Определение характеристик коронного факельного разряда как источника получения озона

Озон Оз — это второе относительно устойчивое простое соединение, которое наряду с обычной формой О2 может образовывать кислород. Исключительное место, которое озон занимает среди других простых веществ, объясняет постоянный интерес к нему специалистов различных областей, начиная с его открытия и до последних лет [1−2].

Изучение электросинтеза озона имеет не только теоретическое, но и не меньшее практическое значение. В последние годы озон благодаря своим исключительным окислительным способностям находит широкое применение в самых различных областях. Это обеззараживание питьевой воды, очистка промышленных сточных вод, отходящих и хвостовых газов различных производств (от окислов азота и серы), хранение пищевых продуктов, химическая, нефтяная, фармацевтическая, текстильная промышленность, металлургия черных, цветных, и редких металлов, промышленный неорганический и органический синтез [3−12].

При технологическом использовании озона первостепенное значение имеет энергетический выход (гОз/кВт*ч или кВт*ч/кгОз) в том или ином способе его получения. В настоящее время усилия ученых занимающихся вопросами синтеза озона направлены на совершенствование уже существующих и разработке новых способов синтеза озона, позволяющих значительно увеличить его энергетический выход и упростить технологию его производства.

Образование озона происходит при различных физических, химических и комбинированных процессах. Это термическое образование, например, при быстром охлаждении кислород содержащей плазмы [13−14]. Фотохимическое образование озона наблюдается при облучении газообразного или жидкого кислорода ультрафиолетовым светом с длиной волны ^=2100нм нм [15−17]. Электрохимическое получение озона связано с процессами анодного окисления с участием молекулярного кислорода [18−19]. Озон в незначительных количествах образуется также при многих химических реакциях, при которых наблюдается выделение атомарного кислорода. Образование озона в электрических разрядах один из первых методов получения озона. В тлеющем разряде при низких давлениях (25 мм.рт.ст.) наблюдалось образование озона при энергетическом выходе 23 г/кВт*ч [21−23]. При быстром пропускании кислорода через дугу возможна «закалка» образующихся в дуге сравнительно высоких концентраций атомов кислорода с последующим образованием озона вне дуги. В этом случае удается получить до 12 г 03 на кВт*ч [24]. В искровом разряде из кислорода получается примерно в 50 раз меньше озона, чем в других формах [25]. Перечисленные выше химические, физические и физико-химические процессы, сопровождающиеся образованием озона не нашли применения в технологии синтеза озона. Это объясняется низкой энергетической эффективностью данных процессов (100−1000 кВт*ч/кг) и высокой стоимостью конечного продукта. Приемлемые для промышленного производства удельные энергозатраты на синтез озона как показывает мировая практика лежат в интервале 10−30 кВт*ч/кг.

В настоящее время образование озона в «тихом» (барьерном) и коронном" разрядах остаются практически единственными способами промышленного производства озона.

Наиболее широкое распространение получили озонаторы на основе барьерного разряда. Общая теория электрических процессов, кинетика электросинтеза озона и другие вопросы связанные с физическими явлениями в барьерном разряде озонатора, в достаточной полноте раскрыта в литературе [26−59].

Озон образуется также в коронных разрядах постоянного и переменного тока. Синтезу озона в данных разрядах в литературе уделяется значительно меньшее внимание, чем для барьерного разряда. Полученные результаты, особенно количественные данные, сильно отличаются друг от друга, что связано в первую очередь с различием конструктивных параметров и условий проведения опытов[60−63]. Не смотря на это, интерес к синтезу озона в коронном разряде не ослабевает не только из-за достаточно высокой энергетической эффективности, но и из-за простоты реализации, т.к. не требуется вводить в разрядный промежуток диэлектрический барьер (стекло, керамика, эмаль и т. п.). Озонаторы коронного разряда позволяют использовать в качестве сырья атмосферный воздух, поскольку этот разряд обладает значительно меньшей чувствительностью к влажности и чистоте газа в отличии от барьерного разряда. Синтез озона в коронном разряде при энергозатратах того же порядка, что и в барьерном, происходит в резко неоднородном электрическом поле. Путем оптимизации разрядного контура удается получать устойчивую корону при напряжении 15−25 кВ, способную синтезировать озон в о концентрациях до 5г/м при энергозатратах 10−18 кВ, т-ч/кг [65]. В настоящее время, большой интерес проявляется также к генерации озона в наносекундном коронном разряде. На основе импульсного коронного разряда разработаны озонаторы с выходом озона 8−30 кВт-ч/ [67].

Генерация озона, в коронном разряде не смотря на высокий энергетический выход 8−60 кВт®ч/кг (для барьерного разряда 10−30 кВт-ч/кг) не имеет достаточно широкого распространения. Что связано с рядом особенностей данного разряда. Наблюдается зависимость образования озона от материала электродов, времени работы аппарата, состава газа, параметров разрядного контура. Не мало важной причиной в этом отношении является малая величина тока разряда, приходящегося на единицу длинны коронирующего электрода. Так например для воздушного промежутка между проволокой г=0,1 см и коаксиальным цилиндром К=10см, давлении р=1 атм, и напряжении на разрядном контуре 40кВ ток разряда на единицу длинны коронирующего электрода равен 4,6 мка/см. а мощность 0,184Вт/см [68]. При таких параметрах разряда значительно возрастают массогабариты озонаторной установки.

В этом отношении представляет научный и практический интерес аномальная разновидность положительной йороны -" Факельный разряд" (название разряду дано В. И, Попковым по аналогии с факельным истечением с высокочастотного контура). Разряд имеет вид диффузного свечения заполняющего частично или полностью разрядный промежуток и существует при напряжениях на разрядном контуре ~150 кВ. Факельный разряд, распространившийся до противолежащего электрода, представляется особым типом разряда в воздухе при атмосферном давлении. Он сравнительно мало изучен. Вместе с тем, его исследование может представить не только чисто научный, но и определенный практический интерес. Факельный разряд, простирающийся до противолежащего электрода, может играть роль в тех процессах электронно-ионной технологии, где требуется большая плотность ионов в больших объемах газа, находящегося не при низком, а при высоком давлении. Необходимо отметить что ток факельного разряда в 50 раз больше тока, обычного коронного разряда при одинаковых условиях проведения эксперимента [71].

Факельный разряд, а точнее коронный факельный разряд (КФР) исследуется в отношении потерь в линиях электропередачи. С технологической же точки зрения в частнбости для синтеза озона данный разряд не исследовался. Хотя предварительные результаты исследований указывают на перспективность данного разряда в этом отношении. Ограничением применимости данного разряда возможно является необходимость использования сравнительно высоких напряжений (~150 кВ) что в свою очередь влечет за собой усложнение и удорожание конструкции озонатора. К тому же известно, что во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материалов электродов, от времени работы озонатора, температуры, влажности и состава газа. Все это относится также и к коронному факельному разряду. Более того, коронный факельный разряд весьма чувствителен не только к внешним условиям, но и к параметрам разрядного контура (межэлектродное расстояние, толщина электродов и т. п.). Изменение выше перечисленных факторов может способствовать переходу коронного факельного разряда в другие разновидности коронного разряда и как следствие изменению энергетических характеристик синтеза озона.

Сложность и пространственная неоднородность физико-химических процессов в коронном факельном разряде не позволяют до настоящего времени дать достаточно полное описание этого разряда. Неясны характеры и последовательность процессов в разрядном промежутке, и их зависимость от параметров разрядного контура. Мало изучена динамика развития разряда и кинетика химических реакций, не ясны причины и степени влияния внешних условий на срыв устойчивости разряда, отсутствуют данные о роли неравновесных процессов в синтезе озона. Актуальность,.

С учетом выше изложенного актуальным является поиск оптимальной формы разрядного контура и определение таких геометрических параметров электродов, при которых реализуется устойчивый режим горения коронно-факельного разряда при пониженных напряжениях (~30 кВ). Необходимо набрать экспериментальный материал, который позволит достаточно полно описать данный тип электрического разряда. Электросинтез озона в многокомпонентном газе сопровождается большим числом химических процессов и до настоящего времени как отдельные его детали, так и в целом весь механизм образования озона в коронно-факельном разряде практически не изучен. Поэтому в настоящее время не представляется возможным создание озонаторов на коронном факельном разряде без дополнительных исследований.

В связи с этим необходимо провести широкий комплекс экспериментальных и теоретических исследований характеристик синтеза озона в коронном факельном разряде в зависимости от изменения геометрии, расположения и полярности электродов, формы разрядного контура, подводимого напряжения и мощности источника, рабочего давления и химического состава газа.

Нахождение связи между током коронного факельного разряда и приложенной разностью потенциалов в зависимости от геометрии разрядного промежутка, давления, температуры и физических свойств газа является сложной задачей. Вместе с тем знание вольтамперной характеристики необходимо как для сравнительной оценки эффективности различных коронирующих систем, так и для расчета мощности, потребляемой коронно-факельным разрядом. Методы и средства исследования неоднородных электрических полей с объемным зарядом оказываются специфическими и могут сильно отличаться от методов исследования электростатических полей. Поэтому необходимы зондовые методы измерений для исследования электрического поля короны.

Для оптимизации синтеза озона в коронном факельном разряде необходима разработка математических моделей физико-химических процессов, учитывающих ' пространственную неоднородность разряда, колебательно-поступательную и химическую неравновесность плазмы, кинетику атомно-молекулярных превращений. Необходимо определить теплофизические и переносные свойства используемых газов (кислорода, воздуха), констант скоростей и сечений различных элементарных процессов, включая процессы возбуждения и дезактивации колебательных уровней молекул, электронных состояний, диссоциации, ионизации и т. п.

В настоящее время разработка и внедрение новых экологически чистых технологий, например, безреагентных методов обеззараживания питьевых и сточных вод, становится жизненной необходимостью. Среди современных технологий очистки и обеззараживания питьевой воды в последнее время прогрессируют передовые окислительные технологии (Advanced Oxidation Technology — АОТ). Которые основаны на совместном воздействии, на примеси воды окислителей (хлор, озон, перекись водорода), ультрафиолетового излучения (УФ), кавитационных явлений, ультразвука и т. п. [72]. Электрические разряды, реализуемые в воде или на ее поверхности, позволяют реализовать АОТ в одном устройстве. Так как газоразрядная плазма при определенных условиях может быть эффективным источником практически всех выше перечисленных элементов передовых окислительных технологий. Особенности применения импульсных электрических разрядов для очистки воды приведены в литературе [73−85]. Причем наблюдается увеличение эффективности воздействия на воду при уменьшении величины протекающего тока в разряде. Так в случае реализации импульсной короны по поверхности воды получены минимальные энергозатраты на ее обеззараживание по сравнению с другими видами импульсного воздействия [77−82]. Подобная тенденция наблюдается также при воздействии на воду коронного и барьерного разряда [83−85]. Воздействия коронного факельного разряда на воду с целью ее обеззараживания (по доступным литературным данным) вообще не рассматривается. Поэтому является актуальным всестороннее исследование особенностей воздействия факельного разряда горящего на воду. Это определение энергетической эффективности синтеза окислителей (озон, перекись водорода) поступающих в воду, исследование изменения химического состава воды при различных режимах воздействия, апробация метода на реальной или искусственно зараженной воде, оптимизация режимов воздействия для получения минимальных удельных энергозатрат. Цель и задачи работы.

Целью данной работы является исследование условий формирования стабильного во времени коронного факельного разряда реализуемого при напряжениях до 30 кВ и комплексное изучение электрических, энергетических, теплофизических и плазмохимических (синтез озона и других окислителей) характеристик данного разряда.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Найти условия существования стабильного во времени КФР при напряжениях до 30 кВ;

Изучить статические и динамические характеристики КФР при различных параметрах разрядного контура;

Разработать модель физических и плазмохимических процессов в поле коронного факельного разряда;

Исследовать синтез озона в КФР из воздуха, кислорода и смесей газов.

Найти оптимальные режимы генерации озона. Определить предельный энергетический выход озона для данного разряда;

Изучить особенности воздействие КФР на воду с целью ее обеззараживания.

Оптимизировать режимы с энергетической и технологической точек зрения.

Научная новизна.

1. Получен новый вид коронного факельного разряда при напряжении положительной полярности до 30 кВ на основе коронирующего электрода выполненного в виде диска, диаметром 5−10мм плоскость которого расположена на расстоянии до 30 мм параллельно заземленному электроду;

2. Установлено, что одними из основных факторов определяющих стабильность КФР является оседание на коронирующей кромке электрода образующихся в разряде на воздухе ангидрида, азотной и азотистой кислот с последующим образованием солей металлов;

3. Выявлено, что ток в КФР имеет постоянную и импульсную составляющую, соотношение между которыми существенно зависит от напряжения на разрядном контуре;

4. Впервые проведены исследования синтеза озона в коронном факельном разряде горящем на воздухе, кислороде и его смесях с другими газами. Определен предельный энергетический выход озона для данного разряда.

5. Предложена математическая модель для численного анализа физических процессов в кислородной неравновесной плазме коронного факельного разряда с учетом химических реакций, включающих образование озона;

6. Установлено, что при взаимодействии плазмы КФР с водой в нее поступают перекись водорода, озон и соединения азота (ЫН/, ЫОг" и Ж) з"). Результаты и бактериологических исследований указывают на возможность применения данного разряда для очистки и обеззараживания воды.

Практическая значимость работы:

1. Результаты исследований энергетических характеристик КФР дают возможность оптимизации процессов электронно-ионной технологии большой плотности ионов, в объемах газа находящегося при высоком давлении. Удельная мощность разряда составляет 8,5кВт/м2 коронирующей площади. Плотность ионного тока достигает величины 0,34 А/м2.

2. Технологические устройства со стабилизированными во времени параметрами на основе КФР можно реализовать при условии: а) Коронирующие элементы выполняются из коррозионностойких металлов или их сплавов, б) Электроды — диски диаметром 6−10 мм и толщиной 50 мкм, расстояние между дисками 2,5 см, расстояние до заземленного электрода до 30 мм, в) Рабочая среда осушенные воздух или кислород.

3. Полученные данные о синтезе озона в КФР позволяют проектировать озонирующие установки, использующие в качестве рабочей среды воздух или кислород.

4. Показана возможность создания на основе коронного факельного разряда устройств для очистки и обеззараживания воды с энергозатратами ~1 кВт*ч /м3 воды.

На защиту выносятся:

1. Коронный факельный разряд при напряжении положительной полярности до 30 кВ реализуемый путем подбора параметров коронирующих электродов от заостренного проводника к диску диаметром 6−10 мм и толщиной 50 мкм параллельного заземленной плоскости.

2. Результаты исследований механизмов влияющих на устойчивость горения КФР и способы позволяющие стабилизировать его характеристики: а) дестабилизирующим фактором для существования разряда является оседание на электроды азотной и азотистой кислот и образование при этом солей металлов (например, Си (К04)2), б) изготовление электродов из химически стойких металлов и удаление влаги из рабочего газа способствует стабилизации разряда.

3. Статические и динамические вольтамперные характеристики разряда позволяющие определить характер протекания тока и распределение электрического поля в коронном факельном разряде.

4. Математическая модель (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций) для численного анализа физических процессов в кислородной плазме коронного факельного разряда.

5. Совокупность условий и требований к разрядному контуру необходимых для генерации озона из воздуха и кислорода при минимальных удельных энергозатратах. Обоснование возможности генерации озона с энергетической эффективностью близкой к термохимическому пределу 0,85 кВт"ч/кгОз.

6. Возможность обеззараживания воды с помощью коронного факельного о разряда с энергозатратами на уровне 1кВт*ч/м. Апробация,.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2й научной конференции Кыргызско-Российского Славянского университета (Бишкек-1995), на International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry (Milovy, Czech Republic, September 2−4, 1996), на Международной научно-теоретической конференции, посвященной 5-летию образования Кыргызско-Российского университета (Бишкек-1998), на третьем международном конгрессе «Вода: Экология и технология» ЭКВАТЕК-98 (Москва, 26−30 мая 1998 г.), на конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (15−19 сентября, Минск, Беларусь 1997), in the 14th Ozone World Congress in Dearborn, Michigan, USA (August 22−26, 1999). Основные положения диссертации опубликованы в14 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 147 страниц основного.

Выводы.

1. При взаимодействии плазмы с водой в нее поступают перекись водорода, озон и соединения азота (ИН/, ЖЬ" и N03″). Концентрация азотсодержащих соединений далека от ПДК.

2. С энергетической и технологической точек зрения целесообразно проводить обработку воды факельным разрядом, горящим в изолированном от атмосферы объеме.

3. Для разряда, горящего в замкнутом объеме, удельные энергозатраты на синтез окислителей составляют порядка 100 кВт*час/кг, что в 3−4 раза выше максимального уровня промышленно-рентабельных показателей.

4. После двухминутной обработки искусственно зараженной воды факельным разрядом коли — титр уменьшается до трех, общее микробное число.

— а нулевое. Расход энергии составил 1Д кВт*час/м воды, что сопоставимо с данными других авторов [76−79].

5. Обработка воды факельным разрядом может найти применение для обеззараживания воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Получен новый вид коронного факельного разряда при напряжениях до 30 кВ. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что для получения устойчивого коронного факельного разряда при данных напряжениях коронирующие электроды необходимо выполнять в виде дисков диметром 5−10 мм и толщиной 50 мкм. Плоскость дисков должна располагаться параллельно заземленному электроду. Установлено, что протекание тока в коронном факельном разряде имеет постоянную и импульсную составляющую, соотношение между которыми существенно зависит от напряжения.

2. Выявлено, что одним из основных факторов определяющих устойчивость коронного факельного разряда является оседание на электроды образующихся в разряде на воздухе ангидрида, азотной и азотистой кислот с последующим образованием солей металлов, являющихся диэлектриками или полупроводниками. Осушенный силикагелем воздух способствует некоторой стабилизации горения коронного разряда.

3. Предложена математическая модель, (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций) для численного анализа физических процессов в кислородной плазме коронного факельного разряда с учетом наиболее вероятного механизма химических реакций, включающих образование озона в условиях термохимической неравновесности рабочей среды. Проведен численный анализ влияния формы и размеров коронирующего электрода и разрядного контура, подводимого напряжения на величину и распределение электрического поля в термически и химически неравновесной плазме.

4. Определен предельный энергетический выход озона для данного разряда, величина которого близка к термохимическому (0,824 кВт"ч/кг) пределу образования озона. Показана возможность использования коронного факельного разряда для создания технологических озонаторов позволяющих получать озон с энергетической эффективностью 1−50 кВт*ч/кг при концентрации озона 0,1−15 г/м .

5. Установлено, что при взаимодействии плазмы с водой в нее поступают перекись водорода, озон и соединения азота (ЫН/, N02″ и N03″). Результаты бактериологических исследований указывают на возможность применения данного разряда для очистки и обеззараживания воды.