高浓度臭氧在医院污水处理中的应用.doc

高浓度臭氧在医院污水处理中的应用孙汉卿谷传动郑州大学信息工程学院郑州郑州中仁臭氧技术服务有限公司郑州摘要目的如何提高臭氧发生器的浓度和效能怎样提高气水混合效率使臭氧技术应用于医院污水处理的成本降低方法采用软开关技术把臭氧电源的频率提到以上并采用介电常数大的陶瓷片制造窄隙等离子体臭氧发生器利用气液混合泵和射流器相结合的气液混合装置生成高浓度的臭氧水结果软开关技术能把臭氧电源的频率提到以上使臭氧浓度达到臭氧效能达到采用气液混合泵和射流器串联方式能是污水中的臭氧浓度达到结论软开关高频等离子体电源配合陶瓷薄片窄隙臭氧发生器采用气液混合泵和射流器串联方式能大大降低臭氧能耗降低臭氧发生器的成本使臭氧技术在医院污水处理中的广泛应用成为现实关键词软开关高频臭氧电源窄隙等离子体臭氧发生器中药气液混合泵射流器医院污水处理前言由于近年来电子技术和臭氧发生技术的发展使得如今的臭氧发生器能耗大大降低体积越来越小运行稳定性大大提高加之目前电费较低电能充足因而臭氧在污水处理上的应用愈来愈占有明显的优势臭氧应用于医院废水的消毒处理已成为必然和最优的选择方案但是目前国内的臭氧发生器有如下的缺点臭氧的产量小浓度低臭氧发生器的成本高不稳定等这些都制约着臭氧在各个行业的应用为此我们研制了一种高浓度臭氧电源臭氧发生装置该臭氧发生器是采用陶瓷板式放电产生臭氧电源采用全桥谐振式逆变电源采用软开关技术相结合的办法实验和实际证明该臭氧电源装置的臭氧产量高产出的臭氧浓度高而且该发生器的成本低工作稳定提高臭氧发生器效率的方法电离放电产生臭氧的原理臭氧产生的过程是介质阻挡等离子放电放电的过程供电单元提供高压电场而使流过放电间隙的氧气在此电场中通过从外加放电电场获得能量的电子与氧分子发生非弹性碰撞电子把能量转移给氧分子气体被激励后发生电子雪崩当电子从放电电场获得的能量大于时氧分子开始分解电离并形成臭氧提高臭氧效率的理论支持在气体放电中臭氧分子也会分解臭氧分子的分解电离能为所以具有能量的电子会分解臭氧所以控制低能电子的的产生是提高臭氧浓度和效率的根本途径为了高能电子的获得就要突破目前的弱电放电采用强电离放电具体办法有三个方面第一增加电源峰值电压提高放电频率放电室内电晕放电的功率方程式可表示为式中电晕元件放电功率介电体电容放电间隙电容外加驱动电压峰值间隙间的电晕起始电压峰值外加驱动电压频率从公式可以看出通过改进供电电源的峰值电压和频率来提高臭氧发生器的效率和臭氧浓度第二从公式中我们还可以看到放电介质越薄介电常数越高介质损耗越低的介质越能提高臭氧的效率瓷介质具有较高的电气强度较大的介电常数值和较强的耐腐蚀能力近年来国际上提出采用瓷介质作为放电室来取代玻璃介质由于搪瓷的加工难度小成本低所以国内几家大的臭氧厂家都采用搪瓷作为放电体在频率的高压电场中臭氧浓度达到臭氧生成效率达到是臭氧生成理论值的由于搪瓷烧结工艺所限容易产生微孔不适合在高频下以上工作即便在的频率下也很容易产生电子灰电子灰影响放电效率臭氧浓度会大幅度下降随着微孔的扩大搪瓷介质就会在薄弱处被击穿目前国内厂家的搪瓷臭氧放电室不到一个月就要清扫一次给维护带来很大麻烦而且臭氧管击穿会冲击电源所以很多厂家都在每个放电管上加一个保险管但是根本问题仍难以解决目前国际上比较先进的臭氧放电体开始采用型氧化铝陶瓷陶瓷介质具有高强度高密度高绝缘度高介电常数高均匀度低矫曲度和低介质损耗等优点比较适合作为臭氧放电体目前国际上先进技术已经使臭氧生成效率达到是臭氧生成理论值的第三采用较窄的放电间隙减少放电间隙就能增大放电间隙的电场强度并减少热量生成第四有效冷却产生臭氧反映过程是放热反应由于臭氧发生器比较紧凑热量产生多而且集中如果热量不能有效散发出去高温会加速分解臭氧利用空气源的还会大大增加氮氧化物的产生而且高温还会造成介质的热击穿介质阻挡放电电源的介绍臭氧电源发展趋势电离放电产生臭氧的技术关键在于开关电源的参数设计开关电源的优劣不仅关乎臭氧系统的稳定而且对臭氧生成效率和臭氧浓度的提高具有非常重要的作用采用新一代的作为开关管设计软开关全桥移项开关电源借以提高电源频率增加稳定性和减小体积是目前国际上研究的热点国内臭氧电源现状由于大功率高频率的臭氧开关电源技术难度大目前国内大多采用工频和中频设计思路仍然是可控硅整流技术水平停留在世纪年代少数企业采用开关管但设计思路是硬开关但硬开关技术有一下的缺点开关损耗大开通时开关器件的电流上升和电压下降同时进行关断时电压上升和电流下降同时进行电压电流波形的交叠产生了开关损耗该损耗随开关频率的提高而急速增加感性关断电尖峰大当器件关断时电路的感性元件感应出尖峰电压开关频率愈高关断愈快该感应电压愈高此电压加在开关器件两端易造成器件击穿容性开通电流尖峰大当开关器件在很高的电压下开通时储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内频率愈高开通电流尖峰愈大从而引起器件过热损坏另外二极管由导通变为截止时存在反向恢复期开关管在此期间内的开通动作易产生很大的冲击电流频率愈高该冲击电流愈大对器件的安全运行造成危害电磁干扰严重随着频率提高电路中的和增大从而导致电磁干扰增大影响整流器和周围电子设备的工作硬开关的频率做到以上就会容易损坏所以这部分电源的频率一般在众所周知开关电源频率在以下会有噪音对环境造成污染而且容易损坏软开关臭氧电源的优点硬开关存在的问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高软开关技术是克服上述缺陷的一条有效的途径和硬开关工作不同理想的软关断过程是电流先降到零电压在缓慢上升到断态值所以关断损耗近似为零由于器件关断前电流已下降到零解决了感性关断问题理想的软开通过程是电压先降到零电流在缓慢上升到通态值所以开通损耗近似为零器件结电容的电压亦为零解决了容性开通问题同时开通时二极管反向恢复过程已经结束因此二极管方向恢复问题不存在该臭氧电源采用全桥谐振式开关电源使得开关电源的效率达到以上工作频率大于工作时无噪音真正实现无声放电避免了频率在时的高频噪音突破了臭氧开关电源的革命放电次数比较低频成倍增加臭氧浓度高功耗小使臭氧生成效率成倍提高中仁高频高压电源性能特点为了提高工作频率及其装置的转化效率郑州中仁臭氧技术服务有限公司联合郑州大学射频与等离子体实验室根据多年等离子体电源的设计特点借鉴国际先进技术采用当今新型的器件和材料综合利用现代电力电子技术微电子技术控制技术自行开发了软开关大功率高频率的臭氧电源该电源具有以下优点全桥移项软开关技术零电压零电流关断减少对的冲击使模块的寿命大大延长采用美国德州仪器的芯片控制频率可调功率可调调节范围过压保护过流保护高温保护故障报警可输出信号实现控制和远程控制独特的电路整体保护设计不加保护电路电路本身就能实现短路保护从而避免了保护电路保护不及的情况采用日本东芝第五代模块该模块适合高频开关效率高稳定性强目前我们的臭氧电源的频率为正在开发频率为的开关电源放电次数比较低频成倍增加臭氧浓度高功耗小使臭氧生成效率成倍提高大功率铁氧体磁芯的采用大幅度减小了中频的硅钢片高压包的体积大大提高了变压器的效率高压包多股丝包线绕制真空浸漆环氧树脂灌封防潮防击穿克服了高频的集肤效应由于频率大于所以工作时无噪音真正实现无声放电先进的模块式设计精密电路树脂封装防潮防水防灰尘给电源的维修和调试带来极大方便也为不同功率的电源开发提供了便利目前我们已经研发了的臭氧电源能配套生产克公斤臭氧完全能满足医院污水处理的需要高浓度臭氧发生装置臭氧放电室的作用臭氧放电室是等离子放电的承载部分其中的放电介质的参数介电常数介质损耗介质厚度介质密度介质强度放电间隙的大小阳极阴极的冷却放电室的结构等方面都影响着臭氧发生效率臭氧浓度可靠性灵活性等因素电介质电介质是型臭氧发生器的重要组成部分其作用可以是强化气隙的电场强度以利产生放电防止气隙击穿同时减少功率消耗使气隙电场均匀扩大放电区域这些都有利臭氧的产生一般而言电介质的介电系数越高导热性能越好越有利于产生臭氧中仁的臭氧产生装置是一种窄放电间隙薄介质层以及两级液体冷却的板式方形结构其特点有采用型氧化铝陶瓷作为放电介质该介质为的型氧化铝陶瓷其相关参数如下介质厚度密度吸水率平均晶粒尺寸硬度抗弯强度线膨胀系数导热率比热绝缘强度体积电阻率介电常数介质损耗角正切值表面粗糙度研究表明臭氧发生气的臭氧浓度与其放电室电介质的抗击穿电压介电常数成正比与介质的壁厚成反比陶瓷材料的介电常数可达到几十乃至上千抗击穿电压可达到几万伏而玻璃和搪瓷介质材料的介电常数为抗击穿电压远低于陶瓷材料我国臭氧发生器以玻璃介电体居多这正是其效率低下的主要原因近年来国内有些厂家开始采用搪瓷作为放电体但是由于搪瓷工艺或者瓷釉配方问题大型臭氧发生器主要是公斤级放电电极选用搪瓷介质管单水冷形式在产生臭氧过程中容易产生两个问题第一容易造成放电室积尘现象这种积尘现象产生在放电过程中随着臭氧发生器工作时间的加长积尘量加剧积尘的特征主要附着在搪瓷放电管表面和不锈钢电极管内表面产生积尘后严重影响臭氧产量直接导致臭氧浓度下降造成臭氧发生器工作稳定性下降但是在清理灰尘后臭氧浓度和臭氧产量又会恢复到最好水平随着使用时间的延长又会生出灰尘臭氧浓度逐渐下降第二大型臭氧发生器风冷搪瓷管在放电过程中容易击穿爆瓷现所生产的搪瓷介质臭氧管在使用前经过严格检验电压耐压试验工频电压不击穿不爆瓷但是使用在高频大型臭氧发生器上时使用不到很长时间搪瓷管的爆瓷率达到以上使用条件高频电源频率高压放电电流所谓爆瓷即搪瓷层在高电场下被击穿瓷层表面有明显击穿瓷层剥落现象露出瓷层底层钢底坯由于爆瓷问题难以解决所以有些臭氧厂家就在每根臭氧管上加一个保险丝以防对电源的冲击臭氧技术研究人员正在努力提高臭氧浓度的研究近期有了重大进展可以把臭氧浓度提高到当介质阻挡放电间隙的折合电场强度大于时可得到大于臭氧浓度为了取得强电离放电电场只有采用窄放电间隙和高介电常数高电阻率的薄电介质层方法它可取得大于的强电场应用高频供电的强电离放电是现代产生高浓度臭氧的唯一有效办法陶瓷材料介电常数大抗击穿电压高可以长期在高频状况下稳定使用是产生臭氧的最为理想的材料但是其制备工艺复杂技术难度大成本高成为限制其应用的主要原因我公司多年来一直致力于强电离放电的研究引进德国生产的陶瓷薄片配合高频电源使介质阻挡放电间隙的电场强度大于使臭氧浓度最高可达放电间隙由于玻璃和搪瓷的成型属于高温过程加工误差比较大在加之和阴极管的配合后同心度会收到影响目前国内玻璃管的放电间隙一般在毫米搪瓷管的放电间隙一般在毫米之间而陶瓷板的成型比较容易平面误差小所以国际上近年正在采用陶瓷板作为放电体放电间隙一般在毫米之间我公司联合机械研究所采取精密不锈钢铸造工艺利用数控加工中心精密加工使放电间隙控制在毫米大大提高了臭氧浓度和生成效率并且使臭氧初始放电电压降低减少了介质击穿的概率双极冷却为了解决臭氧放电极高温带来的分解臭氧电介质热击穿提高臭氧生成效率和提高臭氧浓度比较理想的冷却方式是对阳极和阴极都进行水油冷却由于国内的搪瓷管内部材质多为碳钢不锈钢熔点高不宜把搪瓷烧结上去和液体接触会生锈并且玻璃和搪瓷的管状结构也不利于对高压极进行冷却所以国内采用搪瓷结构的都是阴极水冷阳极风冷氧气或空气经过时附带降温而陶瓷板式结构放电支撑体和放电体都是不锈钢加工件可以进行水冷油冷一般采用阴极水冷阳极油冷使臭氧生成效率和臭氧浓度大大提高模块化小体积我们的介质阻挡强电离放电结构如图所示阳极和阴极都是矩形组件是由阳极和阴极相互交插组成他们之间是用特氟龙隔片隔离形成高精度的窄放电间隙根据臭氧产生量的要求可以采用多个组块方便安装便于检修由于陶瓷的介质损耗小而且高频下介质损耗更小臭氧生产时热量产生少再加上双极水油冷再配合高频电源使放电室整体达到强电离放电臭氧浓度高使臭氧产生装置的体积大幅度减小也使相关空气预处理和臭氧溶解设备小型化每个模块的体积大小为每个阳极两面放电臭氧产量可达以计算共需要个阳极由于阳极阴极交错排列需要个阴极模块的总数量为个如果横向排成一排的话模块的总体积为整机的总体积为比搪瓷管的体积大大减小放电模块示意图大型臭氧发生器的放电室是根据所需臭氧的产量来设计而产量是根据单个放电极在一定频率电压条件下所产的臭氧产量的总和来确定因此放电极是放电室设计的基本依据而在国内放电极技术是大型臭氧发生器制造技术的瓶颈我公司的放电体采用德国进口的型氧化铝陶瓷薄片在矩形不锈钢盒上粘接而成该介质介电常数高介质损耗小加工精度高体积密度大机械强度高介质厚度小高频特性好使用寿命长阳极采用油冷阴极采用水冷避免了电子灰的产生和热击穿能最大程度的发挥高频电源系统和冷却系统的功能是大产量高浓度臭氧发生器的关键根据陶瓷片在高频电容使用的经验推算放电极的使用寿命保守估计可达年设备可实现免维护运行图陶瓷板式臭氧发生器的原理结构图实验证明该结构臭氧发生器的臭氧浓度远远超过国内的的水平可以达到达到国际先进水平公斤臭氧能耗大大低于国内的平均功耗臭氧发生器体积仅为传统工艺的造价也下降一半气液混合泵串联射流器提高污水中的臭氧浓度传统的臭氧污水处理多采用氧化塔该方法臭氧利用率低仅为左右水中溶解的臭氧浓度低一般为该浓度可以达到灭菌的效果但是对于医院污水污水中的相当部分有机物质如及难以被被氧化除去还要增加其他工艺和设备来解决有机物的难题这种工艺不但使臭氧在医院污水处理中的效果不好也这使得臭氧的能耗较大占地多投资也很大气液混合泵是日本尼克尼公司研制开发的一种高效气液混合泵该泵边吸水边吸气泵内加压混合气液溶解效率高微细气泡微米采用此方式投加臭氧可以取代增压泵各种混合器大型氧化塔等气液溶解效率比文氏混合器效率高三倍长期稳定性能易操作易维护低噪音但是该泵受限于气液混合时气体的投加量一般仅为液体的如果采用大流量的泵投资会很高而射流器的气液比例可达所以我们选择气液混合泵串联射流器的工艺既能提高污水中的臭氧浓度也能使气液混合泵后面的气液分离罐分离出来的尾气二次利用降低了投资提高了效率减少了臭氧泄露工艺见图如下注表中虚线箭头为气体管路实线为水体管路郑州中仁臭氧技术服务有限公司联系人谷传动移动电话实验室地址郑州大学信息工程学院射频与等离子体实验室公司主页气液混合泵气液分离罐射流器气液分离罐气源处理高效臭氧发生器污水空气httpgcdgcdcnalibabacom