CN108698823B - 在高气压下产生臭氧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过具有高压电极(5)和至少一个对电极(1)的臭氧发生器在高气压下产生臭氧的方法，该高气压允许至少1kg臭氧/h的生产能力，其中高压电极(5)和至少一个对电极(1)限定间隙，在该间隙中布置至少一个电介质，并且具有气压p_gas的含氧气体穿过该间隙，并且其中，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)被提供有对电源(7，8)的连接，以在至少一个放电间隙中产生放电，其中所述电源提供1kV至50kV范围内的高电压，并且其中，放电的放电距离d_i(9)具有在最小放电距离d_min与最大放电距离d_max之间的分布，并且其中，所述含氧气体的气压p_gas至少为3bar。

Description

在高气压下产生臭氧的方法

技术领域

本发明涉及一种在高气压下产生臭氧的方法。

背景技术

在臭氧的某些应用领域中，臭氧发生器的出口处需要达到12bar的高气压。这些应用领域例如包括造纸工业中的纸张漂白。在约1-2bar的工作压力下具有几kg/h的臭氧生产能力(capacity)的臭氧发生器通常用于漂白纸张。

在本说明书中，单位“bar”将用作压力的技术单位。其被理解为超过大气压的额外压力。绝对压力的数值比该额外压力大1013mbar。

例如可以从申请文件WO/2013/136663中获知如下类型的臭氧发生器：管状高压电极被管状电介质和管状对电极包围。电极以相对于彼此同轴的方式布置。电介质位于对电极的内部。含氧气体流过电介质与高压电极之间的间隙。在工作期间，电介质与高压电极之间产生无声放电。电介质与高压电极之间的距离称为间隙宽度或行程(stroke)宽度。间隙宽度为0.5mm的臭氧发生器可以在1.2至3.2bar之间的气压下工作。如果间隙宽度减小0.2mm，则压力范围在2到5.3bar之间。当间隙宽度保持与气压同步增长时，点火所需的电压也增加。这一效应可以通过减小间隙宽度来补偿。出于生产相关的原因，这种类型的臭氧发生器中的间隙不能被任意降低，以确保在高气压下工作。此外，由于绝缘问题，仅可使用高达约20kV的电源。因此，由于最大电压和最小间隙宽度，传统的臭氧发生器被限于一压力范围。

臭氧产生的盈利性也起着重要作用。这种类型的臭氧发生器不再达到与压力增加一样高的臭氧浓度，而随着压力下降，臭氧产生的效率降低。因此，在高气压下是不可能既经济的生产臭氧又产生高浓度的臭氧的。传统臭氧发生器具有取决于臭氧浓度的最佳工作压力(“Effects of discharge gap width and gas pressure on ozone generationcharacteristics of an Air-Feed-Ozone generator”，J.Kitayama等人，第13届臭氧世界会议论文集(Proceedings 13th Ozone World Congress)，京都)。与该最佳工作压力的任何偏差都导致效率的显着降低(“Ozone production in a high frequency dielectricbarrier discharge generator”，RG Haverkamp等人，臭氧科学与工程(Ozone Science&Engineering)，卷24，第321-328页)。因此，对于传统的臭氧发生器来说，较高的工作压力是不经济的。

水环压缩机用于将臭氧压缩到需要的压力。然而，购买这些压缩机是昂贵的，且这些压缩机消耗大量能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种在高气压下产生臭氧的方法，该方法可以有效地实现高臭氧浓度和高臭氧生产能力。

据此，提供了一种通过具有高压电极和至少一个对电极的臭氧发生器在高气压下以至少1kg臭氧/h的生产能力产生臭氧的方法，其中，高压电极和至少一个对电极限定(delimit)间隙，在该间隙中布置至少一个电介质，并且含氧且具有p_gas的气压的气体流过该间隙，以及其中，在至少一个放电间隙中设置高压电极和至少一个对电极，电源与所述高压电极和所述至少一个对电极连接以产生放电，其中所述电源提供1kV至50kV范围内的电压，以及其中，放电的行程宽度d_i分布在最小行程宽度d_min与最大行程宽度d_max之间，其中臭氧发生器出口处的含氧气体的气压p_gas至少为3bar。该方法可用于在不使用水环压缩机的情况下，以经济的方式在高气压下以高臭氧浓度和高臭氧生产能力产生臭氧。

优选地，电源提供10kV至30kV之间的电压，优选地在15kV至20kV之间。这种量级的电源可以在工业中使用，因此具有成本效益。此外，优选地，按重量计，实现至少10％的臭氧浓度。

在一个实施例中，含氧气体的气压p_gas至少为6bar，并且在一个有利的实施例中，该气压p_gas在10bar与12bar之间。

优选地，含氧气体的至少80％为O₂，更优选地，至少98％为O₂。这意味着，可以以良好的能量效率产生高臭氧浓度。

优选地，臭氧以至少20kg臭氧/h，特别是至少100kg臭氧/h的生产速率产生。在这种生产能力下，上述类型的臭氧发生系统特别有效。

如果含氧气体以500kg/h O₂至800kg/h O₂范围内的馈入速率流入间隙是有利的。

在有利的实施例中，最小行程宽度为0mm。优选地，行程宽度分布是连续且周期性分布的，或是随机分布的。

优选地，臭氧发生器具有其自己的对电极，并且在系统中电介质被布置在该对电极上。这种布置是一种典型的单间隙系统。

优选地，行程宽度的分布由用金属丝制成的织物(fabric)形成。术语“织物”(织造或非织造织物)从纺织技术来说是公知的。织物可以指使用纺织技术由纺织原料制成的任意平面结构。因此，在本专利申请的上下文中，织物应理解为意指使用纺织技术制造的任何平坦、弯曲或凸起的平面结构。这些织物其中包括非织造织物和纤维复合织物，非织造织物例如薄纱、针织物、网眼织物(mesh)和网状织物(net)，纤维复合织物例如无纺布和棉绒。

如果由金属丝制成的织物填充间隙是有利的。

优选地，高压电极至少部分地由织物形成。还可以提供用于形成完整的高压电极的织物。

附图说明

参考附图，下面更详细地描述本发明的优选实施例。在附图中：

图1示出了现有技术的电极装置的透视图；

图2示出了以传统方式工作的臭氧发生器和以根据本发明的方法工作的臭氧发生器的能耗随气压的基本变化。

具体实施方式

图1显示了从DE 10 2011 008 947 A1中已知的电极装置。这种类型的臭氧发生器用在成组的臭氧发生器中。因此，臭氧发生器以管束式热交换器的方式彼此平行地布置在两个管板之间，并且以并联的方式电连接。所示的臭氧发生器具有对电极1、内杆3和同样为管状的电介质2，其中各个部件的缩短版本被示出为在轴向方向上依次伸出。该装置是旋转对称的。对电极1、电介质2和杆3彼此同心地定向。在对电极1与电介质2之间存在填充间隙的金属丝网4。相应的，在电介质2与杆3之间设置同样用于填充二者之间的间隙的金属丝网5。对电极1被设计成不锈钢管的形式。在臭氧生产期间产生的废热通过冷却水冷却，该冷却水沿着管的底部之间的对电极的外侧流动。电介质2是玻璃管。优选地，金属丝网4和5被制造为所知的由不锈钢丝网制成的圆形空心线(string)。布置在电极装置中心的杆3是绝缘体，例如由与氧和臭氧相容的另一种材料的玻璃制成。杆3可以被设计成块状的。在工作期间，通过含氧气体在电极装置上施加压力，该含氧气体具有1至2bar的气压，其沿箭头6的方向流过金属丝网4和5。示意性地示出了电源7，该电源在一侧与对电极1接触并且在另一侧与金属丝网5接触。由电源7提供的工作电压使得在对电极1、高压电极与电介质2之间的空间中产生无声放电，以从沿箭头6的方向流过金属丝网4和5的氧气产生臭氧。

在如图所示的结构中，内部电极仅由金属丝网5形成，而杆3行使作为绝缘体的支撑功能，以确保用金属丝网5均匀地填充电介质2的内部。这种形状的电极会导致体积电荷和表面电荷的重叠。

图2显示了臭氧发生器的比能耗曲线。参考根据本发明的方法，U(t)＝U₀*sin(2π*f*t)，即使在相对高的气压和电压幅度下(在所示的范围内)，在高压电极上仍有无声放电源起的表面点。在这种情况下令人意外的是，在高气压下，与常规臭氧发生器11相比，根据本发明的操作10，使得以kWh/kg臭氧测量的臭氧发生器的比能耗显著降低。根据比能耗，上述臭氧发生器的上述特征最佳工作压力处于围绕近似抛物线分布的最小值的窄范围内(见曲线11)。与此相反，具有异形高压电极的臭氧发生器具有明显更平坦的分布(见曲线10)。在高气压下，例如超过3bar，或者甚至更高的气压下，比能耗仍然相对较低。由于最小值分布更平坦，因此工作压力可以在宽范围内，例如在1至12bar的范围内，臭氧产生方面具有几乎相同的效率水平。

该方法的优点还在于不必在气压与生产能力和/或臭氧浓度之间进行折衷。

根据本发明，臭氧发生器以一至几百kg臭氧/h的生产能力工作。在一个实施例中，按重量计，臭氧浓度为至少12％的臭氧。

因此，根据本发明的方法适用于造纸工业中的臭氧产生，因为其可以在高气压下有效地产生高臭氧浓度和高臭氧生产能力。

高压电极是导电材料，优选地是具有异形表面的不锈钢。高压电极可以是金属丝网或针织物，织物或者甚至是绕丝，或是放置在表面上的颗粒。诸如羊毛织物或毛毡的纤维织物也适合作为通过机械加工或涂覆的方式被放置在电极上的结构。该异形是随机或周期性分布的，并且沿电极的纵向和周向两个方向分布。

然而，还可以想到的是，对电介质进行异形而不是对电极，同样能够实现相同的效果。

根据本发明的方法不限于管状电极装置。该方法还可用于管状臭氧发生器和平面臭氧发生器。在单间隙系统和多间隙系统中提供该方法的使用。可以通过使用或不使用载体材料，来将电极的导电材料引入到放电间隙中。

根据本发明的臭氧产生方法当然也可以更普遍地用于等离子体发生器中。

借助于根据本发明的方法，臭氧发生器可以适应客户特定的要求。由于能源价格上涨，这是经济的，并且在生态上也是有利的。在臭氧发生器出口处的高气压达到12bar的情况下，产生臭氧在技术上和经济上都是可能的。因此不再需要通常情况下所需的水环压缩机。

Claims (15)

1.一种通过具有高压电极和至少一个对电极(1)的臭氧发生器在高气压下以至少1kg臭氧/h的生产能力产生臭氧的方法，其中所述高压电极和所述至少一个对电极(1)限定间隙，在所述间隙中布置至少一个电介质，并且含氧气体流过该间隙，以及其中，在至少一个放电间隙中设置所述高压电极和所述至少一个对电极(1)，电源(7)与所述高压电极和所述至少一个对电极(1)连接以产生放电，其中所述电源(7)提供1kV至50kV范围内的电压，以及其中，放电的行程宽度分布在最小行程宽度d_min与最大行程宽度d_max之间，其特征在于，所述高压电极或者所述电介质为异形，所述含氧气体在所述臭氧发生器出口处的气压p_gas至少为3bar，其中，所述3bar为超过大气压的额外压力，所述大气压为1013mbar。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源(7)提供10kV至30kV范围内的高电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源(7)提供15kV至20kV范围内的高电压。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法被设计成使得产生的臭氧按重量计，具有至少为10％的臭氧浓度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气压p_gas至少为6bar。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气压p_gas在10bar与12bar之间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体的至少80％为O₂。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体的至少98％为O₂。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法被设计成使得臭氧以至少20kg臭氧/h的生产速率产生。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法被设计成使得臭氧以至少100kg臭氧/h的生产速率产生。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体以500kg/hO₂至800kg/h O₂范围内的馈入速率流入所述间隙。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小行程宽度d_min为0。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述臭氧发生器具有单个对电极(1)，并且所述电介质(2)被布置在所述对电极(1)上。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行程宽度的分布由用金属丝制成的织物形成。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，用金属丝制成的所述织物填充所述间隙。

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