CN104891447B - 一种半湿式高效臭氧发生方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于臭氧发生技术领域，公开了一种半湿式高效臭氧发生方法及装置；该方法将臭氧发生的过程设在半湿的环境里，结合脉冲放电技术，将氧分子和部分水分子转化为臭氧；该装置由脉冲放电器、进气管和臭氧发生器组成，气体和水同时输入进气管，形成高速的氧气水雾混合物进入臭氧发生器，在脉冲放电的一系列作用下，氧分子与部分水转化臭氧输出，臭氧中混有的水蒸汽经冷凝分离后去除。该方法及装置能显著提高电能效率，输出高浓度的臭氧。
Description
技术领域
本发明属于臭氧发生技术领域，具体涉及一种半湿式高效臭氧发生方法及装置。
背景技术
臭氧作为一种强氧化剂，具有极强的消毒灭菌能力和氧化分解能力，被广泛用于饮用水处理、生活污水和工业废水治理。与其它氧化剂相比，臭氧消毒氧化迅速，臭氧分解还原产物为氧气，是一种绿色高效的氧化剂。目前制造臭氧的方法是高压放电法、电解法、紫外光照射法，高压放电法臭氧产量较大，在工业上得到最广泛的利用。理论上，消耗1kWh的电可生成1220g臭氧，然而在实际的生产过程中消耗1kWh电生产的臭氧一般只能达到63-100g，不及理论值的10%，大部分的能量以热的形式损耗，使得发生器内部温度升高。臭氧的化学性质不稳定，常温下会缓慢分解，而且随温度升高分解速度加快，当温度超过100℃时，分解相当剧烈。因此，快速降低发生器的温度成为提高电能效率及臭氧浓度的关键点。
目前，高压放电臭氧发生器的冷却有水冷和风冷两种方式，其中水冷效果较好应用广泛，有单电极冷却和双电极冷却两种应用方式。由于高压电极被介电体或基板包裹着，不论是单电极冷却或是双电极冷却，在冷却水高压电极之间还隔着导热性能不好的介电体或基板，冷却效果受到一定的限制。
专利CN 103818881 A提出一种平行板式臭氧发生装置，该装置由多组平行板式臭氧发生单元集成，并设有冷却腔框，臭氧发生单元通过共用冷却腔框叠合，在这种结构下，地电极和高压电极都能受到冷却水的冷却作用。然而，高压放电臭氧发生单元是一种内部产热的气相反应器，内部环境的散热需要通过两电极间接完成，不能最高效的散去臭氧发生单元内部的热量。若冷却水能直接从臭氧发生单元内部通过，就能直接散去臭氧发生单元内部的热量，提高臭氧的浓度。
周从直等在《Research on TNT Removal by Electro-hydraulic pulse plasmain Aqueous Solution》文中指出，电液压脉冲技术可在液相中形成等离子体，并产生高温、高压、高密度活性粒子、强烈的紫外光和超声波。赖世强，廖振方在《净化水体的水下臭氧发生装置研究》文中指出，电液压脉冲能生成产生臭氧需要的足够数量自由电子，并设计出水下臭氧发生装置。 但该装置内的水在电液压脉冲过程中会消耗自由电子发生离解和氧化，与臭氧的产生形成直接竞争关系，直接影响到臭氧浓度；此外，电脉冲过程中产生的大量热量也会使臭氧的分解速度加快，导致臭氧浓度降低；最后，该水下臭氧发生装置不能将臭氧输送到装置外，就算配套相应的臭氧输出单元，也不太可能分离出高浓度的臭氧。
总之，现有高压放电法臭氧发生器在工作中大量电能以热量的形式直接损耗，大大降低电能的使用效率，较高的温度使臭氧的分解速率加快不能保证高浓度的臭氧。因而在实际的生产过程中消耗1kWh电生产的臭氧不及理论值的10%。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种半湿式高效臭氧发生方法，该方法将臭氧发生的过程设在半湿的环境里，结合脉冲放电技术，利用氧分子和部分水分子制取臭氧，解决现有臭氧发生技术中存在的，电能效率低、内部温度高、臭氧浓度低等问题。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
（1）将水与氧气或高压空气按体积比为0.05~0.1的比例混合，形成水雾氧气混合物高速通入两放电电极间；
（2）在脉冲放电下，两电极间生成等离子体通道，同时产生紫外光和热量，水雾被气化，氧分子和水分子在自由电子的碰撞中离解生成臭氧，其中脉冲放电频率为50~300kHz，额定电压25~70kV，额定电流2A；
（3）混有水气的臭氧经冷凝板冷凝分离后输出纯净的臭氧。
所述的步骤（1）中，水雾氧气混合物通入两放电电极间的速度为40~60m/s。
所述的步骤（2）中，臭氧发生器中两电极间发生脉冲放电形成等离子体通道，产生大量高能电子、紫外光和热量，氧分子和水分子在这个过程中发生一系列物理化学过程形成臭氧。具体过程包括：（1）与氧气同时输入的水雾在高温下被迅速气化，更容易离解出氧原子，同时吸收热量降低臭氧发生单元内部的温度；（2）氧气分子和水分子分别与自由的高能电子碰撞电离成氧原子，经过三体碰撞后生成臭氧[见式（1）~（3）]；（3）脉冲放电产生的紫外光能使氧气转变为臭氧[见式：(4)~(5)]；（4）水分子在阳极的作用下会直接被电解生成臭氧（式6）。
e-+O2→2O·+e- （1）
e-+ H2O→O·+·OH+ e- （2）
O·+O2+M→O3+M； （3）
O2+hr→O·+O· （4）
O2+O·+M→O3+M （5）
3H2O→O3+6H++6e- （6）。
本发明另一目的是提供一种实现上述方法的半湿式高效臭氧发生装置，其包括进气管、臭氧发生器、脉冲放电器；其中所述进气管为文丘里管，其包括气体入口1、收缩管2、液体入口3、喉管4，气体入口1通过收缩管2与喉管4连接，液体入口3设置在喉管4上并与其连通；臭氧发生器包括外壳8、高压电极6、接地电极7、冷凝板9，高压电极6和接地电极7设置在外壳8内，3~5块的冷凝板9倾斜设置在外壳8内顶端；外壳8上开有进样通道5，喉管4设置在臭氧发生器的进样通道5上并与其连通；外壳8上设置有臭氧输出口10和冷凝水出口11；高压电极6、接地电极7分别与脉冲放电器连接，高压电极6与接地电极7之间的间距为10~50mm。
所述外壳为绝缘外壳。
所述高压电极6为柱状或针状高压电极时，接地电极7为环状接地电极；高压电极6为板状高压电极或空心环状高压电极时，接地电极7为板状接地电极。
所述冷凝板9为带有气流通孔12的陶瓷板，冷凝板9之间气流通孔交错设置，冷凝板的边缘、气流通孔12周围高出板面5~10mm；通过脉冲放电产生的臭氧中会混有少量水蒸汽，混合气体通过冷凝板时水蒸汽被冷凝，冷凝水经冷凝板由冷凝水出口11排出。
所述电极材料可以是钛、铁、不锈钢中的一种或两种。
所述脉冲放电器是满足脉冲放电频率50~300kHz，额定电压25~70kV，额定电流2A的常规市售产品。
其中脉冲放电器与臭氧发生器中的放电电极相连，即高压电极6与接地电极7的放电电压由脉冲放电器提供；进气管为文丘里管，为臭氧发生器输送高速的氧气与水雾混合气体；氧气或高压空气由气体入口1进入，经收缩管2后气体流速增大，静压降低，进入喉管4时流速达最大值；水从液体入口3进入并在高速气流下雾化，使气体和水雾混合高速输送至臭氧发生器中。
本发明的优点和技术效果：
（1）冷却性能好：实现了臭氧发生单元的内部冷却，冷却效果好；
（2）臭氧浓度高：由于系统中的气流是在高速状态下的，生成的臭氧能快速离开高温环境，使被分解的臭氧数量减少；同时，作为冷却物质的水雾在脉冲放电的作用下也能产生臭氧，使产生的臭氧数量增加；此外，通过内部冷却，有效降低臭氧发生单元内部的温度，使臭氧的分解速率降低；
（3）电能效率高：水雾吸收脉冲放电产生的热量气化后更利于水的离解，在减少高温对臭氧负面影响的同时，将这部分能量重新利用，使电能的利用率增加。
附图说明
图1为本发明环状电极半湿式高效臭氧发生装置；图中：1-气体入口，2-收缩管，3-液体入口，4-喉管、5-进样通道，6-柱状高压电极，7-环状接地电极，8-外壳，9-冷凝板，10-臭氧输出口，11-冷凝水出口；12-气流通孔；
图2为本发明板状电极半湿式高效臭氧发生装置，图中：1-气体入口，2-收缩管，3-液体入口，4-喉管、5-进样通道，6-板状高压电极，7-板状接地电极，8-外壳，9-冷凝板，10-臭氧输出口，11-冷凝水出口，12-气流通孔；
图3为本发明空心环状电极半湿式高效臭氧发生装置，图中：1-气体入口，2-收缩管，3-液体入口，4-喉管、5-进样通道，6-空心环状高压电极，7-板状接地电极，8-外壳，9-冷凝板，10-臭氧输出通道，11-冷凝水出口，12-气流通孔。
图4为本发明中用到的冷凝板，图中12为气流通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，但本发明保护范围不局限与所述内容。
实施例1：本半湿式高效臭氧发生方法，具体操作如下：
（1）将水与氧气按体积比0.05的比例混合，形成水雾氧气混合物以60m/s的速度通入两放电电极间；
（2）在脉冲放电下，两电极间生成等离子体通道，同时产生紫外光和热量，水雾被气化，氧分子和水分子在自由电子的碰撞中离解生成臭氧，其中脉冲放电频率为50kHz，额定电压50kV，额定电流2A；
（3）混有水气的臭氧经冷凝板冷凝分离后输出纯净的臭氧。
如图1、4所示，实现本实施例方法的半湿式高效臭氧发生装置包括气体入口1、收缩管2、液体入口3、喉管4，气体入口1通过收缩管2与喉管4连接，液体入口3设置在喉管4上并与其连通；臭氧发生器包括外壳8、高压电极6、接地电极7、冷凝板9，高压电极6和接地电极7设置在外壳8内，3块的冷凝板9倾斜设置在外壳8内顶端并位于外壳尾端，外壳8上设置有臭氧输出口10和冷凝水出口11，高压电极6、接地电极7分别与脉冲放电器连接，外壳8上开有进样通道5，喉管4设置在臭氧发生器的进样通道5上并与其连通；臭氧发生器的外壳8为桶状，高压电极6为柱状铁电极，接地电极7为环状铁电极，接地电极7套装在高压电极6周围，高压电极6与接地电极7之间的间距为15mm；所述冷凝板9为带有气流通孔12的陶瓷板，冷凝板9之间气流通孔交错设置，冷凝板的边缘、气流通孔12周围高出板面5mm；
臭氧与水蒸汽经过冷凝板后水蒸汽被冷凝分离，冷凝水由底部的冷凝水出口11排出，臭氧从顶部臭氧输出口10输出。
氧气和水分别由气体入口1和液体入口3输入进气管，氧气与水的体积比为0.05；脉冲放电器的脉冲频率50kHz，额定电压50kV。
工作一段时间后经检测最高臭氧产量可达140g/h，功耗7.2kWh/kg，即每消耗1kWh电生产140g臭氧，为理论值的12%。
实施例2：本半湿式高效臭氧发生方法，具体操作如下：
（1）将水与高压空气按体积比0.08的比例混合，形成水雾氧气混合物以50m/s的速度通入两放电电极间；
（2）在脉冲放电下，两电极间生成等离子体通道，同时产生紫外光和热量，水雾被气化，氧分子和水分子在自由电子的碰撞中离解生成臭氧，其中脉冲放电频率为100kHz，额定电压25kV，额定电流2A；
（3）混有水气的臭氧经冷凝板冷凝分离后输出纯净的臭氧。
如图2、4所示，实现本实施例方法的半湿式高效臭氧发生装置包括气体入口1、收缩管2、液体入口3、喉管4，气体入口1通过收缩管2与喉管4连接，液体入口3设置在喉管4上并与其连通；臭氧发生器包括外壳8、高压电极6、接地电极7、冷凝板9，高压电极6和接地电极7设置在外壳8内，3块的冷凝板9倾斜设置在外壳8内顶端并位于外壳尾端，外壳8上设置有臭氧输出口10和冷凝水出口11，高压电极6、接地电极7分别与脉冲放电器连接，外壳8上开有进样通道5，喉管4与进样通道5连通；臭氧发生器的外壳8为长方体，高压电极为板状的不锈钢，接地电极用板状的不锈钢，高压电极与接地电极平行放置于外壳8内，电极间距为35mm；冷凝板9为带有气流通孔12的陶瓷板，冷凝板9之间气流通孔交错设置，冷凝板的边缘、气流通孔12周围高出板面10mm；
臭氧与水蒸汽经过冷凝板后水蒸汽被冷凝分离，冷凝水由底部的冷凝水出口11排出，臭氧从顶部臭氧输出口10输出。
高压空气和水分别由气体入口和液体入口输入进气管，氧气与水的体积比为0.08；脉冲放电器的脉冲频率100kHz，额定电压25kV；
工作一段时间后经检测最高臭氧产量可达180g/h，功耗5.6kWh/kg，即每消耗1kWh电生产180g臭氧，为理论值的14.8%。
实施例3：本半湿式高效臭氧发生方法，具体操作如下：
（1）将水与氧气按体积比0.1的比例混合，形成水雾氧气混合物以40m/s的速度通入两放电电极间；
（2）在脉冲放电下，两电极间生成等离子体通道，同时产生紫外光和热量，水雾被气化，氧分子和水分子在自由电子的碰撞中离解生成臭氧，其中脉冲放电频率为180kHz，额定电压70kV，额定电流2A；
（3）混有水气的臭氧经冷凝板冷凝分离后输出纯净的臭氧。
如图3、4所示，实现本实施例方法的半湿式高效臭氧发生装置包括气体入口1、收缩管2、液体入口3、喉管4，气体入口1通过收缩管2与喉管4连接，液体入口3设置在喉管4上并与其连通；臭氧发生器包括外壳8、高压电极6、接地电极7、冷凝板9，高压电极6和接地电极7设置在外壳8内，3块的冷凝板9倾斜设置在外壳8内顶端并位于外壳尾端，外壳8上设置有臭氧输出口10和冷凝水出口11，高压电极6、接地电极7分别与脉冲放电器连接，外壳8上开有进样通道5，喉管4与臭氧发生器的进样通道5连通；臭氧发生器的外壳8为桶状，高压电极6为空心的环状铜电极，空心环状高压电极6设置在进样通道5内，
氧气水雾混合物从空心环状高压电极6喷出，接地电极7为板状的铜电极，垂直设置在高压电极6一侧，高压电极环状端口与接地电极7的距离为50mm；冷凝板9为带有气流通孔12的陶瓷板，冷凝板9之间气流通孔交错设置，冷凝板的边缘、气流通孔12周围高出板面8mm；
臭氧与水蒸汽经过冷凝板后水蒸汽被冷凝分离，冷凝水由底部的冷凝水出口排出，臭氧从顶部臭氧输出口输出。
氧气和水分别由气体入口和液体入口输入进气管，氧气与水的体积比为0.1；脉冲放电器的脉冲频率180kHz，额定电压50kV。
工作一段时间后经检测最高臭氧产量可达150g/h，功耗6.7kWh/kg，即每消耗1kWh电生产150g臭氧，为理论值的12.3%。
Claims (5)
1.一种半湿式高效臭氧发生方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将水与氧气或高压空气按体积比为0.05~0.1的比例混合，形成水雾氧气混合物高速通入两放电电极间；
（2）在脉冲放电下，两电极间生成等离子体通道，同时产生紫外光和热量，水雾被气化，氧分子和水分子在自由电子的碰撞中离解生成臭氧，其中脉冲放电频率为50~300kHz，额定电压25~70kV，额定电流2A；
（3）混有水气的臭氧经冷凝板冷凝分离后输出纯净的臭氧。
2.根据权利要求1所述的半湿式高效臭氧发生方法，其特征在于：水雾氧气混合物通入两放电电极间的速度为40~60m/s。
3.实现权利要求1所述的半湿式高效臭氧发生方法的装置，其特征在于：包括进气管、臭氧发生器、脉冲放电器；其中所述进气管为文丘里管，其包括气体入口（1）、收缩管（2）、液体入口（3）、喉管（4），气体入口（1）通过收缩管（2）与喉管（4）连接，液体入口（3）设置在喉管（4）上并与其连通；臭氧发生器包括外壳（8）、高压电极（6）、接地电极（7）、冷凝板（9），高压电极（6）和接地电极（7）设置在外壳（8）内，3~5块的冷凝板（9）倾斜设置在外壳（8）内顶端；外壳（8）上开有进样通道（5），喉管（4）设置在臭氧发生器的进样通道（5）上并与其连通；外壳（8）上设置有臭氧输出口（10）和冷凝水出口（11），高压电极（6）、接地电极（7）分别与脉冲放电器连接；高压电极（6）与接地电极（7）之间的间距为10~50mm。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：高压电极（6）为柱状或针状高压电极时，接地电极（7）为环状接地电极；高压电极（6）为板状高压电极或空心环状高压电极时，接地电极（7）为板状接地电极。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于：冷凝板（9）为带有气流通孔（12）的陶瓷板，冷凝板（9）之间气流通孔交错设置，冷凝板的边缘、气流通孔（12）周围高出板面5~10mm。
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