǒng)的影響；d為放電極鄰距。表2.2 不同放電鄰距下脈沖電壓波形的參數(shù)d/mmVDMAX/KVPDM

49、AX/KWVs/KVPa/W/m3CR/nF6055.42483910640.28100562744011670.27160562394110170.28可見放電極之間的距離增加，火花放電電壓基本相同，但是當線電極之間距離與線板之間距離接近時，可以獲得更大的注入功率。2.4.4 討論通過上述的實驗和分析，可以得到的結論是：反應器的電暈放電特性取決干電極配置形式和交、直流電壓?？赏ㄟ^調整電極配置形式和交、直流電壓的值，使電暈放電波形得到改善，最終的目的是使能量有效地傳遞給中性氣體。 板電極距離增加，間隙的閾值電壓升高，脈沖電壓上升率提高。根據(jù)署名的巴申（Paschen）定律，閾值電壓Vs是氣體壓

50、力和間隙長度乘積（pb）的函數(shù)VsF（pb） (2.9)上式中b為線板電極之問的距離。脈沖電暈處理煙氣時，流經(jīng)放電間隙的煙氣接近于常壓，因而此時擊穿電壓就只是間隙長度的函數(shù)。根據(jù)公式（2.7）和（2.8），并且忽略（5.7）式中的第二項，很容易得到非均勻場中閾值電壓同間隙長度的關系： （2.10）式中r為放電極半徑，(Er)s為閾值場強，用（2.10）式計算。對于線板電極配置形式，可以認為正極性火花放電擊穿的電壓為： Vg5bkV （2.11）式中b的單位是cm。Vg要比起暈電壓Vs高，在這兩個電壓之間產(chǎn)生電暈放電。如果在放電極上加交直流電壓，電壓峰值超過個將導致間隙的火花放電擊穿。放電極的相

51、互鄰距，這個變數(shù)對流光放電的電暈電流的影響比較大?？梢栽O想兩種極端的情況：第一，假設在一個很長的氣體通道內只有一根單獨的電暈線；第二，假定有許多電暈線并列在一起，實際上己成為一個連續(xù)的板式電極。在這兩種極端情況之外，電暈線的相互鄰距可以有多種選擇。本實驗中，板間距固定，增大電暈線鄰距，注入能量增加。當電暈線鄰距很近時，注入能量又降得很低。電暈線的鄰距顯然存在有一個最佳值，它對于給定的氣體通道來說，能夠產(chǎn)生最大的電暈電流，對于流光放電電暈，表現(xiàn)為注入功率最大。 3交直流疊加電源的工作原理3.1 概述該脫硫電源采用高頻高壓的交直流疊加的方式，電源主要由高壓直流電路、高頻高壓交流電路和交直流耦合疊加回路三部分電路構成。交直流兩部分電路均采用諧振的工作方式。在電路結構上，直流電源相對于交流電源來說，在高壓變壓器的輸出端增加了高頻高壓硅堆整流電路，但在電路的工作原理上，二者卻有著很大的不同。下面分別就三部分電路的工作原理進行詳細的分析和論述。圖31交直流疊加電源主電路結構框圖