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臭氧发生器系统介绍

发布时间:2022-03-08   点击次数:1705次

目前,臭氧已在饮用水处理、污水处理、空气净化、化工氧化、纸浆漂白、食品加工、医疗与家庭等多个领域得到广泛应用,其应用规模、应用深度与产品规格都达到*水平,我国近年臭氧应用发展较快的是自来水厂、制药工业和食品加工业。
人工合成臭氧的装置统称为臭氧发生器,其设计与制造技术涉及国民经济多个技术行业,臭氧系统的可靠运行需要其它行业技术研发和技术进步给予支撑。
1.基础介绍
臭氧发生器主要由两个部分组成:一部分是一个包含有放电体的容器,通常被称为臭氧放电室;另一部分是一套为臭氧放电室提供高压电源的电源系统,通常被称为臭氧电源或供电单元(PSU)。
构成臭氧发生器的基本部分的定义如下:
1.1 臭氧发生单元 ozone generation unit
组成产生臭氧的基本元件。
1.2 臭氧发生装置 ozone generation device
安装臭氧发生单元的装置,俗称“臭氧放电室"。
1.3 臭氧电源装置 power supply unit
将输入电源转化为中频高压电源或高频高压电源的装置,也称为“供电单元",使臭氧发生装置内形成高压电场。
1.4 臭氧发生器 ozone generator
产生臭氧所必需的全部装置,包括臭氧发生装置和臭氧电源装置两大部分。
1.5 电极 electrode
与具有不同电导率的媒质形成导电交接面的导电部分;在臭氧发生单元中系指分布高压电场的导电体。
1.6 介质管(板) dielectric tube (plate)
其由基本电磁场性能是受电场作用而极化的物质所构成的零、部件;在臭氧发生单元中系指位于两电极间,造成稳定的辉光放电的绝缘体。
1.7 介质强度 dielectric strength
材料能承受而不致遭到破坏的高电场强度。
1.8 电晕放电 corona discharge
气体击穿后,出现极间电压减小的现象,并同时在电极周围出现昏暗辉光,称为电晕放电。
1.9 辉光放电 glow discharge
当电场强度超过某值时,以发光表现出来的气体中电传导现象,此时辉光扩展到两电极之间的整个放电空间,没有大的嘶声或噪声,也没有显著的发热或电极的蒸发。
2.分类及臭氧类型标记
2.1 分类
2.1.1臭氧发生器按其基本臭氧发生单元的安装方式可分为:
a)臭氧发生单元水平安置为卧式。
b)臭氧发生单元竖直安置为立式。
2.1.2 臭氧发生器按其工作频率可分为:
a)工作频率在50Hz之间的称为工频臭氧发生器
b)工作频率在50~1000Hz之间的(一般从400Hz开始,含1000Hz)称为中频臭氧发生器
c)工作频率在1000Hz以上的称为高频臭氧发生器。
2.2 臭氧发生器规格系列的划分可采用单位时间内臭氧的生产能力来表示,基本单位为g/h,大型机单位为kg/h。
2.3 臭氧类型标记
GB/T 37849-2019《水处理用臭氧发生器技术要求》规定臭氧发生器型号标记主要按单位时间内臭氧的生产能力来表示,具体规定如下:
CF □ □-□ □-□ □
固定结构,W-卧式,L-立式,可省略
气源类别,O-氧气,A-空气,可省略
产量单位,G-g/h,K-kg/h
额定臭氧产量
1工频,2中频,3高频
G管式,B板式
臭氧发生器
示例:每小时产生500g臭氧的中频管式臭氧发生器标记为:CF-G-2-500g。
3.臭氧发生器设计、制造和检验标准
3.1 臭氧发生器设计、制造标准
臭氧发生器严格按照以下标准设计制造:
3.1.1中华人民共和国国家标准GB/T37894-2019《水处理用臭氧发生器技术要求》,臭氧发生器达到优级品;
3.2 臭氧发生器检验标准
3.2.1 中华人民共和国国家标准GB/T37894-2019《水处理用臭氧发生器技术要求》
4.臭氧发生器设计运行条件
臭氧发生器按室内安装要求设计,使用方应确保设备在设计条件范围内运行。
4.1 温度
臭氧发生器设计环境温度范围为不高于45℃。
4.2 湿度
臭氧发生器设计相对湿度<85%。
4.3 冷却水
臭氧发生装置以水为冷却剂,冷却水温度以15-20℃为宜,一般要求不高于28℃。冷却水温度≤32℃时,臭氧发生器能连续工作运行,但30℃冷却水的臭氧产量比15℃下的额定产量要低10~20%。
冷却水须保证较高的水质,一般要求浑浊度不超过10度(NTU),硬度不大于450mg/L,氯化物不大于150mg/L,COD不大于100mg/L,悬浮物不大于10mg/L并不能在容器内造成沉积,这对臭氧发生器长期连续运行有好处。
根据现场条件,臭氧发生器的冷却水因地制宜采用开路或闭路循环,或回流到水处理系统工艺中的方式;根据水质特点,采取适当的防结垢、防有机物沉积等措施。
4.4 大气压
臭氧发生器按标准大气压设计,即大气压为101.3KPa,大气压的变化对臭氧发生器正常工作基本无影响,但高海拔地区使用臭氧发生器时应注意大气压变化对臭氧浓度检测带来的影响进行压力修正,空气压缩机选型时应考虑大气压变化对实际排气量的影响。
4.5 气源
用于臭氧产生的气体必须是氧气或含有氧气的气体,气体中应该尽可能不含有水分、灰尘、油、碳氢化合物(烃)和氢之类的杂质。所有这些杂质都会对臭氧形成过程产生不良影响,并可能对设备产生严重的损坏。
供给臭氧发生器的原料气体品质指标要达到如下要求:
4.5.1 含水量:要求气源露点低于-55℃(空气源),-60℃(富氧源),-70℃(液氧源);
4.5.2 含油量:要求含油量低于0.01mg/m3(21℃),好能低于0.003mg/m3(21℃);
4.5.3 杂质颗粒度:要杂质颗粒小于0.1μm,好能小于0.01μm;
4.5.4 温度:一般要求温度不高于25℃;
4.5.5 压力:要求有一定的压力,一般要求0.1MPa以上,以保证臭氧发生器稳定工作并满足后级臭氧气体输送及投加的需要。
4.6 电源条件
臭氧发生器使用380V/3ph/50Hz电源,允许电压波动范围为±5%。

5.臭氧发生器技术参数
臭氧发生器技术参数见下表:
项 目 指 标 项 目 分 类 指 标
输入电源 380V/3ph/50Hz 臭氧浓度 氧气源 120 mg/L ~150mg/L
工作电压 4.5kV 空气源 20 mg/L ~30mg/L
工作频率 800 Hz ~1500Hz 进气流量 氧气源 6.7 Nm3/h•kgO3~8.3Nm3/h•kgO3
气源露点 ≤-45℃ 空气源 35 Nm3/h•kgO3~50Nm3/h•kgO3
进气温度 20℃左右 功耗 氧气源 7kW/kgO3~8kW/kgO3
工作压力 0.05MPa~0.15MPa 空气源 15 kW/kgO ~16kW/kgO3
冷却水温度 28℃以下 冷却水流量 氧气源 1.7 T/h•kgO3~2T/h•kgO3
冷却水温升 3℃~5℃ 空气源 3 T/h•kgO3~4T/h•kgO3
6.臭氧发生器性能指标试验
臭氧浓度、产量、电耗的测量详见GB/T37894-2019《水处理用臭氧发生器技术要求》8试验方法。
6.1 臭氧浓度
臭氧浓度可用国标碘量化学法,也可使用紫外吸收仪器法。
6.1.1 碘量化学法
臭氧O3作为氧化剂通过与KI反应生成游离I2显色,再用Na2S2O3标准液滴定产生反应至无色,符合1molO3:2molNa2S2O3的定量关系。其计算公式为:
Co3=(ANa×B×24000)/Vo (mg/L)
式中 CO3——臭氧浓度 mg/L
ANa——Na2S2O3标准液用量 mL
B ——Na2S2O3标准液浓度 mol
Vo——臭氧气体采样体积 mL
操作方法详见GB/T37894-2019《水处理用臭氧发生器技术要求》附录B。
说明 :
(1)Na2S2O3标准液浓度在测定标准型发生器时(Co3≥10mg/L)一般用0.10mol。在用于测定低浓度臭氧时(Co3≤1mg/L),应选用0.01mol,否则滴定量太少,降低测定精度。
(2)臭氧气体采样体积Vo是一个重要参量。国内采用的湿式流量计(煤气表)由于腐蚀增加转轮摩擦阻力,显示数值会比实际气量小,计算的Co3偏高。当使用转子流量计(包括大气采样器)计量Vo时会由于其精度低而失准。这个问题出现的很多。臭氧协会推荐使用皂膜流量计计量Vo或用皂膜流量计校准湿式流量计和转子流量计。
(3)作为标准型发生器测定臭氧浓度时要换算到标准状况(STP)。在高浓度(≥10mg/L)时应应用两个采样瓶串联,以保证测定精确。
6.1.2 紫外吸收仪器测定
λ为253.7nm的紫外光对臭氧具有大吸收值并符合比尔-朗伯定律,利用其特性原理研制的紫外吸收臭氧浓度分析仪具有很高的精度和稳定性,其数字显示并可记录数据,使用方便。美国环保局(EPA)和德国标准(DIN19627-1993)都认定其符合臭氧浓度检测要求的仪器。北京生产的国产臭氧检测仪已生产使用多年,该仪器有不同的浓度量程规格供使用选择。
值得提醒的是,紫外吸收检测仪也是由碘量化学法作标定校准的。利用紫外仪器作臭氧设备鉴定检测时,应预先进行校准检验。
6.2 臭氧产量
6.2.1 方法原理概要:臭氧浓度数值与进入臭氧发生器总气体量数值的乘积即为产量。
6.2.2 气体转子流量计 工业级
6.2.3 气体流量的修正计算:流量计使用时被测气体的温度、压力,往往与流量计分度标定时有所不同。因此,使用时读数的流量显示值,常常不是流经流量计气体的真实反映,必须予以修正。其公式如下:
Qn =(PsTn/PnTs)1/2 ·Qs(m3/h或L/h)
式中: Qn——标准状态下,气体实际流量,m3/h或L/h;
Qs——测量(试验)状态下,气体在仪表中的显示流量,m3/h或L/h;
Ps——测量(试验)状态下,气体的压力,Pa;
Tn ——仪表标定时的绝对温度,(273.15+20)K;
Ts——测量(试验)状态下,气体的温度K;
Pn——仪表标定状态时的绝对压力(一个标准大气压1.01325×105Pa)。
6.2.4 臭氧产量的计算
DO3 =CO3 ·Qn (g或mg)
式中 DO3——臭氧产量,g或mg。
值得注意的是,作为CJ/T3028.2-1994的碘量化学法,目前还没有加入温度修正和压力修正,一些相关的专家已经提出,浓度检测中应该将不同温度与气压值下的计算值进行修正;考虑到引起气压变化的主要因素是海拔高程,可以用海拔高程作为修正参照,并提出了供参考的修正值:
不同温度下的修正值如下(假定气压为标准大气压):
温度(℃) 0 10 20 30 40
修正量(%) 0 +3.66 +7.32 +10.98 +14.64
不同海拔下的修正值如下(假定气温为0℃):
海拔(m) -150 0 200 500 1000 2000 3000
气压(105Pa) 1.03143 1.01325 0.98901 0.95265 0.89205 0.77085 0.64964
修正量(%) -1.74 0 +2.41 +6.28 +13.41 +31.03 +55.24
还有紫外吸收仪器法,仪器有温度补偿和压力补偿,普通的仪器同样也应进行温度修正和压力修正。
6.3 产量与电耗的关系
臭氧发生器的发生量为其每小时产生的额定臭氧量(g/h或kg/h)。同一台臭氧发生器,只改变气源,其额定发生浓度和发生量都要改变。一般关系空气源的臭氧浓度为氧气源的1/5,臭氧产量为1/2。发生器的额定发生量是在冷却水温15℃条件下以额定功率运行,产生额定臭氧浓度时的臭氧产量,这时的电耗是额定电耗kWh/kgO3。臭氧发生器的技术指标即为此三项数值,三项指标同时限定了供气的标准状态气量Nm3/h。
臭氧浓度与发生量及电耗为反向相关,即同一台发生器在额定功率下运行,臭氧浓度越高,臭氧产量越小,电耗越大。

7.臭氧发生器技术要求
7.1 臭氧发生装置的技术要求
7.1.1臭氧发生装置设计应按GB5083《生产设备安全卫生设计总则》进行。
7.1.2 臭氧发生装置容纳臭氧发生单元的外壳设计及制造应符合JB741《钢制焊接压力容器技术条件》的要求,所使用的钢板应优先选用按GB6654《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》的技术条件所制造的钢板或按JB1150《压力容器用钢板超声探伤》进行检验,制成的臭氧发生装置外壳应按JB1152《压力容器对接焊缝超声探伤》进行检验。
7.1.3 臭氧发生装置外壳宜采用JB1153《压力容器公称直径》和JB1154《椭圆形封头型式与尺寸》的数值制造。
7.1.4 臭氧发生装置外壳所用法兰应按JB1157-1164《压力容器法兰》的标准制造。
7.1.5 臭氧发生装置外壳应设置观察窗;大型臭氧发生装置外壳宜设置检修孔,其应按JB2555《碳素钢、低合金钢人、手孔分类与技术条件》的标准制造。
7.1.6 臭氧发生装置应设置水、气排空装置和水、气安全阀或水、气安全减(泄)压装置。
当受到条件限制时,水、气安全阀或水、气安全减(泄)压装置可设置在与臭氧发生装置连接管道上,作用与在臭氧发生装置等同处。
7.1.7 臭氧发生装置应设置水、气压力及温度显示仪表或显示仪表的安装接口;受到条件限制时,可在与臭氧发生装置连接管道上,作用与在臭氧发生装置等同处设置水、气压力及温度显示仪表或显示仪表的安装接口。
7.1.8 臭氧发生装置水、气进口或出口应设置流量显示或流量计量仪表,也可设置流量显示或流量计量仪表的接口。
7.1.9 臭氧发生装置与水、气管道连接的接口宜选用法兰盘连接;选用的法兰盘应按GB2555《一般用途管法兰连接尺寸》和GB2556《一般用途管法兰密封面形状和尺寸》制造。
7.1.10 臭氧发生单元中的电极材料应使用的辉光放电条件下、臭氧氧化环境中可长期稳定工作的导电材料制成。
7.1.11 臭氧发生单元中的电极材料应各自满足不同类型的臭氧发生器,在不同的使用条件(环境)中,对电极材料所要求应具备的物理(机械)、化学的性能要求。
7.1.12 臭氧发生单元中,直接处于辉光放电界面的电极表面光洁度,不得低于各臭氧发生器在工作条件范围内保持正常稳定辉光放电的技术要求。
7.2 臭氧电源装置的技术要求
7.2.1臭氧电源装置的设计应按GB4064《电气设备安全设计导则》进行。
7.2.2 臭氧电源装置主要包括主供电变压器(如有需要)、变流器、电抗器、升压变压器、控制系统及显示仪表等。
7.2.3 根据供电电网及要求的不同配置主供电变压器或进线电抗器,向变流器提供合适匹配的电源。
7.2.4 常见的变流器有整流(或斩波)电路、逆变电路等,应根据臭氧发生量的范围及具体特点配置,将供电电源转换成辉光放电所要求的中、高频中压交流电源传输给升压变压器。变流器应优先使用IGBT组件,以提高电源的功率因数,减少谐波。
7.2.5 经过高压变压器升压后将高压电源输送到臭氧发生装置。
7.2.6 电源控制系统尽可能采用数字控制方式代替模拟控制方式,按设定程序启动及关断。
7.2.7 大型臭氧电源装置应根据需要设计用于整机保护的保护电路或安全回路,控制及操作系统可根据需要用自动化控制仪表及触屏等,实现设备的自动化控制,并预留于符合相关要求的通讯接口。
7.2.8 过载能力
臭氧电源装置在输入功率为1.2倍额定功率下间歇工作15个周期后,总装配不得变形,接头和连接件不能有松动现象,仍能正常工作。
7.2.9 功率偏差
在额定电压和正常工作温度下,其输入功率的偏差应不超过标称值的+5%。
7.2.10 防触电保护
臭氧发生器的结构应能防止使用者与带电部件发生意外接触。
8.臭氧发生器特点
典型臭氧发生器如右图所示,设备框架式一体化设计,相关控制阀门、仪表等安装完毕,自动控制、自动保护停机、紧急停机,设备供货时包含一体化安装管道及管道安装支架。
自动化控制机型随机配备PLC和一套自动化检测仪表和阀门,用于监控臭氧发生器工作并可与总控PLC通讯。
详细控制检测点及工作原理详见其他章节内容。
按设备类型、安装及用途类型、单位时间内臭氧的生产能力来表示臭氧发生器,具体规定如下:
□ □-□ □-□ □
前面四个格表示基本类型标记,具体规定如下:
□ □-□ □-□ □
臭氧产量单位,G表示克/小时,K表示千克/小时
臭氧产量数值,指以设备类型规定气源时的额定臭氧产量数值
设备类型后缀,用于区分设备安装或用途类型:
D 表示臭氧放电室和臭氧电源分体组装,分体式底座机
P 表示臭氧放电室和臭氧电源安装在一个机柜内(柜式机)
F 表示臭氧放电室和臭氧电源分体组装,一体式底座机
A 表示内置吸附干燥的柜机
O 表示内置富氧机组的柜机
C 表示含空气压缩机的柜机
H 表示湿空气放电型的柜机(一般含风机,用于空气杀菌)
V 表示负压放电型机的柜机(一般含风机,常用于泳池杀菌)
设备类型,按进入臭氧放电室的气源区分:
O,OXYGEN表示氧气(富氧气)源型,A,AIR表示空气源型
后面的格表示辅助标记,可用于表示系列、设计序号、专用等,具体规定待编。
标记示例:
以空气为气源,每小时产生200g臭氧,内置吸附干燥机组的柜式一体机臭氧发生器标记为AA-200G;
以氧气为气源,每小时产生6kg臭氧,臭氧放电室和臭氧电源式分体组装臭氧发生器标记为OD-6K;
8.1 臭氧放电室
臭氧放电室是臭氧产生的关健部分,臭氧发生器放电室为不锈钢材质,外表面采用喷砂防腐处理,采用DTA非玻璃放电体。
臭氧放电室由放电室罐体、放电体、高压熔断器等部件组成,是由一个或多个放电单元并联组成的结构。
8.1.1 放电室罐体(水套):放电室罐体实际上是一个列管式的换热容器,由筒体、封头、法兰、端板、外电极管、视镜、接管等组成,根据设计及工程需要选用304或316L等材质。放电室外电极管按照极精密的标准制成,在内部呈蜂窝状排布。整个罐体焊接而成,通过法兰连接完成装配。

8.1.2 介电体:分为玻璃、搪瓷、陶瓷等几种。
8.2 臭氧电源
臭氧电源采用中、高频放电技术,变流装置为可控硅或IGBT,高压变压器为干式变压器,效率高;主电路还设有安全回路,确保主电路在意外工况下不会受到损坏。
电源柜体采用组合式机柜,电源装置所有组成部件均装配在机柜内部;高档机型电源装置为封闭式内冷却,进一步增强对恶劣环境的适用性。
电源控制装置才用CPU全数字控制方式,可靠性高,控制系统设置多重保护回路,能及时显示异常工作状况并输出报警信号。电源控制系统还具有在线升级功能,能根据微电子技术的发展和集成电路技术的发展,大限度地优化电源系统。


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