利用高压放电和臭氧来处理水系统中的水的系统和方法技术方案

一种用于利用等离子体放电处理流动的水系统以除去或控制微生物种类的生长的系统和方法。保护水系统的组件免受来自电动液压处理的过剩能量损坏。由给等离子体放电供电的高压发生器产生的臭氧气体被循环以进一步处理水。气体注入系统可以用于在被处理的水中产生臭氧、空气或其他气体的细气泡以有助于等离子体产生，尤其在水的电导率高时。电极安装组装件将高电压电极和接地电极彼此保持在固定的距离，以优化等离子体产生。高压发生器电路的开口支撑结构在物理上分离火花隙电极并且抵抗可以中断高压脉冲的放电以产生等离子体的金属沉积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年4月24日提交的美国临时申请序列号61/983,678和61/983,685以及2015年4月24日提交的美国申请序列号14/695,519的权益。
本专利技术涉及一种用于使用高压放电产生等离子体和使用从高压产生的臭氧副产物来处理流水系统的系统和方法，以增强水的处理。本专利技术的系统和方法尤其用于处理冷却塔或其他再循环或闭环系统。
技术介绍
人为(供)水系统是大多数的世界能源生产设施、工业和制造工厂、医院和其他机构的建筑群和建筑中常见的重要组成部分。这些系统每年消耗7000亿加仑左右的水，并且在补给水方面的成本就达18亿美元且污水处理成本单算。所有这些人为水系统需要一些形式的处理，化学或非化学的处理，以控制在重要传热表面上的水垢、生物膜和其他腐蚀副产物的堆积，该重要传热表面对于有效系统运行是必须的。对于涉及热交换的水系统，例如冷却塔和锅炉，有效处理以去除这些污染物和延长系统被重新污染之前的时间量，可以节省相当数量的资金。有效彻底的处理可以通过减少周期性处理的频率或减少日常维护和/或周期性处理所需要的化学品的量，节省劳动和处理化学品的成本。通过清洁热交换表面的操作，这样的处理也可以节省能源费用。热交换表面的污垢每年花费美国工业数千万美元，并且直接关系到每年增加近3千万亿Btu(库德，quad)的能源消耗。为了最大化水的使用和减少浪费，这些系统的许多系统应用一系列化学处理保护系统不受结垢、生物膜形成和腐蚀。在必需排出水并用新鲜水更换它之前，这些化学处理使水再利用和循环多次。增加水可以循环的持续时间显著减少排向污水系统的水量，并且最小化更换放掉的水而需要的补给水。然而，当使用的化学品具有高腐蚀性时，许多化学处理成分和方法会损害被处理的水系统的组件。还有就是环境也倒向了苛刻的化学处理的一边，包括日益关注的有毒消毒副产物的形成，诸如三卤甲烷、卤代乙腈和卤代酚，这些在释放到环境中的排放水中已被鉴定出来。估计由冷却塔处理导致的每年排放的水处理化学品有5360亿磅，这会影响接收排出水的区域和水道中或附近生存的各种物种或接收排出水的污水处理厂的细菌成分。在最小化与一些化学处理相关的环境影响的尝试中，许多水处理公司以及更重要地他们的客户正在寻求使用非化学基水处理技术维持它们的系统性能。近来有约30种目前可商购的用于商业和住宅的水系统中的非化学处理设备或水调节技术。这些系统可以分为三类：(1)间接化学生产者，使用良性或安全的化学添加物，例如空气或盐以产生杀生物剂。这些系统包括臭氧发生器和电化学次氯酸盐发生器以及混合氧化剂发生器。(2)直接化学生产者，由对水的直接相互作用产生活性化学物质。这些设备使用机械处理(诸如水力空化或超声空化)以沿着水中高温高压的局部区域生产羟基自由基。适合该种类的其他设备类型是紫外线系统。(3)电气和磁性设备，包括等离子体的产生，使用感应电场和磁场以诱导离子迁移和运动，离子的迁移和运动能够通过电穿孔或在细胞壁内引起离子回旋共振效果导致细胞死亡。在所有这些技术之中，电气和磁性设备是最常见的；然而，它们是具有最少严谨的科学支持的技术。直接和间接化学方法具有更多科学可信度；然而，这种更好的理解会限制它们的潜在应用，因此它们还不能够占领更大部分的市场份额。高压放电和在水中产生等离子体的应用在现有技术中是公知的。例如，B.R.Locke等人(Ind Eng.Chem Res 2006,45,882-905)出版的文章描述了电极构造和几何结构、脉冲电弧与脉冲电晕以及水中放电的放电期间形成的化学物质和在水放电过程中的非热能等离子体。该文章解决了许多与使用该技术的水处理有关的基本问题，但是却未解决与在工业、商业或居住环境中的水处理有关的实际应用，尤其是涉及多个地面点的需求时最小化释放进入水和周围大气的电磁辐射的影响。在最近的出版物中，Bruggeman等人发布了液体中且与液体接触的非热等离子体的综述，其中，Bruggeman概括出14种不同的反应器构造，包括Locke在文章中概述的多个电极几何结构。(P.Bruggeman,and C.Leys,J.Phys.D.Appi.Phys,2009,1-28)。在流体被等离子体放电处理的大多数的这些反应器类型中，是没有流动的大型放电系统(例如，气泡电晕放电反应器、利用浸入液体射流的放电反应器、电解放电反应器或毛细针放电反应器系统)；然而，还描述了介质阻挡放电(DBD)反应器，其中在气泡放电反应器的阻碍物的任一侧上导入流体和气体流。该文章提醒注意即使在气泡与电极不接触时，也具有在气泡内生成等离子体的可能性，以及系统的火花电压随着气泡速率的增大而减小。未提及气泡尺寸对火花电压的影响。实际上，还需注意的是，在气泡沿着绝缘体的表面设置时，产生沿着气泡表面成形和定位的流光，并且始终在电极、气泡壁部以及绝缘体之间的三重连接处产生放电。使用臭氧气体处理水也是已知的。例如，Gupta等人的文章(S.B.Gupta,IEEE Transactions on Plasma Science,2008,36,40,1612-163)描述了在水中使用由脉冲放电引起的高级氧化过程。Gupta描述的过程使用从次级独立源(而不是由高压发生器)供应至放电反应器的氧气或臭氧气体。他们也报告说，系统输出和性能高度依赖于溶液的电导率。对于其中水的电导率很高的系统(诸如在冷却塔和闭环回路应用中)需要更高的电压放电，这反过来产生电磁辐射的问题。为了在水内在高压电极与接地电极之间生成等离子体或产生液中放电，尤其在水化学(电导率、化学成分、溶解的固体、浮游细菌数、pH等)可以随着时间改变的水系统中，需要高压电源，该电源可以在这两个电极之间生成高达并且200kV以上的电位差。用于生成足以在水内生成等离子体或产生液中放电的一种已知的系统是马克思发生器或马克思梯子。马克思发生器使用电路，该电路通过并行改变一组电容器来生成高压脉冲，然后，使用火花隙触发器来突然依次将电容放电。通常，组件在包含加压气体的外壳内由框架支撑。这些高压发生器中的很多以设计有最大能量密度，作为最终目标，并且设计为在火花隙室内使用诸如SF6等气体以及更大的压力，以促进更高的击穿电压。由于这些高击穿电压，每当激活火花隙时，在一部分火花隙电极汽化时，具有一些金属损失。然后，汽化的金属沉积在高压发生器的组件上，并且在某种累积之后，可以中断火花隙放电的时间。这对于短时间运行的高压系统不是问题，例如，供静态水处理操作使用；但是，对于被设计成运行几个月到几年的时间的系统，例如，用于处理流水系统，这很成问题。有几个现有技术专利或公布的专利申请解决了用于各种目的(包括水处理或净化)的等离子体产生，诸如美国专利申请公开号2009/0297409(在大气压或更高压力下流放电等离子体的产生)、美国专利申请公开号2006/0060464(流体中等离子的产生，尤其在水性介质中包含和产生的气泡内形成的，并且描述了多个电极构造，包括俘获气泡并且使其用作介质阻挡以增大在电极两端的电压的构造)、美国专利号6,558,638(使用高压放电处理液体，同时整合用于在放电区中产生气泡的气体传输设备)以及美国专利申请公开号2010/021本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于利用等离子体放电和臭氧来处理流动的水系统中的水的处理系统，所述处理系统包括：高压发生器，包括：配置在马克思梯子电路中的多个电容器、多个电阻器和多个火花隙电极，用于所述火花隙电极的支撑结构与外壳；反应室，包括：被配置成接收流经所述水系统的至少一部分水作为待处理的水的入口，被配置成将所述一部分水在利用等离子体放电和臭氧进行处理之后返回到所述水系统的出口，以及反应室主体；气体注入系统，设置在所述入口的上游或者所述反应室内，以添加一种或多种气体的气泡到所述待处理的水中；高压电极和接地电极，它们均至少部分设置在所述反应室内并且被配置成在由所述高压发生器产生高压脉冲时，在所述反应室主体内产生等离子体放电；以及导管，被配置成将所述高压发生器中产生的臭氧气体从所述外壳内传送给所述气体注入系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.24 US 61/983,685;2014.04.24 US 61/983,6781.一种用于利用等离子体放电和臭氧来处理流动的水系统中的水的处理系统，所述处理系统包括：高压发生器，包括：配置在马克思梯子电路中的多个电容器、多个电阻器和多个火花隙电极，用于所述火花隙电极的支撑结构与外壳；反应室，包括：被配置成接收流经所述水系统的至少一部分水作为待处理的水的入口，被配置成将所述一部分水在利用等离子体放电和臭氧进行处理之后返回到所述水系统的出口，以及反应室主体；气体注入系统，设置在所述入口的上游或者所述反应室内，以添加一种或多种气体的气泡到所述待处理的水中；高压电极和接地电极，它们均至少部分设置在所述反应室内并且被配置成在由所述高压发生器产生高压脉冲时，在所述反应室主体内产生等离子体放电；以及导管，被配置成将所述高压发生器中产生的臭氧气体从所述外壳内传送给所述气体注入系统。2.根据权利要求1所述的处理系统，进一步包括：设置在所述反应室内的电极安装组装件，所述电极安装组装件包括连接至所述高压电极的高压安装基座以及连接至所述接地电极的接地安装基座。3.根据权利要求2所述的处理系统，其中，所述高压安装基座包括轮状主体。4.根据权利要求3所述的处理系统，其中，所述接地电极安装基座包括漏斗形主体或穹形主体。5.根据权利要求2所述的处理系统，其中，所述高压安装基座和接地安装基座被配置成将所述高压电极与所述接地电极保持介于约1与10mm之间的固定的间隙距离。6.根据权利要求5所述的处理系统，其中，所述接地电极包括大致柱形导电管，所述管具有穿过所述管的侧壁而设置的多个孔，其中，所述管设置在所述接地电极安装基座与所述高压安装基座之间。7.根据权利要求6所述的处理系统，其中，所述高压电极包括至少部分设置在接地电极管内并且与所述接地电极管大致同心的杆，并且其中，所述间隙距离是所述杆的外表面与所述管的内表面之间的径向距离。8.根据权利要求7所述的处理系统，其中，所述杆的约4到30mm设置在所述接地电极管内。9.根据权利要求6所述的处理系统，其中，所述管的外表面涂有电介质阻挡材料。10.根据权利要求1所述的处理系统，其中，用于所述火花隙电极的支撑结构包括：上部支撑臂，具有包括开口中心部的大致矩形构造；下部支撑臂，具有包括开口中心部的大致矩形构造；一个或多个垂直支撑臂，以间隔开的关系将所述上部支撑臂连接至所述下部支撑臂；多个间隔开的立柱对，各对包括从第一边的所述下部支撑臂垂直地延伸的第一立柱以及从与所述第一边大致相对的第二边的所述下部支撑臂垂直地延伸的第二立柱。11.根据权利要求10所述的处理系统，其中，所述上部支撑臂、下部支撑臂与垂直支撑臂形成大致U形框架的开口。12.根据权利要求10所述的处理系统，其中，所述支撑结构具有约2英寸宽乘以2英寸高到3英寸宽乘以3英寸高的容积。13.根据权利要求10所述的处理系统，其中，所述支撑结构进一步包括多个电极基座，各基座从所述间隔开的立柱对中的各第一立柱和各第二立柱向内延伸，其中，各电极基座附接至所述火花隙电极中的一个火花隙电极，以在各间隔开的立柱对之间形成多个电极对；并且其中，各电极对中的所述火花隙电极之间的间隙距离是约15mm到40mm。14.根据权利要求13所述的处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里安·J·丹弗，戴维·F·韦拉，马修·C·霍洛韦，威廉·P·伯施，乔斯·E·埃瓦罗，
申请(专利权)人：NCH公司，
类型：发明
国别省市：美国;US