姜 松,何园园

(上海理工大学 机械工程学院,上海 200093)

由于臭氧具有较好的氧化性能和对环境的友好性,近年来在医疗、工业、空气污水治理以及食品消毒等方面应用广泛[1-2]。根据热化学理论计算得知,臭氧的理论最大产率为1 226 g·kWh-1。目前以氧气为气源传统的臭氧发生器稳定产率一般低于140 g·kWh-1,浓度低于300 g·Nm-3。以空气为气源的臭氧发生器产率一般只有氧气源的1/3甚至更少,远低于理论产值。生成臭氧进行浓度和产率一般呈负相关,即当臭氧产率较高时,浓度相对较低,因此对生成臭氧的研究具有重要意义。臭氧的主要生成方式有紫外辐射法、电解水法和介质阻挡放电法。其中紫外线辐射法产量低、能耗大,并且紫外线发生装置寿命较短,因此该方法经济性较差,工业推广不太现实。电解水法能效相对较低,在工业上的应用也不广泛。因介质阻挡放电法产生臭氧产率和浓度相对较高,且经济性好,故该方法是目前应用较广泛的产生臭氧方法,对其配套电源参数、臭氧发生器结构、气源、催化剂、冷却装置的研究较多[3-9]。介质阻挡放电是在放电空间中插入绝缘介质的一种气体放电,即在两个放电电极之间充满某种工作气体,将介质悬挂在两个电极之间或者覆盖在一个或两个电极表面,当两电极施加足够高的电压时,电极间的气体被击穿而产生放电,即产生了介质阻挡放电。根据驱动电源的类型可将介质阻挡放电分为交流放电、直流放电和脉冲放电等。国内研究人员认为采用脉冲放电产生的低温等离子体具有明显优势:其一为气体温度低,等离子体活性粒子密度高;其二为脉冲具有较快的上升沿,快速增加的电压导致更高的电场,进而产生更高能量的电子激发和电离气体分子,不会浪费能量激发分子进入振动状态或为离子提供动能。以上特点对脉冲放电产生臭氧的研究具有重要意义[10-13]。

文献[14～15]研究了不同极性脉冲对空气中介质阻挡放电生成臭氧的影响。当发现正脉冲产生臭氧效果最好,负脉冲产生臭氧效果最差。随着其脉冲电压幅值的升高,臭氧浓度快速增加,但臭氧的产率急速下降。文献[16]对比了在反应器内填充玻璃微珠和空床时对脉冲介质阻挡放电产生臭氧的影响,当实验电源为交流电源时,在不同能流密度下,填充玻璃微珠比空床放电生成臭氧质量浓度高30%～40%。文献[17]研究了填充不同类型颗粒以及不同粒径大小对脉冲介质阻挡放电产生臭氧的影响,实验电源仍为交流电源。填充介质后生成臭氧效率有较大提升,且随着粒径的增加,生成臭氧的饱和浓度增加,但生成臭氧的最大能效降低。文献[18]对比了双极性脉冲电源和传统交流电源对介质阻挡放电产生臭氧的影响。采用双极性电源产生臭氧的浓度和能效均高于传统交流电源。由此可见,激励源使用脉冲源和添加催化剂均有利于增加臭氧浓度和产率。

本文利用自制的高压方波脉冲源对通入臭氧发生器里的空气进行激励放电,通过改变脉冲源的放电参数测量臭氧产生的浓度大小,并计算臭氧产量。本文的创新之处在于:1)臭氧发生器供电的脉冲电源为方波脉冲,在方波脉冲下,一次放电留下的累积表面电荷和空间电荷被有效利用,形成二次放电,电源的利用效率得到提高[19];2)分别对比了在不同极性、不同频率、不同脉宽的方波脉冲激励下臭氧浓度和产量的大小。

1 实验装置

图1为本文采用的实验装置与测量系统。臭氧反应器采用圆柱形结构,包括石英玻璃管、铜皮高压电极和不锈钢圆柱接地电极。石英玻璃管外径和内径分别为37 mm和34 mm,长200 mm。高压电极为石英玻璃管外层覆盖的铜皮,长度为200 mm。地电极为外径为32 mm的圆柱形不锈钢,圆柱形不锈钢和玻璃管介质之间的反应器间隙为1 mm。实验进气气体为空气,流速为5 L·min-1。

图1 实验装置Figure 1. Experimental setup

放电采用高压方波脉冲电源激励,脉冲电源可以输出正极性、负极性和正负极性3种不同极性高压方波脉冲,幅值最高可达16 kV且可调,频率为0～3 kHz可调,脉宽可调,最窄脉宽为1 μs。典型的电压输出波形如图2所示。放电电压波形用Tektronix P6015A(带宽75 MHz,分压比1 000∶1)高压探头测量,使用电流探头(Pearson 2100,20 MHz)测量放电电流波形,臭氧浓度由臭氧浓度监测仪(106-M and 106-OEM-M)直接测量。

(a)

2 实验结果与讨论

2.1 放电特性

图3为在系统放电时的电压和电流典型波形。在测量时正极性方波脉冲电压幅值为7 kV,频率为1 kHz,脉宽为2 μs;负极性方波脉冲电压幅值为-6.6 kV,频率为1 kHz,脉宽为2 μs;正负极性方波脉冲幅值为5.8 kV,频率为1 kHz,脉宽为2 μs。正负极性方波脉冲的正脉冲和负脉冲不完全对称,负极性方波脉冲的电压幅值比正极性方波脉冲的电压幅值大约高1 kV。通入气体为空气,气体流量为标准状态下5 L·min-1。可以看出,每个脉冲上升沿和下降沿都有一个明显的放电电流峰值,并且第二个电流的峰值都比第一个电流的峰值稍大,说明在一个脉冲电压激励下产生了两次放电,且一次放电留下的累积表面电荷和空间电荷被第二次放电有效利用,是方波脉冲相比其它脉冲的优势所在。正负极性方波脉冲击穿电压为5.8 kV,明显低于正极性方波脉冲和负极性方波脉冲的击穿电压,这是因为在脉冲的第一阶段期间,电介质表面的电荷积累增强了脉冲极性反转的下一阶段电场。

(a)

使用放电功率P表示系统放电的强弱程度,因此可计算正极性、负极性以及正负极性方波脉冲在不同电压下的放电功率。放电功率为

(1)

式中,u为瞬间脉冲电压;i为瞬间放电电流;f为脉冲重复频率;t为放电时间。

图4为在施加不同极性方波脉冲时系统放电功率随电压的变化趋势,随着外加电压的增加,3种极性下的放电功率均逐渐增加。其中正极性方波脉冲击穿电压为7.00 kV,起始功率为15.19 W;负极性方波脉冲击穿电压为6.60 kV,起始功率为13.18 W;正负极性方波脉冲击穿电压为5.80 kV,起始功率为32.73 W。可知正负极性方波脉冲击穿电压明显低于正极性方波脉冲和负极性方波脉冲,具体原因上文已说明。正极性方波脉冲放电功率从起始放电功率15.19 W一直增加到39.31 W;负极性方波脉冲放电功率从起始放电功率13.18 W一直增加到49.21 W;正极性方波脉冲放电功率从起始放电功率32.73 W一直增加到88.25 W。负极性方波脉冲放电功率比正极性方波脉冲放电功率大,正负极性方波脉冲放电功率明显大于正极性方波脉冲放电功率和负极性方波脉冲放电功率,且比正极性方波脉冲放电功率和负极性方波脉冲放电功率的两倍略小,因为正负极性方波脉冲一个周期放电次数为4次,是单极性方波脉冲一个周期放电次数的两倍。

图4 放电功率随电压变化趋势Figure 4. Discharge power variation trend with voltage

2.2 O3的浓度和产量对比

图5和图6分别为在不同极性方波脉冲激励下,系统生成臭氧的浓度和臭氧产生效率α。臭氧产生效率为系统放电每消耗1 kWh电能时产生臭氧的质量,计算式为

图5 不同极性下臭氧浓度Figure 5. Ozone concentration under different polarity

图6 不同极性下臭氧产量Figure 6. Ozone generation efficiency under different polarity

α=60CQ/P

(2)

式中,C为系统产生臭氧的浓度,单位为g·Nm-3;Q为系统进气的流速,单位为L·min-1;P为系统放电的功率,单位为W。

在不同极性方波脉冲激励下,系统生成臭氧浓度随着施加电压幅值的增大而增大。在施加电压较小时,臭氧的浓度随施加电压的增加而迅速增加,而当施加电压增大到一定数值时,臭氧浓度增加缓慢。在施加功率较大时,系统内部温度较高,臭氧分解速度加快,是造成这一现象主要原因[11]。施加正负极性方波脉冲时系统产生的臭氧浓度明显大于施加单极性方波脉冲时系统产生的臭氧浓度,臭氧浓度最高为8.8 g·Nm-3。在施加正极性方波脉冲和负极性方波脉冲时,系统产生的臭氧浓度差别不大。具体表现为施加正极性方波脉冲时系统产生的臭氧浓度大于施加负极性方波脉冲时系统产生的臭氧浓度。

在不同极性脉冲激励下,系统生成臭氧的产量随施加电压幅值的增大呈现先增大后减小的趋势。当施加功率增大到一定数值时,系统内温度迅速升高,臭氧分解速率大幅度加快,这是造成臭氧产量后期下降的主要原因。施加正极性方波脉冲时系统的最大臭氧产量明显高于施加正负极性方波脉冲和施加负极性方波脉冲时系统的最大臭氧产量,最大产量为55 g·kWh-1。施加负极性方波脉冲时系统的最大臭氧产量高于施加正负极性方波脉冲臭氧产量。

图7为在正极性方波脉冲激励下,脉宽为2 μs、电压幅值为8 kV、不同频率下系统产生臭氧浓度和产量。由图7可以看出,脉冲频率由0.8 kHz上升到1.5 kHz时,臭氧浓度随脉冲频率的增加迅速增加;脉冲频率由1.5 kHz上升到3 kHz时,臭氧浓度随脉冲频率增加迅速减小。臭氧浓度在脉冲频率为1.5 kHz时达到最大,最大为6.12 g·Nm-3。脉冲频率由0.8 kHz上升到1 kHz时,臭氧产量随脉冲频率的增加迅速增加;脉冲频率由1 kHz上升到3 kHz,臭氧产量呈下降趋势,在1.5 kHz到2 kHz期间,臭氧产量下降较快。臭氧产量在脉冲频率为1 kHz时达到最大,最大为57.57 g·kWh-1。

图7 不同频率下臭氧浓度和产量Figure 7．Ozone concentration and ozone generation efficiency under different frequency

图8为在正极性方波脉冲激励下,频率为1 kHz且电压幅值为8 kV时,不同脉宽下系统产生臭氧浓度和产量。由图8可以看出,脉宽由5 μs增加到10 μs时,臭氧浓度随脉宽的增加逐渐增加,但增速很缓慢,臭氧产量基本上维持在40 g·kWh-1附近。总体来看,在脉冲其它参数一定的情况下,脉宽的变化对臭氧浓度和产量的变化影响不大,这是因为放电基本只存在方波脉冲的上升和下降阶段。

图8 不同脉宽下臭氧浓度和产量Figure 8. Ozone concentration and ozone generation efficiency under different pulse width

3 结束语

本文在已有研究基础上,利用自制的高压方波脉冲源对通入臭氧发生器里的空气进行激励放电,通过改变脉冲源的极性、频率和脉宽,研究不同方波脉冲模式下介质阻挡放电产生臭氧的特性,得出产生臭氧的最佳脉冲模式。在未来研究中,将通过改变臭氧发生器的具体参数找到产生臭氧的最佳发生器参数,并将本文得到的最佳脉冲模式与最佳发生器参数相结合,以此增加系统产生的臭氧浓度和产量。