纳秒电脉冲脱硫/硝反应器及其制备方法与流程

1.本发明涉及环保，特别是一种纳秒电脉冲脱硫/硝反应器及其制备方法。 该反应器能实现纳秒电脉冲高效脱硫/硝。


背景技术：

2.电化学法脱硫/硝的理论早已被验证，近些年国内外也有工程试验装置 建造并运行，但效果都不是特别理想。传统的电化学脱硫/硝反应器的同一 电场采用极线整体吊挂，即将所有极线并联，未考虑其波阻抗特性，导致高 压电脉冲不能有效传输到反应器内的各条阴极线，从而未能达到理想的脱除 效果。


技术实现要素：

3.本发明提出一种纳秒电脉冲脱硫/硝反应器及其制备方法，该填补国内 外电化学脱硫/硝反应器波阻抗设计的空白。
4.本发明的技术解决方案如下：
5.一种纳秒电脉冲脱硫/硝反应器，其特征在于，包括反应器框架、m
×
n 根极线、m
×
n个电极管、m条串联极线(组)、极线并联组件和极线串联组 件；所述的极线安装在所述的反应器框架上，并使所述的极线吊挂和所述的 反应器框架实现绝缘；每一极线(组)由n条极线(组)的输入端或输出端 通过极线并联组件相互连接构成，所述的极线共m
×
n根，每一根极线吊挂 一个电极管，所有的电极管并联接地，所述的m和n分别为1以上的正整数， 所述的极线和电极管的波阻抗z1，极线并联组件的波阻抗z2，极线串联组件 的波阻抗z3，脉冲电源的输出波阻抗为z4，脉冲电源到脱硫/硝反应器的传 输线波阻抗为z5，其中z1≈z2，z4＝z1/n，z3≈z4≈z5。
6.所述的极线分为阴极线和阳极线，是高压电的载体；
7.所述的电极管或电极板为接地的导体；
8.所述的极线并联组件是若干极线并联的部件，可以是一条或多条导线；
9.所述的极线组是极线通过并联组件连接后形成的一个整体；
10.极线串联组件，将若干并联的极线组首尾相连形成串联的部件，可以是 一条导线。
11.上述纳秒电脉冲脱硫/硝反应器的制备方法，包括下列步骤：
12.1)波阻抗设计，实现波阻抗匹配：
13.所述的极线和电极管的波阻抗z1的计算方法如下：
[0014][0015]
[0016][0017]
其中，r1为极线的半径，r2为电极管的半径，εr为极线和电极管间介质的相 对介电常数，ε0为真空中介电常数，μ0为真空中磁导率，l为极线和电极管单 位长度电感，c为极线和电极管单位长度电容；
[0018]
设计极线并联组件的波阻抗为z2，使得：
[0019]
z1≈z2(4)
[0020]
根据纳秒脉冲电源的输出电压和电流可得脉冲电源的输出波阻抗为z4， 由下列公式确定由n条极线并联：
[0021]
n＝z1/z4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]
通过设计极线串联组件的极线和电极管的半径参数r2控制极线串联组件 的波阻抗z3的值，
[0023]
选择合适的传输线控制脉冲电源到脱硫/硝反应器的传输线波阻抗z5的 值，使得：
[0024]zn
≈z3≈z4≈z5(6)
[0025]
m为反应器电极管的总数除以n的值；
[0026]
2)根据权利要求1所述的元部件的连接关系实施吊挂连接；
[0027]
3)使用频谱分析仪测试脱硫/硝反应器的输入端的波阻抗，如有需要， 通过改变极线的半径等方法来调节波阻抗，达到纳秒脉冲电源输出波阻抗和 脱硫/硝反应器输入端的波阻抗相匹配。
[0028]
使用本发明方法建立电路仿真示意图1中v1表示纳秒脉冲电源，电压为 120kv，脉宽800ns；s1为高压开关；t1为高压电缆，其波阻抗为50欧姆； t2表示-t13表示反应器的极管和极线，其波阻抗为150欧姆；r1表示末端 匹配电阻，阻值为50欧姆。
[0029]
仿电压波形图2中可以看出仿真所得末端匹配电阻电压波形(2)和反应器 输入端电压波形(1)一致，反应器输入端的电压波形可完整传输到末端匹配电 阻。通过本发明的方法根据应用情况设计反应器的波阻抗，本发明能实现纳 秒高电压脉冲波形从反应器输入端传入，纳秒高电压脉冲历遍所有极线，直 至末端匹配电阻完全吸收无反射，为纳秒电脉冲高效脱硫脱硝提供必要保障。
附图说明
[0030]
图1是本发明脱硫/硝系统仿真电路图
[0031]
图2是本发明脱硫/硝系统仿电压波形图
[0032]
图3是本发明脱硫/硝反应器示例图
[0033]
图4是本发明脱硫/硝反应器示例半剖前视图
[0034]
图5是本发明极线极管示例轴侧视图
[0035]
图6是本发明极线极管示例俯视图
[0036]
图7是本发明极线吊挂示例前视图
[0037]
图8是本发明极线串并联斜视图
[0038]
图9是本发明极线串并联俯视图
[0039]
图10是本发明极线并串联斜视图
[0040]
图11是本发明极线并串联俯视图
[0041]
图12是本发明串并联原理框图
[0042]
图13是本发明并串联原理框图
[0043]
图14是反应器输入实测波形图
[0044]
图15是传统反应器末端实测电压波形图
[0045]
图16是本发明反应器末端匹配电阻实测电压波形图
[0046]
图中(1)为脱硫/硝系统仿真电路反应器输入电压波形曲线；(2)脱硫 /硝系统仿真电路末端匹配电阻电压波形曲线；(3)壳体；(4)极线极管组 件；(5)极线；(6)极管；(7)绝缘瓷瓶吊挂；(8)极线；(9)极管；(10) 极线串联方式；(11)先串联后并联；(12)串联走向示意；(13)极管；(14) 极线并联方式；(15)先并联后串联；(16)并联走向示意；(17)极管；(18) 反应器输入实测电流波形；(19)反应器输入实测电压波形；
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例做一个清楚地描述，显然，所描述的实例仅仅 为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本 领域技术员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于 本发明保护范围。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语 与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明 书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发 明。
[0048]
由图3-14可知，一种纳秒电脉冲脱硫/硝反应器，其特征在于，包括反 应器框架、m
×
n根极线、m
×
n个电极管、m条串联极线(组)、极线并联 组件、极线串联组件和末端匹配电阻；所述的极线安装在所述的反应器框架 上，并使所述的极线吊挂和所述的反应器框架实现绝缘；每一极线(组)由n 条极线(组)的输入端或输出端通过极线并联组件相互连接构成，所述的极 线共m
×
n根，每一根极线吊挂一个电极管，所有的电极管并联接地，所述 的m和n分别为1以上的正整数，所述的极线和电极管的波阻抗z1，极线并 联组件的波阻抗z2，极线串联组件的波阻抗z3，脉冲电源的输出波阻抗为z4， 脉冲电源到脱硫/硝反应器的传输线波阻抗为z5，其中z1≈z2，z4＝z1/n， z3≈z4≈z5。
[0049]
所述的极线分为阴极线和阳极线，是高压电的载体；
[0050]
所述的电极管或电极板为接地的导体；
[0051]
所述的极线并联组件是若干极线并联的部件，可以是一条或多条导线；
[0052]
所述的极线组是极线通过并联组件连接后形成的一个整体；
[0053]
极线串联组件，将若干并联的极线组首尾相连形成串联的部件，可以是 一条导线。
[0054]
上述纳秒电脉冲脱硫/硝反应器的制备方法，包括下列步骤：
[0055]
1)波阻抗设计，实现波阻抗匹配：
[0056]
所述的极线和电极管的波阻抗z1的计算方法如下：
[0057]
[0058][0059][0060]
其中，r1为极线的半径，r2为电极管的半径，εr为极线和电极管间介质的相 对介电常数，ε0为真空中介电常数，μ0为真空中磁导率，l为极线和电极管单 位长度电感，c为极线和电极管单位长度电容；
[0061]
设计极线并联组件的波阻抗为z2，使得：
[0062]
z1≈z2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
根据纳秒脉冲电源的输出电压和电流可得脉冲电源的输出波阻抗为z4， 由下列公式确定由n条极线并联：
[0064]
n＝z1/z4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
通过设计极线串联组件的极线和电极管的半径参数r2控制极线串联组件 的波阻抗z3的值，
[0066]
选择合适的传输线控制脉冲电源到脱硫/硝反应器的传输线波阻抗z5的 值，使得：
[0067]zn
≈z3≈z4≈z5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0068]
m为反应器电极管的总数除以n的值；
[0069]
2)根据权利要求1所述的元部件的连接关系实施吊挂连接；
[0070]
3)使用频谱分析仪测试脱硫/硝反应器的输入端的波阻抗，如有需要， 通过改变极线的半径等方法来调节波阻抗，达到纳秒脉冲电源输出波阻抗和 脱硫/硝反应器输入端的波阻抗相匹配。
[0071]
实施例1
[0072]
以1000根350mm直径的电极管，2mm直径的极线的反应器为例，εr取1， 根据公式1，2，3计算：
[0073][0074][0075][0076]
求得z1约309欧姆。
[0077]
根据纳秒脉冲电源的输出电压为120千伏，电流1200安培，可得脉冲电 源的输出波阻抗为z4为100欧姆。
[0078]
根据下列公式计算极线并联数量n，z4＝z1/n，z1/z4＝309/100，n 取3，确定由3条极线分组吊挂形成极线组。
[0079]
设计制造极线吊挂的端部串联组件，使端部串联组件的波阻抗z3为100 欧姆左右，极线串联数量m可求得为1000/3＝333.3，m取333，使用极线串 联组件将m组极线依次首
尾相连形成串联。图1给出了反应器串并联示意图。
[0080]
设计制造极线串联组件，使极线串联组件的波阻抗z2为309欧姆左右。 使用极线串联组件将m条极线依次首尾相连，串联形成极线组。将n条极线 首端和末端分别连接形成并联。
[0081]
在反应器末端连接阻值为100欧姆的匹配电阻。
[0082]
使用频谱分析仪测试脱硫/硝反应器输入端的波阻抗，如有需要，通过 改变极线的半径等方法来调节波阻抗，达到纳秒脉冲电源输出波阻抗和脱硫 /硝反应器输入端的波阻抗相匹配。
[0083]
实施例2
[0084]
以6根350mm直径电极管，2mm直径极线的反应器为例，εr取1，根据 公式7，8，9可求得z1约309欧姆。
[0085]
如果纳秒脉冲电源的输出电压为120千伏，电流800安培，可得z4为150 欧姆。
[0086]
那么根据z4＝z1/n，z1/z4＝309/150，n取2，确定由2条极线分组 吊挂形成极线组。
[0087]
设计制造极线并联组件，使极线并联组件的波阻抗z2为309欧姆左右。 使用极线并联组件将2条极线的顶端和底端分别连接形成并联，形成极线组， 极线组在未安装极线串联组件前相互绝缘。
[0088]
设计制造极线串联组件，使其波阻抗z3为150欧姆左右。极线串联数量 m可求得为6/2＝3。使用极线串联组件将m组极线依次首尾相连形成串联。
[0089]
在反应器末端连接阻值为150欧姆的匹配电阻。
[0090]
使用频谱分析仪测试脱硫/硝反应器输入端的波阻抗，如有需要，通过 改变极线的半径等方法来调节波阻抗，达到纳秒脉冲电源输出波阻抗和脱硫 /硝反应器输入端的波阻抗相匹配。
[0091]
实验表明，本发明能实现纳秒波形的传输，使得纳秒波形从反应器输入 端传输到末端匹配电阻端。
[0092]
本发明实施例2实测波形如下：
[0093]
反应器输入实测波形如图15所示，示波器为泰克2024b，电压探头比例 为10000:1，图中曲线(18)是电流波形，曲线(19)是电压波形，其峰值电压 可达88kv，脉宽1微秒，上升沿为168纳秒，下降沿为86纳秒。
[0094]
使用传统连接方法制备反应器，所有6条极线均为并联，末端无匹配电 阻，末端匹配电阻实测电压波形如图16所示，示波器为泰克2024b，电压探头 自制比例为2500:1，图中曲线为末端匹配电阻实测电压波形，其峰值电压50kv， 上升沿为890纳秒，下降沿为832纳秒。
[0095]
使用本发明方法制备反应器，所有6条极线2并3串，末端有匹配电阻， 末端匹配电阻实测电压波形如图16所示，示波器为泰克2024b，电压探头自制 比例为2500∶1，图中曲线为末端匹配电阻实测电压波形，其峰值电压87.5kv， 上升沿为338纳秒，下降沿为311纳秒，电压幅值和上升下降沿得到明显改善。