（化工过程机械专业论文）基于algor的臭氧发生器数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 随着工业的发展，由于大量工业燃料的燃烧等原因，大气环境质量已日趋 恶化，控制燃煤所释放的氮氧化物和二氧化硫的占有量以成为当前最为紧迫的 大气污染控制任务。臭氧氧化结合化学吸收同时脱硫脱氮己被验证是可行的。 为提高臭氧的产量，本文采用有限元分析软件a l g o r 研究了脉冲电源的峰值电 压、放电气隙高度和电介质层厚度等对臭氧发生器放电气隙中电场分布的影响； 同时为提高臭氧的产量和研究混合放电臭氧发生器的放电机理，本文利用 a l g o r 软件对其放电气隙的电场进行了模拟研究。 脉冲平板型和圆管型臭氧发生器的电场模拟结果表明，放电气隙中的电场 强度随电源峰值电压、电介质材料的相对介电常数的增大而增大，随放电气隙 高度和电介质层厚度的减小而增大；电源的电压输出形式、放电室长度和放电 室内的温度对放电气隙中电场强度的大小无影响。 模拟结果表明，在脉冲平板型臭氧发生器放电气隙中，其电场强度是不完 全均匀分布的，在气隙中心附近绝大部分区域内是均匀分布的，但在放电气隙 的两端电场强度逐渐递减。而在圆管型臭氧发生器放电气隙中的电场强度是不 均匀分布的，其由内到外逐渐递减。 在对混合放电臭氧发生器的电场模拟研究中，由于硬件的原因，本文对模 拟模型进行了一定的改变，结果表明，中心电极接地，外电极接幅值电压为4 k v 的高压输出端，内电极接幅值电压为1 0 k v 的高压输出端为臭氧发生器的最佳 电源连接方式；并且在两放电气隙中不存在电场的耦合叠加现象。 采用有限元分析软件对臭氧发生器放电气隙中的电场进行数值模拟研究， 可以节省大量的研究时间和成本，可以为臭氧发生器的实验研究提供一定的参 考依据。 关键词：脉冲平板型臭氧发生器；脉冲圆管型臭氧发生器；混合放电臭氧发生器； 电场强度；臭氧产量 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , b e c a u s et h ec o m b u s t i o no fi n d u s t r i a l f u e l sa n do t h e rr e a s o n s ，a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tq u a l i t yh a sd e t e r i o r a t e d ，c o n t r o l l i n g t h eo c c u p a n c yo fn i t r o g e no x i d e sa n ds u l 缸d i o x i d ew h i c hc o m ef r o mc o a l f i r e di n a i rp o l l u t i o nh a v eb e c o m et h em o s tu r g e n tt a s k o z o n eo x i d a t i o nc o m b i n e dw i t h c h e m i c a la b s o r p t i o nf o rd e s u l f u f i z 盟t i o na n dd e n i t r o g e n a t i o ni sf e a s i b l e t oi m p r o v e t h eo z o n ep r o d u c t i o n , t h i sp a p e ru s e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea l g o r t o s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ep e a kv o l t a g eo fp u l s ep o w e r , t h eh e i g h to fd i s c h a r g eg a p a n dt h et h i c k n e s so fd i e l e c t r i cl a y e ro nt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n i no z o n e g e n e r a t o r sd i s c h a r g eg a p a tt h es a m et i m e ，f o ri m p r o v i n gt h eo z o n ep r o d u c t i o na n d r e s e a r c hd i s c h a r g em e c h a n i s mo fm i x e dd i s c h a r g eo z o n eg e n e r a t o r , t h i sp a p e ru s e d t h e 觚t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea l g o rt os t u d yt h ee l e c t r i cf i e l di no z o n e g e n e r a t o r sd i s c h a r g eg a p t h ee l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o nr e s u l t sf o rp u l s ep l a t e - t y p ea n dp i p e - t y p eo z o n e g e n e r a t o rs h o w e dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h e p e a kv o l t a g ea n dt h er e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fd i e l e c t r i cm a t e r i a l ，a n di ti n c r e a s e d w i t ht h ed e c r e a s eo ft h eh e i g h to fd i s c h a r g eg a pa n dd i e l e c t r i cl a y e rt h i c k n e s s b u t t h e r ew a sn or e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ho fd i s c h a r g eg a pa n d v o l t a g eo u t p u t f o r mo fp o w e r , d i s c h a r g er o o ml e n g t ha n d d i s c h a r g e r o o m t e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hd i s t r i b u t i o nw a sn o t c o m p l e t e l yu n i f o r mi nt h ed i s c h a r g eg a po fp u l s ep l a t e - t y p eo z o n eg e n e r a t o r a n di n t h em o s ta r e ao f d i s c h a r g eg a p , t h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hw a su n i f o r m b u tt h ee l e c t r i c f i e l ds u e n g t hg r a d u a l l yd i m i n i s h e da tt h eb o t he n d so fd i s c h a r g eg a p i ta l s ow a sn o t u n i f o r mi nt h ed i s c h a r g eg a po fp u l s ep i p e - t y p eo z o n eg e n e r a t o r , a n di td e c r e a s e d f r o mi n s i d et oo u t s i d e i nt h ee l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o ns t u d yo ft h em i x e dd i s c h a r g eo z o n eg e n e r a t o r , t h e s i m u l a t i o nm o d e lw a sc h a n g e dal i t t l eb e c a u s eo ft h eh a r d w a r ei nt h i sp a p e r t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb e s tp o w e rc o n n e c t i o nm o d eo fo z o n eg e n e r a t o rw a sw h i c h i l l a b s t r a c t t h ec e n t r a le l e c t r o d ew a sg r o u n d e d ，a n dt h ee x t e r n a le l e c t r o d ea n di n t e r n a le l e c t r o d e s e p a r a t e l yc o n n e c t e dt h et w oh i g hv o l t a g eo u t p u tt e r m i n a l sw h o s ea m p l i t u d ev a l u e s w e r er e s p e c t i v e l y4k va n d 一10k v a n dt h e r ew a sn op h e n o m e n o no fe l e c t r i cf i e l d c o u p l i n gs u p e r p o s i t i o n i nt w od i s c h a r g eg a p s u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et os t u d yt h ee l e c t r i cf i e l do fo z o n e g e n e r a t o rc a l ls a v ea l o to fr e s e a r c ht i m ea n dc o s t m e a n w h i l e ，i tc a np r o v i d es o m e r e f e r e n c ef o rt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fo z o n eg e n e r a t o r k e y w o r d s ：p u l s ep l a t e - t y p eo z o n eg e n e r a t o r ；p u l s ep i p e - t y p eo z o n eg e n e r a t o r ； m i x e dd i s c h a r g eo z o n e g e n e r a t o r ；e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ；o z o n ey i e l d i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 大气是我们人类生存的最基本要素，它不但能够通过自身运动来进行水资 源分布和热量的调节，给我们创造了一个适宜的生存环境，还可阻止过多的紫 外线射入地球的表面，从而有效地保护地球上人类和生物的健康【l 】。随着工业的 迅猛发展，由于大量工业燃料的燃烧及工业废气的排放等原因，大气环境质量 已日趋恶化，而在各种大气污染中，最为主要的是煤的燃烧，因此，控制燃煤 所释放的氮氧化物和二氧化硫的占有量以成为当前最为紧迫的大气污染控制任 纠1 1 ，而烟气的脱硫脱氮技术也随之孕育而生。 目前，燃煤烟气的脱硫脱氮的技术有电子束法、脉冲电晕等离子体法、活 性焦炭吸附法和湿法脱硫脱氮技术【2 】，但以湿法脱硫脱氮技术为主。在湿法脱硫 脱氮技术中，利用臭氧氧化结合化学吸收同时脱硫脱氮已被验证为是可行的， 因此，臭氧是一种相当有广泛应用前途的氧化剂。 臭氧和氧是一种同素异形体，其是一种带草腥味气体【3 】。臭氧是一种氧化性 极强的物质，除氟外，其氧化性要比二氧化氯、氯及高锰酸钾都高，是常用氧 化剂中氧化能力最强的氧化剂【4 】。由于臭氧氧化后的产物是氧气，因此，它是一 种高效的无二次污染的强氧化剂，所以人们称之为“理想的万能绿色强氧化药 剂 ，其代替氯作为氧化剂已成为一种趋势【4 5 1 。作为物质存在的臭氧既是强氧 化剂又是强催化剂，它具有杀菌消毒、除味、脱色等氧化分解作用，因此，臭 氧已在医疗器械及餐具杀菌、食品杀菌、大气净化和饮用水杀菌消毒等行业广 泛应用，并取得了显著的效果【3 4 ，6 j 。 1 2 臭氧的产生机理 研究探讨产生臭氧的等离子体化学、等离子体物理理论与方法，对取得高 浓度臭氧是十分重要的【5 】。臭氧的产生是一个较为复杂的过程，尽管臭氧产生 的机理存在多种说法，但式( 1 1 ) 被认为是主要的臭氧产生途径【4 】。产生臭氧 的过程主要如下【4 】： ( 1 ) 高压电场使气体发生电离，从而放电产生，放电通道会产生一定能量的 第1 章绪论 电子； ( 2 ) 采用高速电子轰击氧气分子，引起氧气分子分解电离，从而产生氧原 子： e + 0 2 - - h2 0 + p ( 1 1 ) ( 3 ) 高速电子具有足够的动能( 6 - - 7 e v ) ，然后通过三体碰撞反应产生臭氧： d + d 2 + m _ d 3 + m ( 1 2 ) 式中m 表示参与反应的中间物质。 ( 4 ) 臭氧分子和其他粒子( 如氧原子和电子) 发生碰撞，发生分解反应： d + d 3 - - 9 2 0 2 ( 1 3 ) p + d 3 专d + q + g ( 1 4 ) 由于氧原子不仅会与氧气分子结合产生臭氧的反应，还要和其它粒子碰撞 发生别的化学反应，所以，氧原子的相对浓度并非越高越好。 1 3 臭氧的产生方法 已有研究证明，少量的臭氧可由某些自然的和人为因素产生，如闪电、复 印机、核辐射及紫外灯等方法【4 】。目前，产生臭氧的方法主要有无声放电法( 电 晕放电法) 、紫外线法、等离子体射流法和电解法等几种方法，而工业上生产 臭氧则是用专门设计的电晕放电方法制造的，在此主要介绍电晕放电法、电解 法和紫外线法的定义、放电特性及影响臭氧产量的因素等【4 】。 1 3 1 电晕放电法 1 3 1 1 电晕放电法的定义 电晕放电法( 无声放电法) 是指一种干燥的含氧原料气体流过电晕放电区， 然后通过气体放电电离产生臭氧f 3 4 1 。常用的原料气体有空气、氧气以及含有氮、 氧、二氧化碳或氩等其它稀释气体的混合气体【3 】。 1 3 1 2 电晕放电的特性 4 】 电晕放电是利用低强电流流过充满气体的缝隙，当此气体间隙的电压降逼 近发火击穿电压程度之下时发生放电。在气体被击穿的过程中，原料气体部分 2 第1 章绪论 被强电压电离，成为一种有特色的弥散淡蓝色辉光产物。因有充满气体的放电 间隙和电介质材料二者的存在，电晕元件对电源表现为电容性负载。另外，电 晕放电产生臭氧的过程是电能在电晕内消散的结果。 1 3 1 3 影响臭氧产量的因素 衡量电晕放电产生臭氧效果的指标是单位放电面积的臭氧产量和电消耗量 【4 】。其主要影响因素有原料气体种类、电源、电介质材料、放电气隙、电极结构 和冷却方式等【4 6 j 。 ( 1 ) 原料气体对臭氧产量的影响 产生臭氧的主要原料气体是氧气，因此，一般原料气体都采用洁净的氧气、 空气以及含有氧和无氧气体、其它惰性气体的混合气体，所以，原料气体中的 含氧量、原料气体的流量及原料气体中的杂质含量等都将影响到臭氧的产量 4 1 。 原料气体中的含氧量对臭氧产量的影响是显而易见的，其含氧量越高，臭 氧的产量就越大，不过其增长并非呈线性关系【4 1 。综上所述，原料气体采用纯氧 要比空气更有利于臭氧的产生，但纯氧的制造成本要比空气大得多，因此选择 原料气体时还需考虑经济性【4 】。 ( 2 ) 电源对臭氧产量的影响1 4 j 在通过放电气隙的气体流量保持不变的情况下，随着电晕功率的增加，臭 氧产量也会随之增加，因此提高电晕功率就可实现臭氧产量的增大。提高电晕 功率有两种方法：一是提高电源的输出频率，这样可以提高电晕功率，从而提 高臭氧产量；另外，提高电源电压也可以增加电晕功率，进而提高臭氧产量， 但电压高不仅电能消耗会变大，而且也容易将电介质击穿破坏，对元件的绝缘 性能要求也会越高，从而增加了设备的制造难度和加工成本。 ( 3 ) 电介质材料对臭氧产量的影响 理想的电介质应具有良好的绝缘性能和导热性能。良好的绝缘性可以能够 防止气体放电过程中电子击穿电介质，而良好的导热性能有利于臭氧产生过程 中所产生热量的散发，从而防止臭氧的分解【4 7 1 。然而，导电性和导热性常是兼 有的性质，所以主要按绝缘性能的要求选择玻璃、搪瓷、云母、陶瓷等高阻抗 的电介质材料。另外，为防止放电过程中臭氧发生器放电气隙中的温度过高， 应尽量选用薄的电介质，以有利于散热，但过薄的电介质也容易被高压击穿， 因此需要综合考虑电介质的厚度1 4 j 。 3 第1 章绪论 ( 4 ) 放电气隙高度对臭氧产量的影响1 4 1 一般而言，放电气隙高度越小，发生放电的起始电压越小，电能消耗越小， 相对臭氧产量就越高。然而，放电气隙高度越小，气流通过放电区的阻力也就 越大，所以臭氧发生器的放电气隙高度一般设置为2 , - , 3 m m 。 ( 5 ) 冷却方式对臭氧产量的影响 在臭氧发生器中，尽管电晕放电产生臭氧需要的电能较大，但电能的利用 率并不是很高，一般在5 - - 1 0 左右，甚至更低，因此，大多数的电能都以热量 的形式被排出，仅有- d , 部分的电能被用来生产臭氧【8 】。若臭氧发生器没有安装 有效的冷却系统，发生器放电气隙内的热量无法发散，会发生臭氧因温度升高 而分解的现象，不利于提高臭氧的产量，因此臭氧发生器的冷却系统对臭氧产 量及设备能否有效稳定运行是非常重要的。冷却系统的冷却效果好，则整个系 统的温度就会降低，则臭氧的分解速率降低，所以臭氧产量增加。目前，工业 用的臭氧发生器一般采用水冷或油冷形式 4 1 。 1 3 2 紫外线辐射法 紫外线辐射法是指通过利用紫外线的能量促使一个处于基态的氧分子一经 吸收光便被分解为两个氧原子，然后，氧原子再同一个氧分子反应产生臭氧的 方法【3 4 1 ，即： 0 2 + h r 一2 0 ( 1 5 ) o + 0 2 + m 一0 3 + m ( 1 6 ) 0 3 + 0 2 0 2 ( 1 7 ) 但紫外线辐射法并不适合用于大量生产臭氧【3 1 。然而，紫外线法在需要少量 臭氧的使用场合是挺合适的，例如实验室使用、少量样品杀菌、除臭等，曾有 人报道过紫外线法产生臭氧还可以用于水处理方面1 9 1 。另外，紫外线辐射法的主 要好处是重现性效果好，对湿度不敏感，同时也易于通过对紫外灯功率的线形 控制来控制臭氧的产量【1 0 l 。 1 3 3 电解法 电解法又称电化学法，电解法产生臭氧是指采用直流电源电解含氧电解质， 从而生成臭氧【3 ，4 】。随着人们对电解液、电极材料与电解机理及过程等方面的大 4 第l 章绪论 量研究，电解法产生臭氧技术已取得很大进步，目前，最主要的电解法产生臭 氧技术是采用固体聚合物电解质( s p e ) 膜复合电极电解水产生臭氧【3 】。 相对于利用电晕放电产生臭氧技术，电解法产生臭氧技术具有一个特别的 好处，那就是产生的臭氧浓度大小与功率消耗无任何关联。在电解法产生臭氧 技术中，产生的臭氧浓度主要取决于电流效率，然后才取决于稀释气体的流量 大小，并且电解法产生臭氧工艺至少1 0 的臭氧浓度是可以达到的【4 】。 1 4 臭氧发生技术的研究现状 目前，商用臭氧发生器主要是利用介质阻挡放电，臭氧产率远低于理论值 1 2 2 6 9 k w h 6 。近年来，为提高臭氧产生的效率，降低臭氧发生器的生产成本， 并扩大其应用范围和价值，许多科学家先后对此进行了大量的理论研究和技术 改进，这些研究与改进主要集中在电极形式、电介质材料、原料气体、高频高 压电源以及放电形式的采用等方面。 1 4 1 电极形式方面的研究 为了改善臭氧发生器中的气体放电状况，进而提高放电效率，并以此来提 高臭氧的浓度、产量和产率，人们研究了如线状、螺旋状、网状、刷状、管状 和水电极等各种形式的电极结构对臭氧浓度、产量和产率的影响规律。 b o o n s e n g 1 l 】等在对臭氧发生器的研究中采用了刷状电极结构。研究结果表 明，刷状电极不但能够增大电离面积，还能有效提高气体的电离能力，从而形 成非均匀的强电场，进而提高臭氧的产生效率。在实验中，原料气体采用空气 源，当电源电压为1 5 k v ，频率为2 0 k h z 时，臭氧浓度为6 4 p p m ，而且臭氧的产 生效率超过7 16m g k w h 1 1 j 。 n o m o t oy 【1 2 】等人利用无声放电和沿面放电相结合的混合放电对螺旋状一管 状电极结构的臭氧发生器进行了研究，如图1 1 所示。他们将螺旋状不锈钢丝作 为内电极安装在耐热玻璃管内，以材料为黄铜的圆筒作为外电极，外电极和玻 璃管之间留有气隙，即为放电气隙，电介质材料即为玻璃管。在实验中，当在 内外电极间施加频率为6 0 h z 的正弦交流高压电时，放电气隙中将发生无声放电， 与此同时，内电极的沿面放电也会产生，这也就是所谓的混合放电。研究结果 还发现，当原料气体采用n 2 与0 2 组成的混合气体时，臭氧的产率可达1 1 0 g k w h ；当原料气体采用纯氧气源时，其产率更是高达2 7 4 k w h , 因此，这种电 5 第1 章绪论 a ( _ v茹锈势电梭f 碴也l 飞荟薹釜量銎笛 ：尸 钿出 铀硼t o f l 婶z j 哦鼽鼢w 螺删鼻 图1 2 管状反应器示意图 y e h i a 等人【1 3 1 5 】为研究电晕放电和无声放电特性，采用对比实验就线一矩形 型、线一圆管型和同轴圆管型电极结构臭氧发生器进行了深入研究，如图1 2 所 示。在实验中，原料气体采用常压下的干空气，实验结果表明，当铜线直径、 放电功率和气体流速相同的情况下，在电极两端不管是施加直流电还是交流电， 采用线一矩形型电极结构的放电电流和臭氧浓度都要比线一圆管型电极结构的 低；在无声放电实验中，在前二者结构的基础上增加了同轴圆管型电极结构的 臭氧发生器作为对比，并在接地电极上涂了电介质材料，实验结果表明，不管 铜线的直径大小和放电气隙宽度如何( 当铜线直径大小和放电气隙宽度分别相 等的情况下) ，利用同轴圆管型电极结构的臭氧发生器所产生的臭氧浓度都比线 一矩形型和线一圆管型臭氧发生器所产生的臭氧浓度高，这也说明，臭氧发生 器的产率和浓度跟电极结构是有很大关系的。 j a m e sa r o b i n s o n 等人【1 6 j 研发了一种比较适合水净化的臭氧发生器，该臭 氧发生器的电极采用的是水电极结构，即用水作为电极，如图1 3 所示。作者采 用憎水性的电介质材料托住组装电极，黄铜电极作为高压电极浸泡在变压器油 中的，接地电极采用不锈钢板，并将其放于水池底部。当以纯氧气作为原料气 6 第1 章绪论 体时，这种结构的臭氧发生器在低臭氧浓度下产率可超过11 0g l 【帆。 吃介厩燃 。融 图1 3 水电极结构臭氧发生器 马虹斌等人【1 7 】分别采用管式结构和板式结构臭氧发生器研究了高压网状电 极的特性，如图1 4 所示。实验中- ，不锈钢网分别以管状和平板状作为臭氧发生 器的高压电极，并分别在网孔密度分别为1 6 目和4 0 目两种情况下进行对比实 验，原料气体为纯氧。实验发现，管式结构和板式结构臭氧发生器的臭氧浓度 随电压变化的特性曲线是不相同的，但都有一个共同的特点，即：在管式结构 或板式结构臭氧发生器中，无论不锈钢网的密度如何，其臭氧浓度都是随电压 的的增大而增大。实验结果还表明，在管式臭氧发生器中，当电压小于临界值 时，密网电极的放电强度要远大于疏网电极，但随着电极两端电压的变大，两 者的放电强度差距逐渐缩小，直到电压大于临界值时，此时疏网电极的放电强 度要远大于密网电极，而在板式臭氧发生器中，规律是相反的，这是由于两者 的放电机理不一致所导致的。因此，研究结果说明，电极网孔的密度大小会影 响到放电的强弱。 知 图1 4 管式臭氧发生器和板式臭氧发生器 7 第1 章绪论 康威斯【1 8 】研发了一种网板式臭氧发生单元，其有一个平板状的电介质，该 电介质材料两侧对称地设有电极板。该电极板是一种不锈钢网状电极板，其密 度为5 , - - - 2 0 目左右，而且不锈钢网状电极板的尺寸要小于电介质的外形尺寸， 研究结果表明：该电极形式能显著提高臭氧的产生效率，并且成本较低，电极 的寿命也比较高。 张显军【1 9 1 研发了一种板网( 丝或条) 式放电电极，其在平板式电介质材料 两面分别设有金属网丝或条，用以作为臭氧发生器的两个高、低压双面放电电 极，并由两根导体引出构成一个双面放电双面制取臭氧的放电单元，它可以单 独或多单元重叠组合使用，此种装置臭氧发生器的电能利用率和臭氧产率要高 于单面放电一倍，而且简化了生产工艺和成本。 s e u n g l o kp a r k 2 0 】等人研究了网平板式电极对臭氧浓度和产量的影响。实 验将网眼很小的网一平板式电极与传统的平板式电极进行了对比，实验结果表 明，网一平板式电极更有利于降低电晕放电的起始电压，从而有利于臭氧的产 生。在臭氧发生器产生臭氧的过程中，由于气体放电会使得反应器内的温度身 高，而由于网平板式电极的网状电极有许多的网眼，因此有利于热量的扩散， 从而起到降温的作用，这样可以缓解臭氧的分解( 臭氧在高温时会发生分解) 。 所以，网一平板式电极要比传统的平板式电极更有利于臭氧的产生和臭氧浓度 的提高。 岳朝松等人【2 i 】对管式电极进行了深入的研究，为了便于装置的冷却，实验 采用了如图1 5 所示的电极结构。实验装置采用不锈钢管和螺旋状电线作为电 极，而电介质材料陶瓷是喷涂在不锈钢管外表面的。实验结果表明，通过改变 螺旋形电极线的螺距可以改变放电时的电晕密度。随着螺距的减小，电介质层 表面上的电压降就会随之减小，从而使得放电气隙上的电压降增大，因此，臭 氧的产率会随螺旋状电极线螺距的减小而增大，有利于臭氧的产生。 图1 5 管式臭氧电极 第l 章绪论 张显军【2 2 】利用双面电晕放电的形式对管式电极进行了研究。他研发了一种 高效管式双面放电臭氧发生器，在工作时，臭氧发生器管腔内外双面能够同时 发生电晕放电，进而同时产生臭氧。该类型的臭氧发生器提高了电能的利用率 和臭氧产率，实现了低能耗高产率的要求。 何朝辉【2 3 】和尹琳【2 4 】也对管状电极进行了较为深入的研究。何朝辉发明的臭 氧发生管有一根玻璃管，玻璃管的两端害设有管套，并且管套上装有高压电源 接头，金属网状外电极安装在玻璃管的表面，而玻璃管的内壁装有金属丝网或 金属箔制成的内电极；尹琳研发的臭氧发生管主要是由一根玻璃或陶瓷制成的 基管组成，但基管内壁涂有导电材料作为阳极，而基管外套装有金属丝网作为 阴极，阳极的引出线制成“丝瓜筋状或“毛刷状 ，这样可以使引出线与阳极 有无数接触点连接，从而避免在连接点因集中放电而击穿短路，提高了臭氧发 生管的寿命。以上两种管式放电管都能保证臭氧的产量。 ，： 1 4 2 放电形式方面的研究 臭氧发生采用的是常温常压下气体电离产生的低温等离子体，不同的臭氧 发生器有不同的放电类型，包括电晕放电、沿面放电、脉冲电晕流光放电、介 质阻挡放电和混合放电等【2 5 】。近年来，为提高臭氧产生的浓度、产量和产率， 扩大臭氧的使用范围，国内外学者研究了放电形式对其的影响规律，而且主要 集中在脉冲放电和混合放电方面。 1 4 2 1 脉冲放电 已有文献报道，氧气分子的分解、分解电离、分解附着的强度要取决于电 子从外加电场所获得能量的大小，同时其也决定了产生臭氧的浓度的大小【5 1 。已 有研究证明，臭氧分子的分解能和电离能为2 e v ，因此具有2 - - 8 4e v 能量的电 子其实对产生臭氧没有一点用途，因为这部分能量似乎只是用来分解臭氧的， 因此，应尽可能减少具有这部分能量的电子占有数【4 j 。 脉冲放电是一种极其有利于等离子体化学反应的放电形式，其在烟气脱硫 脱氮等很多领域取得了较好的研究成果。近几年来，科学家已经注意到采用纳 秒级脉宽的高压脉冲电源通过脉冲放电形式产生臭氧是一种高效的方法，主要 因为脉冲放电过程中，转化成离子和中性物质的能量减少，并且不需要很高的 冷却系统来冷却电极，从而节约了成本；另外，纳秒级高压脉冲技术能将能量 在时间尺度上进行压缩，以获得极短时间内( 纳秒级) 高峰值功率的输出，减 9 第1 章绪论 少了低能电子的产生。研究结果表明，这是一种比较有前景的臭氧产生形式， 不过也存在一些问题，如纳秒级脉冲电源的生产成本与使用寿命问题等i z u j 。 idc h a l m e r s 等人【3 1 】采用线一圆管型电极结构分别利用脉冲电源和交流电 源对臭氧发生器进行了实验。实验结果表明，采用短脉冲电源来放电产生臭氧 的效率和浓度比交流电源要高，并且脉冲电源的峰值电压越高，其臭氧的浓度 越高，而臭氧的产率随电压的增大而先增大后减小。另外，他们还发现正脉冲 放电比负脉冲放电更有利于臭氧的产生。 idc h a l m e r s 等人1 3 2 1 为提高臭氧的产生效率，通过实验将脉冲电晕放电与传 统的臭氧产生方法一介质阻挡放电进行了比较。实验采用常压下的氧气，电极 结构依旧为线一圆管型，结果发现脉冲电晕放电产生的臭氧的浓度要比介质阻 挡放电大的多，这证明了脉冲电晕放电是一种产生臭氧的有效的放电形式。 h i d e n o r ia k i y a m a 等人f 3 3 】采用螺旋线平板型电极结构对脉冲流光放电进 行了研究。实验就脉冲电源的重复频率臭氧浓度及烟气污染物中的氮氧化物的 去除率做了研究对比，结果发现，脉冲电源的重复频率越高，臭氧的浓度越大， 越有利于烟气中氮氧化物的去除。 w j m s a m a r a n a y a k e 等人【3 4 】对干空气中的脉冲流光放电进行了大量的实验 研究。实验结果表明：在干空气中，在其它条件一定时，臭氧浓度和产量随电 源峰值电压增大而增大：而且臭氧浓度还受脉冲重复频率、放电气隙宽度和气 体流量的影响，当其它条件一定时，臭氧浓度和产量分别随频率和放电气隙宽 度的增大而增大，但随气体流量的增大先会达到一个定值，然后下降。实验证 实，在脉冲重复频率为1 0 0 p p s 和1 6 m m 的放电气隙时，可得到最高的臭氧浓度 和适量的臭氧。 w j m s a m a r a n a y a k e 等人【3 6 1 对脉冲流光放电产生臭氧进行了大量的实验研 究。研究结果表明：无电介质材料并其它条件一定时，臭氧浓度随峰值电压的 增大而增大，随放电间隙的减小而增大。在干空气，无电介质材料时臭氧浓度 随输入能量密度的增大而增大，而有介质材料p v c 时，臭氧浓度随输入能量密 度先增大到最大值，后降低。 w j m s a m a r a n a y a k e 等人1 3 6 对脉冲放电臭氧合成进行了模拟研究。他们将 脉宽设置为l o o n s ，通过建立模拟模型研究了臭氧发生器内的放电现象及影响臭 氧浓度的因素，并将模拟结果与实验结果及现有的研究成果进行了对比，结果 证明模拟结果与实验结果是吻合的。另外，实验还证明，在圆管式电极中脉冲 l o 第1 章绪论 电源非常有利于臭氧的产生，而且温度的升高，不利于高浓度臭氧的产生。 h o n g b i nm a 等人p7 j 对脉冲流光放电进行了深入的研究。研究结果表明：脉 冲电压的能量输入不仅与脉冲电源的峰值电压有关，还与电极结构有关，脉冲 峰值电压越高，能量输入越大，而且螺旋形一圆筒型电极结构的能量输入要比 线一圆柱型大。实验还证实发现：火花放电不利于臭氧的产生，因为电火花容 易破坏臭氧；正脉冲放电要比负脉冲放电更有利于臭氧的产生。 m i l a ns i m e k 等人p 哪利用脉冲电源也对脉冲流光放电进行了较为深入的研 究。他们将脉冲电压施加在线一圆管型电极上，通过流光放电形式产生臭氧。 实验研究了脉冲峰值电压、电源的输入能量密度、重复频率等对臭氧浓度的影 响，并且还探讨了臭氧浓度与臭氧产量间的相互关系。实验表明：随脉冲峰值 电压的增加，臭氧浓度逐渐增大；随电源输入能量密度的增大，臭氧的浓度和 产量也随之升高，但臭氧的产率与能量密度的关系形成抛物线；臭氧的产率与 臭氧浓度之间的关系也构成抛物线样式。 s t s u k a m o t o 等人1 3 9 j 利用高速摄像仪对脉冲流光放电中流光传播机制进行 了研究。在同轴圆管式电极上施加高压脉冲电源的情况下，设置放电间隙为 3 7 7 5 m m ，正脉冲电源的峰值电压为6 7 k v ，脉宽为2 0 0 n s 。实验中发现，脉冲流 光首先从内电极出现，在传播了8 0 n s 后到达外电极，根据此组数据可计算得到 脉冲流光的传播速度为4 7 1x1 0 7c m s ，这个结果虽然与已有文献报道的1 1 1 0 6 c m s 、4 4 x1 07 c r r g s 、9 1 0 7 e m s 和1 8 1 0 8 c m s 等数值不同，但是在不同的实 验条件下，流光传播速度的范围是在1 0 6c m s 和1 0 8 c m s 之间。 为进一步研究脉冲流光放电，n s h i m o m u r a 4 0 j 等人通过实验深入地探讨了 脉冲形状与性能参数、放电板的结构与尺寸及氧气的流量等因素对臭氧产量的 影响规律，并得到了产量为3 5 0 9 k w h 的产量。n s h i r n o m u r a 等人j 还指出，纳 秒级高压脉冲电源有利于提高臭氧的产量，但是在放电板的结构方面，目前并 没有一个最优化的结构和尺寸。因此n s h i m o m u r a 等人 4 0 l 预测放电板的结构优 化和对纳秒级高压脉冲电源的诊断技术是今后研究的任务之一。 w j m s a m a r a n a y a k e 等人【4 l j 再次对脉冲流光放电产生臭氧进行了模拟研 究。实验模拟了干空气源条件下臭氧发生器内的气体放电情况，探究了脉冲个 数和电场强度对臭氧浓度的影响。模拟结果表明：对于单脉冲，臭氧浓度随着 折合电场强度e n 和放电时间的增加而增大：当e n = 1 0 0 t d 时，臭氧浓度随着 脉冲个数的增加而变大，当脉冲个数达到饱和值2 5 0 0 时，臭氧浓度随着脉冲个 第1 章绪论 数的增加反而变小，因为此时脉冲对臭氧合成反应的破坏大于臭氧的合成；而 当e n = 4 0 t d 时，臭氧的浓度可以忽略不计。 为了对脉冲放电有更深入的了解，r y oo n e 等人1 4 2 1 对脉冲电晕放电的一级、 二级流光的产生和结构及臭氧的空间分布进行了较为深入的研究。以多点一平 板型结构臭氧发生器为例，当脉冲电源的脉宽为1 0 0t t s ，放电气隙为1 3r n m 时， 在施加放电脉冲10 0l a s 后臭氧密度不会再增长，而且反应o + 0 2 + m - ) 0 3 + m 的速 率为3 5x1 0 - 3 4c m 6 s 。此外，实验表明，产生的臭氧主要分布在发生器的二级 流光通道，由此可见，绝大多数的臭氧是由二级流光产生。 zb u n t a t 等人【4 3 】在前人的研究基础上第一次对脉冲流光放电产生臭氧进行 了量纲分析，并且由此计算的结果与实验结果相当吻合。此量纲分析不仅可以 用来计算一些数据，还可以用来研究相关参数对臭氧产生的影响。另外，zb u n t a t 等人【4 3 】还得出正脉冲与负脉冲会得到不同的脉冲电晕起始电压。 t a k a on a m i h i r a 等人 4 4 1 利用高速测速仪和摄像仪对脉冲流光放电的流光传 播速度进行了测定。实验测定了不同峰值电压下的流光传播速度，并得到了流 光的传播方向。实验研究结果表明：脉冲流光放电过程中，流光先是发生在内 电极上，然后经放电间隙传播到外电极；脉冲流光放电过程中的流光最大传播 速度为1 8 3 3n l m n s ，对应施加的峰值电压为7 2 一- , 9 1 k v ，而且这一结果与模 拟结果及点平板式电极结构的结果相吻合。 要想提高臭氧浓度和产量，就必须对臭氧在放电空间的分布有一定的了解。 r y oo n o 等人【4 5 1 在其前面的研究基础上，利用二维激光吸收法测量分析了臭氧密 度在放电空间中的分布。研究结果显示：臭氧主要分布在二级流光通道，一级 通道只是占了一小部分，由此说明，臭氧主要是由二级流光产生，而不是一级 流光；实验测定流光的光丝直径随着放电的扩散而逐渐变大，而且臭氧的扩散 系数为o 1 , - 一0 2c m ? s - 1 。 s h u n i c h ik a n e d a 等人【4 6 】通过双重放电研究了脉冲放电的电介质对臭氧浓度 的影响。实验通过气体预电离和主电离双重放电得到了脉冲放电，在无电介质 的平板型电极结构及输入功率为0 8 w 时，臭氧的最大浓度为3 0 0 p p m ，臭氧产 量为8 0g k w h ；当在阳极板上覆有9 m m 宽的电介质及输入功率为1 5 w 时，臭 氧的最大浓度为7 5 0 p p m ，臭氧产量为9 0g k w h ；因此，实验证明，有电介质材 料时更有利于臭氧的产生，并且在电极板上部分覆有电介质材料要比全部覆有 电介质材料更能利于臭氧浓度和产量的提高。 1 2 第l 章绪论 t o m o y u k ik u r o k i 等人 4 r l 对脉冲放电应用于烟气中的n o x 的脱除进行了实验 研究。实验结果表明，脉冲放电非常有利于脱除烟气中的n o x ，并且n o 的去处 浓度与臭氧的浓度之比接近1 0 ，而且一氧化氮氧化的能量效率大概在3 2 - 一2 3 3 e , & w h ( n o ) 。 s a n i lj o h n 等人【4 8 】研究了脉冲电晕放电在氢硫化物分解中的应用，实验结果 表明：氢硫化物分解的能量效率与电源的相关参数有关，高峰值电压或低放电 电压、高脉冲频率和低脉冲电容会使得氢硫化物分解的能量效率增高，即有利 于氢硫化物的分解和脱除。 魏林生【2 5 】采用窄脉宽高压脉冲电源对脉冲电晕放电产生臭氧进行了实验研 究，同时还研究了电压输入方式、峰值电压、重复频率、气体流量、电极结构、 放电室结构、气源等参数对臭氧产生的影响。研究表明，正脉冲有利于臭氧的 产生，并且随峰值电压的增大，臭氧的产量和浓度都随之增加。 1 4 2 2 混合放电 随着对臭氧发生技术研究的深入及工业对臭氧的需要提高，科学家们尝试 采用各种方法将两种不同的放电方法混合起来产生臭氧，以获得大产量、高浓 度、高效率的臭氧，这种方法称之为混合放电法，并取得了一定的研究成果。 混合放电主要包括无声放电与沿面放电混合、无声放电和辉光放电混合、电晕 放电与沿面放电混合等，他们之间的不同主要体现在电极结构和电源形式的不 同 4 9 - 5 2 1 。 n o m o t oy 等人【1 2 】以螺旋状不锈钢丝为内电极，将其放入耐热玻璃管内的， 外电极采用黄铜制圆筒，且玻璃管和外电极之间留有气隙，即为放电气隙，电 介质材料即为玻璃管，研究了声放电和沿面放电相结合的混合放电。在实验中， 当在内外电极间施加频率为6 0 h z 的正弦交流高压电时，放电气隙中将发生无声 放电，与此同时，内电极的沿面放电也会产生，这也就是所谓的混合放电。实 验结果表明，当以2 0 的0 2 与8 0 的n 2 相混合的气体作为原料气体时，臭氧 的产率可达11 0 9 k w h ，纯氧气源作为原料气体时可达2 7 4 9 k w h ，这大约是无声 放电的2 5 倍，因此，采用混合放电可明显提高臭氧的能量利用效率。 马虹斌等人【1 刀采用螺线状不锈钢管一金属网电极结构组成的臭氧发生器研 究了混合放电，实验研究表明，在这样一种臭氧发生器中，放电形式为沿面放 电和无声放电的混合，并且金属网的孔密度越大，无声放电就越强。而且，实 第1 章绪论 验还发现，当金属网的孔密度为1 6 目，原料气体为纯氧气时，臭氧发生器可以 同时得到输较高浓度的臭氧和臭氧产率。 m i t s u a k is h i m o s a k i 等人【5 3 】探究了触发电极结构对混合放电臭氧合成的影 响。实验研究证明：当触发放电功率小于0 0 4 w 时，臭氧产量随触发放电功率升 高而增大，当触发放电功率高于0 0 4 w 时，臭氧产量随触发放电功率升高而降低； 当触发电极的个数增加时，臭氧的产量随之增大，当触发电极个数增加到4 个 时，臭氧的产量达到最大值，为11 5g k w h 。 s o n g 等人【5 4 】采用2 个放电空间、3 个电极的放电室结构对混合放电产