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等离子在卷烟厂除异味系统中的应用研究 张彩峰赵龙章曲萍 南京工业大学自动化与电气工程学院， 南京 211816 摘要 卷烟厂中存在很多醛， 酮有害气体， 会大大降低工作环境的质量。针对此问题， 提出了在高压直流上叠加高频电 压交流脉冲的基础上调节可变电容改变电路阻抗的方法改进等离子体除异味装置。在高频高压脉冲电源下， 利用可 变电容与交直流叠加技术， 产生高频高压快速上升沿的交流脉冲， 改变负载回路上的阻抗， 比较品质因数不同情况下 产生的等离子， 满足产生更佳低温等离子体的需求。经仿真实验结果和烟厂异味气体的成分分析表明， 利用该方法可 以达到除异味的理想效果， 使工作环境得到更大更好的改善。 关键词 高压电源; 等离子体; 可变电容; 低温 /烟厂异味处理; 匹配电路 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 020 APPLICATION OF PLASMA IN DEODOR SYSTEM FOR A CIGARETTE FACTORY Zhang CaifengZhao LongzhangQu Ping Nanjing University of Technology，Nanjing 211816 ， China AbstractIn many cigarette factories，there are harmful gases，such as aldehydes and ketones that will reduce the quality of the environment． According to which，this paper puts forward a of using high voltage DC superimposed on high frequency voltage AC pulse to improve plasma deodor device． Under high frequency pulse power and high-voltage，using variable capacitor and AC/DC superposition technique to produce high-frequency high pressure rise fast along the communication pulse and produce low temperature plasma the impedance of the back-circuit can be changed． The simulation experiment results and gas composition analysis show that this can achieve the ideal effect ，making the work environment getting better． Keywordshigh voltage power supply;plasma;variable capacitor;non-thermal/tobacco factory odor treatment;matching circuit 0引言 卷烟厂的废气严重危害周边环境以及烟厂工作 人员的身体健康。因此对这种废气排放的控制已经 成为优化环境必须要解决的问题。卷烟厂在卷烟生 产过程中的制丝、 储丝、 卷接包装等工序中会散发出 一些刺鼻异味物质，该异味物质经 GC/MS 分析，主 要成分是大分子的醛、 酮、 酯和醇类等。这些物质浓 度低， 大多为异味物质异味物质浓度约 2 mg/m3， 其中有些物质具有致癌作用。酯类、 醛类和酮类等， 分子量较大， 有机物总量为 12. 38 μg/L; 其中有毒物 质有 14 种， 醛类居多， 总量为 5. 28 μg/L， 占挥发性 有机物总量比例达到了 42. 6 ; 其中致癌性物质有 11 种， 主要是吲哚类、 吡嗪类、 多环芳烃类、 联苯类， 总量为 4. 52 μg/L， 占挥发性有机物总量的 36. 5 。 改善生产线空气质量和周边环境， 保障工人健康， 在 烟草生产过程中产生的废气是一种臭气污染。目前 国内外烟草厂对废气排放的主流控制手段是用排风 扇进行排除工厂的废气， 但由于空气的循环， 工厂的 气味还是不能除去， 而且对周边的空气污染很严重。 采用化学反应进行处理， 在处理的同时带来了其他物 质的污染物， 形成二次污染。现在许多新兴的废气控 制技术正在研发， 其中低温等离子除异味 ［1］是最有 前途的技术之一。产生低温等离子体的方法很多， 常 见的有弧光放电、 介质阻挡放电法 DBD 、 辉光放电 法、 高阻抗阻挡放电 RBDP 和电晕放电法 CDP 等。20 世纪 90 年代后期， Yan 等人发现， 在直流电压 上叠加上升率大于 200 V/μs， 峰值大于 1 kV 的各种 波形的交流电压， 都会使放电转化为流光放电模式。 据此， 设计了在高压直流上叠加高频高压交流脉冲的 等离子体发生电源， 对系统可变电容进行改变电容值 67 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 以调节阻抗形成匹配电路。在对等离子除烟厂气味 的反应器中， 对等离子体电子和离子密度进行采样。 根据采样的数据比对对步进电机调节， 改变可变电容 的电容介质， 以达到理想的效果。 本文以南京市某卷烟厂为例， 其作为中国烟草行 业著名企业， 其拥有国际先进水平的烟丝生产线， 生 产的卷烟畅销全国。通过检测卷烟厂烟丝储存间未 安装处理设施前挥发性异味的组分及含量， 将烟厂烟 丝储存间气体采集装入瓶中再通过实验装置进行处 理， 为烟厂空气污染的防治提供依据。 1控制原理与设计 1. 1控制系统 控制系统硬件是以 DSP 为核心设计。DSP 芯片 负责 A/D 转换， 控制算法实现， 触发信号生成及调 整， 控制烟草废气处理系统和加热的开关量输出信 号。DSP 生成的触发信号经过 PWM 触发信号保护 闭锁模块输出给 IGBT 信号触发驱动板， 最后由驱动 板完成对 IGBT 的触发控制。采样电路包括高频高 压输出端电压、 电流采样， IGBT、 电感和变压器的温 度采样， IGBT 电流采样和等离子体的离子电子密度 的采样等 ［2］。匹配电路是将电源和反应器的参数要 求相结合， 其中采用可变的电容来改变电路的容性。 在这将步进电机来改变电容的介质， 根据静电探针在 等离子除烟厂气味的反应器中采集的电子密度、 电子 温度、 等离子体空间电位、 离子的温度、 离子的密度以 及采样电路上采集的烟厂气体的温度， 风速等进行信 息处理， 将采集的信息输入步进电机的控制电路， 根 据处理后的信息来控制步进电机的运转， 这样就是改 变可变电容的电容介质。从而改变整个电路的负载 阻抗。电机整个硬件电路方块结构图如图 1 所示。 图 1等离子除烟厂异味系统控制 1. 2高频高压脉冲电源的设计 所设计的交直流叠加高频高压脉冲电源主要参 数为 直流电压 V 0 ～ 30 kV， 交流电压 V 30 kV， 频 率 f 16 kHz。该电源主要由高压交流电源、 高压直 流电源、 匹配电路 包括反应器 组成， 电源原理图如 图 2 所示。 图 2电源原理 将交流叠加于直流的匹配电路有两种， 一是电容 耦合匹配网， 它可由 1 ～ 3 组 LR 缓冲电路和一个耦合 电容构成; 二是直接耦合匹配网， 该网可由 1 ～ 2 组 LR 缓冲电路和一个隔离变压器构成。耦合电容 C1主要 是耦合高频高压至直流高压电源上， 而且可以消除直 流电源对交流电源的影响; 滤波电感 L1主要是消除交 流电源对直流电源的影响， 并滤除直流电源输出的纹 波。改变可变电容的电容介质， 由单片机采集的信息 处理后控制步进电机的转速与时间， 从而改变电路的 阻抗值。L3为抗短路电感， 由于高频高压放电条件下 产生等离子， 反应器容易被击穿形成短路， 为了防止瞬 时过电流使变压器初级电流过大易损坏开关器件， 在 反应器上串联该 LR 回路， 这样可以抑制电流上升率。 设计电源实现在交直流电压的叠加基础上， 这样直流 电源和交流电源又可以独立调节， 根据等离子体的产 77 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 生情况改变可变电容。实际应用中可根据不同要求改 变可变电容的容值， 即改变阻抗将其调至最佳状况。 1. 3交直流电源主电路结构 交直流电源主电路原理图如图 3 所示。输入 380 V 交流电经晶闸管三相全控桥整流， 再由电容 Cpf和电感 Lpf组成的 LC 滤波器滤波， 再经过 IGBT 单 相全控桥逆变和高频变压器 Tac 变频升压。在整桥 电路和逆变电路之间连接由电感 Lp和电容 Cpf组成 LC 回路， 这 样 可 以 消 除 直 流， 防 止 变 压 器 直 流 偏 磁 ［3］。C L和 RL的并联电路为反应器电路的等效模 型。在逆变电路 中 用电容 Cd1、 Cd2、 Cd3、 Cd4并联于 IGBT， 用于实现电路运行时零电压开关。 这里采用谐振升压方式使变压器变比减为原来 值的十分之一左右。如果仅利用变压器升压达到流 光放电所需值， 变压器的匝比会过高， 反应器火花放 电短路时， 初级电流会过大可能会损坏开关器件， 电 路可靠性大大降低。同时由于初级谐振电感 Lacr还可 在负载短路时， 限制初级短路电流。 图 3交直流电源主电路原理 1. 4RLC 串联谐振电路分析与阻抗的分析 交流电源主电路的串联谐振部分等效电路如 图 4所示。等效谐振电感 Lr≈Lacr; 等效的谐振电容 为 Cr， 即为反应器 CL和耦合电容 C 1折算到变压器初 级的值， 将 Cr≈N1CL， 因 1 /ωCL 1 /ωC1， 变压器匝 比为 1∶ N1; 在反应器 DBD 放电前， 反应器上的等效 电阻 RL较大， 即 RL1 /ωCL， 可忽略不计; R 为线路电 阻相当于所有电阻。本交流电源中交流 － 直流 － 交 流电路可等效为高频方波电压源， 它可分解为正弦基 波分量和各次谐波分量 ［4］; 谐波频率较高， 基本落在 电感上， 反应器主要得到基波分量， 所以激励源可等 效为正弦电压源。 谐振网络的阻抗与电路工作频率满足 Z jw R jwL 1 jwC R j wL － 1 wC 1 L Lr C CrCn Cr Cn 图 4等效 RLC 串联谐振电路 由式 1 可分析得出 Cr是不变的， 我们改变 Cn就 可以改变电路的阻抗， 当我们改变了 Cn阻抗就改变等 离子发生的条件， 也就改变等离子的产生效果。 谐振 频 率 w0满 足 w0L 1 j w0C 0，所 以 w0 1 槡 LC， f0 w0 2π 。 品质因数 quality factor 是表征储能器件、 谐振 电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。 元件的 Q 值愈大， 用该元件组成的电路或网络的选 87 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 择性愈佳。谐振回路的品质因数为谐振回路的特性 阻抗与回路电阻之比。 Q0 2π f0L R 1 2π f0RC w0L R 1 w0RC 1 R 1 槡 LC 2 谐振网络的电压和相位关系可由式 2 表示。 AV Vout Vin 1 1 j w w0 － w0 w Q0 3 φ tan －12πfL － 1 2πfC       R tan －1 Q0 w w0 － w0 [] w 4 根据以上公式可以得出， 当谐振网络的谐振频率 高于全桥逆变电路工作频率时， 负载回路显容性， 回 路电压增益变大， 并且电流相位超前于电压; 当频率 增大至谐振网络的谐振频率时， 回路表现为纯电阻负 载， 此时电路的功率因数为 1; 当工作频率继续增大， 容抗小于感抗， 此时回路呈感性。对于串联谐振式逆 变器， 当谐振回路参数不变时， 改变逆变电路主开关 的触发信号， 可使电路工作于容性、 阻性 谐振 和感 性三种状态。 谐振电感的特性是指当电路的负载不变时， 频率 变化电路中谐振电感电压的变化特性。谐振电感电 压关系式 MLr VLr Vg 1 1 － w0 w 2 － j Q w0 w 1 1 1 F 2 － j QF 2 5 则电路的谐振电感的增益为 MLr 1 1 － 1 / F2 2 1 QF 槡 2 6 采用 MATLAB 仿真可得电感电压的传输特性曲 线如图 5 所示。 从图 5 可以看出 当电路工作于高 Q 时， 在谐振 频率附近电容电压有较高的谐振峰值， 因此设计电路 时， 需要耐压较高的电容， 然而在轻载低 Q 时， 谐振 电容电压较低， 尤其 Q ＜ 1 时谐振电容电压低于输入 电压， 利于电容的选择。 1. 5等离子体静电探针测量 测量反馈系统中以 AT89S52 单片机为核心，通过 D/A 转换器、 功率放大器后输出 50 V 的扫描电压加 图 5电感电压的传输特性曲线 在探针的一端 以双探针为例 ，同时把另一个探针上 流过的微弱电流信号经取样电阻网络转换成电压信 号，再经仪用放大器放大，电压转换后，通过 A /D 转 换器进行采样。单片机把采集到的数据通进行比较， 再去驱动电机使电机工作， 即改变可变电容的电容 值 ［5］。将电机运行到想要的电容值。选取等离子产生 最多的可变式电容的值系统结构如图 6 所示。 图 6静电探针系统结构 1. 6单片机控制电机 控制芯片采用 AT89C52 单片机。考虑到其 I/O 口输出电流较小， 一般不能直接驱动步进电机， 必须 配有驱动电路。这里采用 ULN2003 驱动芯片。单片 机直接控制步进电机的电路可实现步进电机的正转， 反转以及停止控制。对单片机控制电机时， 固定电机 转速， 再用单片机固定其每次工作的时间， 即电机每 次运作时都是固定的时间， 固定的转速。电机通过机 械变速箱改变可变电容中的介质移动位置。这样就 是改变电容值同样也就是改变电路的阻抗。 2实验仿真与结果 根据上述设计， 对 IGBT 的仿真结果如图 7、 图 8 所示在改变可变电容值， 改变电路的阻抗， 所得的波 97 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 形得到理想效果。设计出输出电压 15 ～ 25 kV 可调， 工作频率 10 ～ 20 kHz 可调， 功率 5 ～ 15 kW 的低温等 离子体除烟厂异味电源样机 ［6］。在密闭的装有大量 烟厂异味空间里运行设备， 在设备运行半小时后完全 可以闻不到烟厂异味。表 1 就是在运行前后对气体 采集检测的结果。表明这种方法可以达到消除烟厂 异味。 为了能够验证 LC 串联谐振在低 Q 和高 Q 时的 区别 定义高 Q 为电感电流可以反向谐振; 低 Q 为谐 振电流不满足反向条件谐振半周期后停止谐振 实 验中分别对两种不同 Q 的电路， 进行实验对比。实 验中设计谐振电感为 63 μH; 谐振电容为 40 nF， 电路 中为了验证原理减少变压器的影响设计变压器为 1∶ 2， 输入电压为 30 V， 通过改变负载设计电路品质 因数分别为 0. 1 和 3。 图 7Q 3 时谐振电流和驱动电压 图 8Q 0. 1 时谐振电流和驱动电压 3结束语 利用可变电容在交直流叠加电源在反应器中实 现稳定的流光放电， 产生良好的低温等离子体， 在与 电源匹配的反应器上有较好的匹配。在对低温等离 表 1烟厂气体异味成分反应前后的比较 种类性质 处理前后含 量 / μg L － 1 N- 4-氯苯基 乙酰胺有毒、 有气味 0. 570. 14 2-氯乙基- 3， 5-二甲基 l- 1H-吡咯- 2- 羧酸酯 有毒、 有气味0. 220. 06 1-吡啶- 1-丙酮有毒、 有气味 0. 240. 05 苯甲醛有毒、 有气味0. 070. 02 糠醛有毒、 有气味0. 160. 04 2 － 羟基己二醛有毒、 有气味 0. 440. 10 对 1， 1-二甲基 － 乙基 － 苯乙酸醚有毒、 有气味0. 920. 19 2-甲酰基- 1-甲基吡咯有毒、 有气味 0. 430. 09 4-叔丁基苯氧基 乙酸甲酯有毒、 有气味0. 39 0. 08 乙基 4-甲酰基苯氧 醋酸有毒、 有气味0. 370. 08 辛醛有毒、 有气味0. 390. 09 2-丁醛 有毒、 有气味0. 540. 13 1， 2， 3， 4-四甲基苯有毒、 有气味 0. 140. 03 四甲基吡嗪致癌、 有气味0. 330. 11 3， 6-二甲基菲致癌、 有气味 0. 360. 11 子体处理系统进行实验性研究后， 发现处理系统中气 量不宜过大， 控制在 300 ～ 350 m3/h 为宜， 我们在一 定功率上处理气体都能达到 70 以上。等离子体发 生装置对烟厂异味环境中各分子的消除效果， 都达到 了国家废气排放标准 GBJ473工业“三废” 排放试 行标准 ， 创造了良好的工作环境。 参考文献 ［1］朱晓波，陈家森，李祥，等． 电晕放电致使微生物失活的机理 研究［J］． 华东师范大学学报． 自然科学版，2000 3 62． ［2］王爱国，姜学东，胡小吐． 低温等离子体污水处理电源的设计 ［J］． 电力电子技术， 2009， 43 2 1- 4． ［3］Milt V G，Peralt A M A，Ullalla M A，et al． Soot oxidation on a catalytic NOx trapBeneficial effect of the Ba-K inter action on the sulfated Ba， K /CeO2catalyst［J］．Catalyst Communications， 2007， 8 5 765- 769． ［4］Matsi Y，T Akasima K，M Izuno A． After-treatment o f NOx using combination o f no n-thermal plasma and oxidative catalyst prepared by novel impregnation［J］． J of Advanced oxidation， 2005， 8 2 255- 261． ［5］王新新． 介质阻挡放电及其应用［J］． 高电压技术， 2009， 35 1 1- 11. ［6］杜寅捷． 基于 DSP 实现等离子体固废处置电源的研究［D］． 南 京 南京工业大学， 2011． 作者通信处张彩峰211816南京市南京工业大学江浦校区自动 化与电气工程学院 E- mailzhangcaifeng18 163． com 2012 － 09 － 04 收稿 08 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期