（机械设计及理论专业论文）空气沿面放电产生臭氧的研究和装置开发.pdf

扛苏大学硕士学位论文 摘要 臭氧( 0 3 ) 以其强氧化性及不产生二次污染等优点已广泛应用于环 保、医疗、食品和化工等领域。目前工业用o ，产生的主要方法是气体放 电法，即含氧气体通过放电反应器产生0 3 的方法。 通常含氧气体包括空气、富氧、纯氧。气源对0 3 的产生性能和生产 成本有较大的影响。在一定场合下，以空气为气源的臭氧发生器具有使 用便捷、成本低等优点，但是空气放电产生0 3 的同时，会生成氮氧化物 ( n o 。) 。n o x 不仅对环境造成污染，危害人体健康，还会影响0 3 的合 成，并加速对设备的腐蚀。如何在产生o ，的同时有效地控制n o , 的产 生是目前臭氧技术研究领域内的难点之一。 放电形式对臭氧的产生也有重要影响。沿面放电是近年来气体放电 产生臭氧技术中的研究热点之一。采用沿面放电形式的臭氧发生器具有 制造安装要求较低、体积小、成本低、有利于散热等优点，常用于开发 空气源型臭氧发生器。 本文首先探讨分析了沿面放电的作用机制和空气放电产生臭氧的机 理。分析结果表明：1 ) 沿面放电的起始放电电压低，有利于0 3 的产生； 2 ) 氮气( n 2 ) ，包括激发态n 2 * 和氮原子( n ) 对臭氧的产生过程有一定 作用，加快臭氧生成速率的同时，使放电伴随生成n o x ，加速对臭氧的 分解；3 ) 电子数密度、电子能量大小及分布等对空气中放电臭氧和n o 的产生有重要影响，它们主要取决于折合电场强度( 目) ，可以通过改 变外加电压幅值和频率、气体压力等来改变；4 ) 气体在放电区域的停留 时间、气体性质和温度等对臭氧和n o 。的生成有重要影响。 江掉人学坝j ：学位论文 在理论分析的基础上，建立了一个空气沿面放电臭氧产生的试验系 统，研究了功率密度( 删q g ) 、放电功率( 形) 、气体流量( g ) 、气体压 力( p ) 和气体湿度等对空气放电产生臭氧和n o 。的影响。一定试验条 件下，主要得出如下结论：1 ) 随着放电功率的提高，臭氧浓度( c 0 3 ) 、 臭氧产量( y 0 3 ) 和臭氧产生效率( ，7 0 3 ) 先增加后减少，而n o 。浓度、 n o , 0 3 相对浓度逐渐增加；2 ) 随着气量的减少，臭氧浓度先增加后减 少、臭氧产量和臭氧产生效率减少、n o x 浓度和n o , 0 3 相对浓度增加； 3 ) 气体压力对臭氧和n o 。的产生也有重要影响，臭氧产生效率取得最 大值时的气体压力和n o , 0 3 相对浓度取得最小值时的气体压力近似一 致，因此，臭氧产生效率和n o , 0 3 相对浓度受气体压力的影响可能存在 关联；4 ) 空气中的水蒸气对放电产生臭氧有较大的负面影响，湿度越大， 臭氧产生效率越低，而n o 。0 3 相对浓度越大。 本文最后在理论和试验研究的基础上，从抑制n o 。产生的角度出发， 开发了一个空气源型臭氧发生器，采用沿面放电形式，可用于空气消毒、 灭菌等，安全可靠，具有推广的价值。 关键词空气放电臭氧( 0 3 )氮氧化物( n o 。)沿面放电 折合电场强度( e n ) n 坚苎查竺堡主兰丝堡苎 a b s t r a c t o z o n e ( 0 3 ) h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e d i ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， m e d i c a lt r e a t m e n t ，f o o d s t u f fi n d u s t r ya n dc h e m i c a le n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so fs t r o n go x i d a t i o na b i l i t ya n dn op o l l u t i o n n o w , t h em a i n m e t h o do fo z o n eg e n e r a t i o ni nt h ei n d u s t r yi sg a sd i s c h a r g e ，i e o z o n e p r o d u c e si nd i s c h a r g ed e v i c e s w h e ng a s e sc o n t a i n i n go x y g e np a s sb y c o m m o n l y , a p p l i e dg a s e si n c l u d ep u r eo x y g e n ，a b u n d a n to x y g e na n da i r a p p l i e dg a s e sw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c ea n dc o s to fo z o n eg e n e r a t i o n i n s o m es i t u a t i o n s ，a i r - f e do z o n i z e r sh a v es o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sc o n v e n i e n t u s a g e ，l o wc o s ta n ds oo n h o w e v e gn i t r o g e no x i d e sf n o x ) w i l lp r o d u c e d u r i n go z o n eg e n e r a t i o ni na i rd i s c h a r g e n o x w i l lp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ， d oh a r mt ot h ep e o p l e ，h a v ei n f l u e n c eo no z o n eg e n e r a t i o n ，a n da c c e l e r a t e t h ee r o s i o no fr e l a t e dd e v i c e s h o wt oe f f e c t i v e l yc o n t r o ln o xg e n e r a t i o n d u r i n go z o n eg e n e r a t i o ni s ad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ef i e l do fo z o n e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y 。 d i s c h a r g ef o r ma l s oh a sg r e a ti n f l u e n c eo no z o n eg e n e r a t i o n i nr e c e n t y e a r s ，s u r f a c ed i s c h a r g ei sa ni m p o r t a n tc o n t e n to ft h er e s e a r c ho fo z o n e g e n e r a t i o ni ng a sd i s c h a r g e o z o n i z e r su s i n gs u r f a c ed i s c h a r g eh a v es e v e r a l a d v a n t a g e s ，s u c ha sb e i n ge a s yt om a n u f a c t u r ea n d i n s t a l lu p ，s m a l lv o l u m e ， l o wc o s t ，b e i n ge a s yt od i s p e r s eh e a ta n ds oo n i ti sc o m m o n l yu s e di n a i r f e do z o n i z e r s f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fs u r f a c ed i s c h a r g ea n do z o n e g e n e r a t i o ni na i rd i s c h a r g e t h er e s u l t sf i r e t h a t1 ) t h ev o l t a g eo fb e g i n n i n g d i s c h a r g ei ns u r f a c ed i s c h a r g ei sl o w , a n do z o n eg e n e r a t i o ni sm u c he a s i e ri n s u r f a c ed i s c h a r g e ；2 ) n i t r o g e n ( n 2 ) ，e x c i t e dn i t r o g e n ( n 2 + ) a n dn i t r o g e na t o m ( n ) c a ni n c r e a s et h er a t eo f o z o n eg e n e r a t i o n ，b u to nt h eo t h e rh a n d ，t h e ya l e t h es o u r c e so fn o xa n dw i l la c c e l e r a t et h ed e c o m p o s i t i o no fo z o n e ；3 1 e l e c t r o nd e n s i t y , a v e r a g ee n e r g ya n de n e r g yd i s t r i b u t i o no fe l e c t r o n sh a v e i l i 垩苎叁竺堡竺篁丝壅 g r e a ti n f l u e n c eo n o z o n ea n dn o xg e n e r a t i o na n dm e y a r em a i n l yd e t e r m i n e d b yr e d u c e de l e c t r i cf i e l di n t e n s i 幔 ，a n dc a nb ec h a n g e db yt h ev o l t a g e a n df r e q u e n c yo f p o w e rs u p p l y , g a sp r e s s u r ea n ds oo n ；4 ) g a sr e s i d u et i m ei n t h ed i s c h a r g ea r e a ，g a sc h a r a c t e ra n dt e m p e r a t u r ea l s oh a v eg r e a ti n f l u e n c e o no z o n ea n dn 0 x g e n e r a t i o n o nt h eb a s e o ft h e o r y , w eb u i l ta ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo z o n e g e n e r a t i o ni ns u r f a c ed i s c h a r g ei na i r , a n ds t u d i e dt h e i n f l u e n c eo fp o w e r d e n s i t y ( w q g ) ，d i s c h a r g ep o w e r ( 聊，g a sf l o w ( q g ) ，g a sp r e s s u r e a n dg a s h u m i d i t yo no z o n ea n dn o xg e n e r a t i o n u n d e rac e r t a i nc o n d i t i o n ，w eg e t s e v e r a lr e s u l t sa sf o l l o w s ：1 ) w i t ht h ep o w e ri n c r e a s i n g ，o z o n ec o n c e n t r a t i o n ( c 0 3 ) ，y i e l d ( y 0 3 ) a n dg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y ( 0 0 3 ) i n c r e a s ef i r s ta n dt h e n d e c r e a s e ，a n dn o x c o n c e n t r a t i o na n dt h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no fn o xt o0 3 f n o x o di n c r e a s eg r a d u a l l y ；2 ) w i t ht h eg a sf l o wr a t ei n c r e a s i n g ，o z o n e c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e s ，o z o n ey i e l da n dg e n e r a t i o n e f f i c i e n c yd e c r e a s e ，a n dn o x c o n c e n t r a t i o na n dt h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no f n o xt o0 3i n c r e a s e sg r a d u a l l y ；3 ) g a sp r e s s u r ea s oh a sg r e a ti n f l u e n c eo n0 3 a n dn o x g e n e r a t i o n ，a n dt h ep r e s s u r ec o r r e s p o n g d i n gt ot h eh i g h e s tr i 0 3i s c l o s et ot h a tc o r r e s p o n g d i n gt ot h el o w e s tr e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no f n o xt o0 3 ， s ot h a tt h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r eo nt h e mm a yh a v es o m er e l a t i o n s ；4 ) t h e v a p o r i nt h ea i rh a sn e g a t i v ee f f e c to fo z o n eg e n e r a t i o n ，a n dt h em o r ev a p o r , t h el o w e r0 0 3a n dt h eh i g h e rr e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no f n o xt o0 3 o nt h eb a s eo ft h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ，a n di no r d e rt oc o n t r o l n o xg e n e r a t i o n ，w ed e v e l o p e da na i r - f e do z o n i z e ru s i n gs u r f a c ed i s c h a r g e i t c a nb eu s e dt od i s i n f e c ta i r , k i l lb a c t e r i aa n ds oo n i ti ss a f e ，d e p e n d a b l ea n d v a l u a b l et ob ep o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：a i r d i s c h a r g e ，o z o n e ( 0 3 ) ，n i t r o g e no x i d e sf n o x ) ， s u r f a c ed i s c h a r g e ，r e d u c e de l e c t r i cf i e l di n t e n s i t y ( e n ) i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位沦文属于 ，在年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：知蕊函 指导教师签名 印；啤6 月3 1 日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者虢专丽荔 扣。铒年6 b a l 旺苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 7 8 5 年德国物理学家冯马鲁姆( v a nm a r u m ) 用大功率电机进行试验时发现， 当空气流过一串串电火花时，产生一种特殊的气味。1 8 4 0 年，舒贝因( s c h o n b e i n ) 在向慕尼黑科学院提交的一项备忘录中断定，在电解和电火花放电试验中有一种独 特气味，这种气味是e b - - 种新物质产生的，宣告了臭氧的发现【1 1 。 1 1臭氧的基本性质 臭氧0 3 是一种强氧化性、不稳定、具有特殊刺激性气味的浅蓝色气体。0 0 c 标 准大气压下的密度为2 1 4 4 9 l ；1 t o o l 气体( 2 5 0 c ) 生成热1 4 2 9 9 k j t 。研究开发臭 氧发生和应用技术或建造、维护臭氧有关设备，需要明确臭氧的特殊性质【”l ： 1 ) 强氧化性：臭氧具有极强的氧化性，氧化能力仅次于氟，高于氯和高锰酸钾， 是臭氧广泛应用的原因之一，同时也应该注意臭氧发生装置、臭氧与水接触装置及 连接管道、密封垫圈的设计，要充分考虑臭氧的强氧化性，选用耐臭氧腐蚀的材料。 2 ) 水中的溶解性：臭氧在水中的溶解度比氧气虽大，但由于发生工艺水平的制 约，产生的臭氧浓度低，气相分压较低，需要提高臭氧与水的接触传质效率 3 ) 易分解：含量为l 以下的臭氧，在常温常压下的空气中的分解半衰期为1 6 h 左右。随着温度的升高，分解速度加快，温度超过1 0 0 0 c 时，分解非常剧烈，达到 2 7 0 0 c 高温时，可立即转化为0 2 。在应用中，臭氧一般现制现用，不能贮存。 4 ) 毒性：过量吸入或接触臭氧会引起头痛、胸闷等。各国都制定了有关的环境 标准和作业安全标准，我国环境空气质量标准规定的三级标准为0 2 m g m 3 ( 1 小时) 。 但总的来说，臭氧的臭味很浓，至今没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。 1 2 臭氧技术应用和前景 由于臭氧的强氧化性、脱色特性、除臭特性、广谱性杀菌作用等，在环保、医 疗、食品、化工等领域得n y 广泛的应用，具有广阔的应用前景。 1 2 1 水处理 水质污染及饮用水卫生是世界各国极为关注的问题。臭氧可以迅速杀菌，降低 水中b o d 、c o d 、氨、悬浮固体的浓度，降低水的色度、浊度，去除异味等，广泛 用于饮用水处理、污水处理等工程中。许多发达国家如法国、日本、美国、德国等 j 工并人学坝i学位论文 已将臭氧技术或和其它技术联合应用到水处理工程中【4 ，引。 1 ) 饮用水处理 饮用水杀菌消毒是当前臭氧应用的最主要部门，用臭氧对矿泉水进行杀菌是一 种较理想的选择1 k 6 3 】。与传统用氯消毒相比：臭氧灭菌效率更高、速度更快：臭氧 的投加量对水质的p h 值的敏感性小：氯消毒后会产生氯仿、溴二甲烷、四氯化碳等 致癌性氯化有机物( t h m ) ，臭氧处理基本不产生二次污染，是目前推广臭氧代替氯 消毒的主要因素。1 9 9 6 年国际水处理会议决定要求各会员国用臭氧取代氯处理水， 提高饮用水质量。 2 ) 污水处理 污水处理包括生活污水、工业污水与医疗污水处理【8 一i 。2 0 世纪7 0 年代后，法 国、美国、前苏联、日本、德国先后丌展了有关研究并投入了生产运行，早期主要 取代氯用做消毒剂，后来发展成为一种氧化工艺和废水深度处理的一个技术单元。 在工业废水处理方面，可用于电镀含氰废水、印染废水、含酚废水、焦化废水处理、 橄榄油废水处理等 i o , i i 】。近年来臭氧在提高废水的可生化性，垃圾渗出液处理等方 面获得应用，具有较好的发展i ； 景。 3 ) 工业循环冷却水处理 臭氧处理工业循环冷却水0 2 , 1 3 1 是继饮用水、污水处理之后的第三大应用领域， 是当今各国工业循环水处理的研究热点之。臭氧处理循环冷却水可以阻垢、缓蚀、 杀菌灭藻。但是到目前为止，对臭氧的投加量、投加方式、最佳接触时间及处理效 果的研究成果很少，对于臭氧在循环冷却水处理中的氧化反应和传质机理等核心问 题还有待于进一步了解。 4 ) 其它 此外，臭氧还可以处理水族馆、水产养殖用水以及游泳池、游乐场、喷泉等公 共娱乐设施用水等，具有降低有机物、消毒灭菌、对水体增氧的功能。 1 2 2 空气净化消毒 我国积极推广臭氧对病房、手术室空气的消毒灭菌，取代传统的紫外灯照射、 甲醛熏蒸等方法 i , 1 4 l 。臭氧空气消毒具有使用方便、作用快速、无残留污染等优点， 但在使用中应充分注意应用条件及各种环境因素，消毒时人员应离丌现场。 甲醛、苯等是室内重要的挥发性有机污染物，相当稳定，具有刺激性、致敏性 和致癌性，寻找一种理想的净化室内空气的方法具有重要意义。用低浓度的臭氧可 以净化室内空气甲醛、苯、挥发酚污染，臭氧自然衰减快，不会产生危害 1 5 1 6 l 。 1 2 3 其它方面 在食品行业，臭氧可用于食品加工与贮藏，主要进行杀菌、消毒、除臭、保鲜 2 江苏大学硕士学位论文 用于食品机械、容器、管路的杀菌消毒，不存在任何残留物。美国食品与医药管理局 ( f d a ) 1 9 9 7 年4 月，修改了限制把臭氧作为“食品添加剂”的规定，允许不必申 请可在食品加工、贮藏中使用臭氧，这是臭氧应用发展的里程碑”。臭氧作为氧化 剂、催化剂和精制剂还可应用于化工、石油、制药和香料工业等【1 ，1 7 】。 1 2 4 臭氧技术的应用前景 臭氧技术的发展，一直和人们的生活健康、工农业生产及环境污染治理密切相 关。臭氧技术在许多领域得到了应用，有效的解决了当前环境上及人类生活质量上 的一些难点。但由于使用成本较高，该技术曾一度发展缓慢。二十世纪七十年代后 人们发现氯消毒杀菌引起水中残留“三致物”：工业废水中难生化降解、有毒有害物 质增多，而缺乏有效的治理方法。随后，臭氧应用迅速发展，在饮用水处理、污水 处理、工业循环冷却水及其它方面的应用相继成功，应用领域不断扩大，日益被人 们接受。1 9 7 3 年国际臭氧学会( 埘) 成立，后更名为国际臭氧协会( i o a ) ，臭氧 技术开始了产业化的发展历程，并且在食品、化工、医疗行业等存在着广阔的发展 空间i 御。臭氧的广泛应用又促进臭氧技术自身的不断发展完善。可以预见，随着工 农业生产的迅速发展，人民生活水平的不断提高，国家政府、企业和公众的环保、 健康意识不断增强，必将推动臭氧技术不断进步、臭氧产业不断发展【3 】。 1 3放电法臭氧产生技术概述 臭氧人工合成的方法有紫外辐射、电解、气体放电法等。紫外法臭氧产量少， 可进行线性控制、对温湿度不敏感，适合试验室使用、开发测试臭氧的仪器等；电 解法可产生较高浓度纯净的臭氧、可控性好，有较好的发展前景，目前阶段尚不成 熟，缺少理想的阳极材料和电解液；气体放电法技术上比较成熟，是目前工业产生 臭氧的主要方法，但机理、工艺比较复杂，还存在很多问题需要探讨 i , 2 1 。 1 3 1 放电形式 放电法合成臭氧一般利用的是常温常压的低温等离子体，可采用多种放电形式， 如电晕放电( c o r o n a d i s c h a r g e ) 、介质阻挡放电( d i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ) 、混合 放电( h y b r i dd i s c h a r g e ) 等，放电形式对臭氧合成有一定的影q 自o , i 引。 1 电晕放电 电晕放电一般采取线对板、针对板放电电极。该类放电形式的放电强度取决于 电源，易稳定在强持续状态，但即使能够通过电源对放电进行理想控制，也很难使 放电在整个电极空间均匀分布，因而没有在臭氧发生方面得到广泛应用【埽1 。通常人 3 江苏大学硕士学位论文 们研究电晕放电产生臭氧是为了防止一些情况下臭氧的发生，如复印机、离子发生 器等工作时，可用来开发只需少量臭氧的室内空气净化、冷藏保鲜的臭氧发生器【2 1 。 2 介质阻挡放电 介质阻挡放电( d b d ) 是工业合成臭氧的主要形式。d b d 是根据电极结构定义 的，即两电极问至少存在一介质层，主要有两种形式 3 3 9 ：体积介质阻挡放电( v o l u m e d i s c h a r g e ，v d ) 和表面介质阻挡放电( s u r f a c ed i s c h a r g e ，s d ) 。习惯上仅把前者称为 介质阻挡放电，也称无声放电( s i l e n t d i s c h a r g e ) ，而把后者称为沿面放电。 1 ) 无声放电 无声放电体积介质阻挡放电中电场分布均匀，放电发生在两电极间的固定气体 间隙中，放电通道和气流方向垂直，放电通道长度与气体间隙有关，是一种兼有辉 光放电大空间均匀性和电晕放电高气压运行特点的放电形式。自1 8 5 7 年s i e m e n s 型 无声放电臭氧发生器开发以来，一直是大型( l k 9 0 3 1 1 ) 、中型( 1 0 0 1 0 0 0 9 0 3 h ) 臭氧发生器的主要放电形式，包括各种扳式、管式。近年来，为改善无声放电型臭 氧发生器的产生效率，进行了很多理论研究、技术改进和尝试，如减小放电间隙、 提高电源频率、介质材料的选择、冷却方式的改进及采用旋转、网状电极等【2 0 ，2 ”。 2 ) 沿面放电 沿面放电是出日本m a s u d a 教授在2 0 世纪8 0 年代提出的，用高纯度氧化铝基板 上嵌入细线状钨电极及基板内( 或基板另一面) 压入接地电极形成臭氧发生片或管，施 加高频高压交流电，放电在电极附近沿基板表面展开。沿面放电中电场分布极不均 匀，没有固定气体间隙，放电在电极附近的介质表面发生，随着电压的升高沿介质 表面逐步传播。该放电形式的放电起始电压低，可以大大降低装置的体积和成本， 放电通道可能更有利于臭氧的形成扩散，是近年来臭氧产生技术中的研究热点【l 引。 目前，沿面放电常用于开发小型( 空气源， 1 0 0 0 h z ) 。 提高电源频率和电压可以提高放电功率，前者可以增加反应器中的放电次数，后者 可以增加放电的几率t 1 1 。早期的电源多采用中低频，电源造价低，至今仍在大量使 用。随着半导体工业的发展，中高频变频装置的制作不再十分困难和昂贵，许多新 型臭氧发生装置采用了高频电源供电( 1 1 0 0 k h z ) 。另外，人们通过改变波形来改 进电源以提高臭氧产生效率，如采用高频快上升沿的方波或脉冲波形的高压电源f 2 ”、 双极性陡前沿窄脉冲电源【3 】等。 3 供气系统7 - 2 9 1 用于臭氧合成的气源一般为空气、纯氧气或者富氧空气。 1 ) 空气源：一般是用无油空压机将空气送入空气处理系统后输入臭氧发生器。 此类臭氧发生器设备投资高、臭氧产量与质量分数低、机械维修工作量大、有噪音， 但是在一定场合下还是具有使用便捷、成本低等优点。国内制造的臭氧发生装置臭 氧浓度为1 2 ，电耗约为1 5 1 8 k w h k 9 0 3 。国外制造的臭氧发生装置臭氧浓度为 2 3 ，电耗约为1 5 1 7 k w h k 9 0 3 。 2 ) 纯氧气源：有气态纯氧和液态氧气，前者体积大，钢瓶运输量偏大，故适合 于靠近氧气发生站的情况使用；后者一般需外购、设备投资、运行电耗低。两者的 生产总成本稍高，但考虑到设备维修、空压机噪音影响等因素，也有一定优势。用 纯氧气源，臭氧浓度为5 1 0 ，耗电为1 0 1 3 k w h k 9 0 3 左右。 3 ) 富氧空气源：将空气经净化、干燥后输入空气分离制氧机现场制取氧气，空 气含氧量可以达到8 5 9 5 ，能耗一般在o 3 o 4 k w h k 9 0 2 。该法也需要较多设 备、机械维修工作量大、有噪音。根掘制氧机、空气压缩机耗电量计算，耗电约为 江苏大学硕士学位论文 1 l 1 4 k w h k 9 0 3 。 实际应用中，采用空气、纯氧气、富氧空气各有优缺点。究竟采用何种气源， 应综合分析投资、运行成本和处理需要后确定。但不论何种气源，都需要经过净化、 干燥，气源质量对臭氧发生器的产率、可靠性、经济性都会带来重大影响。 4 冷却系统 理论上臭氧的生成热为o 8 3 5 k w h k 9 0 3 1 2 0 0 9 0 3 k w h 。假设用氧气制造2 ( 质 量比) 臭氧的比能是7 k w h k 9 0 3 ，那么供给电晕电能的1 2 被用来生产臭氧，而8 8 最终从发生器内以热的形式浪费。产生的热量使放电空间内的气体温度上升，引起 臭氧分解。因此，冷却系统对臭氧产量和能否长期稳定运行有重要影响。常见的臭 氧发生器一般采用风冷、水冷( 液冷) 或双液冷( 如油水冷) 等冷却系统。水和油 的吸热系数远远大于空气的吸热系数，因此一般工业用臭氧发生器采用水冷或双液 冷系统，虽然结构较为复杂，但冷却效果良好，而较小型的臭氧发生器建议采用风 冷结构简单，造价低廉0 1 。 1 4论文研究工作的背景和主要内容 1 4 1 论文研究工作的背景 前面已经介绍了合成臭氧的原料气一般为空气、纯氧气、富氧空气，选择何种 原料气来合成臭氧，要视具体情况而定。虽然与纯氧气、富氧空气比较，以空气为 气源合成臭氧，臭氧浓度、产量和臭氧产生效率较低，但这样的臭氧发生器在我国 还大量存在，并在一定场合还是具有使用便捷、成本低等优点。 空气放电与纯氧放电有一个重要不同，就是由于空气中存在大量的n 2 ，n 2 和高 能电子碰撞被激发、分解和电离，引入附加反应路径，生成n o 。，影响臭氧合成过 程，导致臭氧产生效率降低，甚至可完全抑制臭氧的生成，出现所谓的无臭氧状态 ( o z o n e 1 e s sm o d e ) p ”2 】；而且用含有n o x 的0 3 来净化空气时，0 3 分解不产生二 次污染，而n o 。被国际卫生组织确认有强致癌作用，不允许带有n o 。的臭氧产品进 入公共场所、家庭和食品2 n - r 行业；用含有n o 。的0 3 来净化消毒饮用水，不但影响 水的口感，而且n o 。溶于水中会蜕变成亚硝酸赫，亚硝酸盐也有致癌之嫌；产尘的 n o 。在有水和水蒸气的情况下会生成h n 0 3 等，加速对电极、管道等设备的腐蚀。 所以，n o 。的产生成为推广臭氧应用的一道障碍。我国2 0 0 0 年丌始实施的臭氧发生 器标准中要求：以空气为气源，发生器产生的氮氧化物n o 。浓度不大于臭氧浓度的 2 5 1 2 “。虽然，我国乐清市百悦康电子有限公司和北京五色光科技有限公司等报道 了成功开发了低无n o 。臭氧发生装置，但还没有得到推广。因此，对空气放电臭氧 和n o 。的产生及相互关系的研究是具有一定价值的。 另外，前面已经指出介质阻挡放电是放电法产生臭氧的主要形式，包括无声放 6 江苏大学硕l ：学位论文 电和沿面放电。无声放电研究开发较早，技术相对成熟，其对发生装置的结构和安 装要求较高，放电间隙小而均匀、放电管表面粗糙度低等，相应的制造成本较高。 沿面放电常用于开发空气源型臭氧发生器【2 2 】，具有制造安装要求较低、体积小、成 本低、有利于散热等优点，是近年来臭氧产生技术中的研究热点之一，但还有许多 问题有待解决。 1 4 2 主要研究内容 探索如何提高空气放电产生臭氧的浓度、产量和产生效率，优化臭氧发生工艺 中的有关工艺参数，降低臭氧发生时n o 。的产生，对提高我国臭氧发生和应用技术 具有实际价值与现实意义。本课题将以沿面放电形式为基础，研究空气放电臭氧的 产生，并对空气放电臭氧产生技术进行推广利用，主要内容包括： 1 在了解沿面放电形式的基础上，探讨沿面放电的放电特点和机理，从微观角度讨 论沿面放电中微放电的形成与熄灭、介质的作用、微放电的影响因素等，为研究 臭氧发生过程和设计开发放电反应器提供理论基础。 2 分析空气放电臭氧产生的机理，探讨反应机理模型，为提高臭氧浓度、产量和产 生效率，控制n o x 的产生提供理论指导。 3 建立空气放电臭氧发生测量试验系统，试验研究宏观参量( 如外加电压、功率、 气体流量、气压及气体性质等) 变化对臭氧和n o 。产生的影响，优化参数，并对 结果进行一定的理论分析和讨论。 4 在理论和试验研究的基础上，开发设计合理的空气源型臭氧发生器，推广利用空 气放电臭氧产生技术。 7 江苏大学硕士学位论文 第2 章沿面放电工作机制的探讨 研究空气沿面放电臭氧产生技术，有必要探讨沿面放电反应器中的基本物理过 程、作用机制等，为臭氧发生器的优化，设计及在实践中的应用提供依据和指导。 2 1 沿面放电反应器及其工作等效电路图 一般的沿面放电型反应器的电极结构如图2 1 所示，主要由介质和电极组成，介 质的一面为放电电极，另一面覆盖或嵌入接地极，可采用板式或管式。 罕i i i i ili ll 眵 图2 ，i 沿面放电电板结构示毒罔( a ) 板式b ) 管式 a ) 放电电极b ) 介质层c ) 接地极 田2 2沿面放电健形等效电硌图 沿面放电的电极结构可简化为链形等效电路图1 8 3 3 , 3 引，如图2 2 所示。g 、g v 、 r 。分别为介质单位面积( 1 c m 2 ) 的电容、体积电导和表面电酣2 8 ，3 4 】： c o = 气( 4 7 r x 9 x 1 0 ”d ) ，f e m 2 ( 板式) ( 2 1 ) c o = d 4 a x 9 x 1 0 ”。，2l n ( r 2 ，i ) 】，f e r a 2 g 。= l i p 。d ，s c m 2 g ，= l ，【a r 2i n ( r 2 ，1 ) 】，s c m 2 ( 管式) ( 板式) ( 管式) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 江掉人学颇i 学位论文 足= p ，q ( 2 5 ) 式中 岛一介质相对介电常数：p v - 介质体积电阻率( q c m ) ：正介质厚度( c m ) ； p l 一介质表面电阻率( q ) ；r l r 2 - 介质层的内外半径( c m ) ( 管式) 。 2 2沿面放电电场强度分布 2 2 1 介质表面电场强度分布 根掘链形等值电路图2 - 2 ，文献b 8 、【3 3 1 和 3 4 1 给出了电流i 及电压“的方程式： f - o i o x = g ，1 1 + c o o u o t 【- o u l o x 。i r 。 ( j 为线电流) ( 2 6 ) 通过设外加电压为j 下弦交流电( u = g e = ，i = l e i r j ) ，转化整理上式得到一个二阶 微分方程，在一定的边界条件下，得到高压极一侧沿介质表面的电压分却l i s , 3 4 1 ： u ：s i n h ( 忙) + s i n h y ( 1 - x ) v ( 2 7 ) 其中t = 撕承否：了丽= 圻i 瓦了丽，工为介质表面与电极根部的垂直距离， ，为两相邻放电极极间距，矿为外加电压向量。 对于介质表面的电场强度分布，文献【3 4 】利用解静电场的方法，通过求解介质内 部电位的定解问题( d 为介质厚度，y 为与接地极一侧介质表面的垂直距离) ： v 2 “= 0 搿( x ，。) = 。，群( 五d ) = ! 垫墨鱼! 上s ；m 。；n ! t 等苦丛生二塑矿， y ” 材x ( o ，力= “j ( ，y ) = o ( 2 - 8 ) 得到介质内部的电压分价o ，力，然后分别对工和y 求偏导数( 一锄i o x ， 一a u l o y ) ，并i r x = o ，y = d 得到介质内表面的场强分布删： t：、4,qlcos矿h(一)-11矿言鬻2nz2nn- 驴一一2cosh(f1)-11肛一4flcosho)-1嚏一 9 江苏大学硕士学位论文 介质表面电场强度的水平分量e 也可直接通过对公式2 7 求导得到： 三。：一! ! ! 些l 堡! 二! ! ! 堕盟垡二苎卫矿 ( 2 1 0 ) 一。 s i n h ( 1 , t ) 、一 实际上，式2 - 9 中的最也可以通过式2 1 0 奇延拓后的函数展开成傅立叶级数得到。 式2 - 9 给出的是介质内表面的电场强度，根据电场穿过不同介质分界面的折射 定律( 水平方向场强晟不变，垂直方向场强毋与介质的相对介电常数岛成反比) ， 介质外表面的电场强度为： e =属面j( 2 1 1 ) 2 2 2 空间电场强度 前人用解析法求解，给出了沿面放电介质表面的电场强度( 式2 - 9 ) 1 8 , 3 4 。另 外，介质表面以上气隙的空间电场强度分布对放电有重要影响，有必要进一步分析。 图2 ，3 空问电场求解区域 本文采用数值法来计算介质外表面以上的空间电场强度分布。由于两放电电极 问的电场具有轴对称性，可计算一半空间( o x l 2 ) 的电场强度分布。空间静电场 的电位 0 ，力满足拉普拉斯( l a p l a c e ) 方程v 2 “= 0 ，若忽略放电电极的宽度和厚度， 求解区域如图2 3 所示。相应的l a p l a c e 差分方程为1 3 6 3 7 】： v 2 “：u ( x + h , y ) + u ( x - h , y ) + u ( x , = y + h ) + u ( x , y - h ) - 4 u ( x , 一y ) h ( 2 - 1 2 ) + d ( 自2 ) 其近似表达式为： 【u ( x + 办，y ) + u ( x 一 ，_ y ) + u ( x ，y + h ) + u ( x ，y h ) 一4 u ( x ，y ) h 2 = 0 ( 2 1 3 ) 则所有内部网格点的u ( x l , 乃) ( 滓2 ，1 1 1 1 ；_ ，= 2 ，n 1 ) 满足l a p l a c e 五点差分 方程( 用“u 表示“ 。，y 1 ) ) ： “l + l 。+ 甜，一1 ，+ 甜f ，十l + “，。j i 一4 u ，= 0 ( 2 1 4 ) 由上式可以建立( m - 2 ) ( n - 2 ) 个变量和方程组，加上如下边界条件： 1 ) 下边界：已知u ，1 ( 1 f m ) 满足式2 7 ，为d i r i e h l e t 边界条件； 0 江苏大学硕士学位论文 2 ) 上边界：沿面放电反应器放电间隙无放电电极一侧接地( 若为开放空间，也 可假设上边界为无限边界条件) ，则玑。= o ( 1 f 墨m ) ，为d i r i c h l e t 边界条件； 3 ) 左右边界：一般，沿面放电反应器中，多根放电电极等距排列且电位相等， 因此，可认为左右边界面为对称面，对称面上8 u o x = 0 ，为n e u m a r m 边界条件， 用差分方程表示如下： 2 甜2 ，+ “i ，1 + “1 j “一4 u u = 0 ( 左边界，2 彰n 1 ) ( 2 - 1 5 ) 2 “，j + 虬，j i + “ “一4 u w = 0( 右边界，2 班n - 1 ) ( 2 - 1 6 ) 总共可以建立m x n 个变量和方程的线性方程组，可求得定解。若构造线性方程组 求解，储存空间大，本文采用迭代法进行计算，并通过逐次超松弛法( s o r ) 提高 收敛速度。 “。，= 甜。+ ( 0 ( 州j + “一l j + “+ l + z f ，一i 一4 u ，j ) 4 ( 内部结点) ( 2 1 7 ) u l j = u l 。+ o ( 2 u 2 ，+ “l j l + “l + l 一4 u l j ) 4 ( 左边界) ( 2 1 8 ) “。= “。，+ m ( 2 u 埘一u + ”。，川+ ”。，+ i 一4 u 。，) 4 ( 右边界)( 2 1 9 ) 舯圳m 再瓦两，( 2 - 2 0 ) 求得电位分布后，由电位梯度求电场强度砸，分别为e = - o u o x ，毋= o u o y ，根据差分方程，通过数值法求解相应的e l , j ，如表2 一l 所示。 表2 - 1 电场电场强度数值求解