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大功率电磁感应紫外灯在光解有机废气中的应用

 国  照   电  
CHINA LIGHT&LIGHTING
大功率电磁感应紫外灯在光解有机废气中的应用
朱升和
(高邮高和光电器材有限公司,江苏高邮225606)
 
摘要:  阐述了大功率紫外灯253.7 nm和185.0 nm紫外线的产生机理,及其用于杀菌消毒和光解挥发性有机化合物( VOCs)的原理。设计了1款300 W电磁感应UVC紫外灯,其与传统紫外灯管相比,具有管壁负载轻、光衰小、寿命长、UVC能量分布集中等优点。并给出此新型升级产品的典型应用设施和在环境治理中的功效。
关键词: UVC灯;电磁感应;挥发性有机化合物(VOCs);UVC能量分布
中图分类号: TM923.59   文献标识码:A   DOI: 10.3969/j.issn.1002-6150.2017.06.008
Application of High Power Electromagnetic Induction UVC Lamp
in Photolyzing Volatile Organic Compounds
ZHU Shenghe
(Gaoyou Gaohe Photoelectricity Equipment Co., Ltd., 225606 Gaoyou, China)
Abstract: The generating mechanism of 253.7 nm and 185.0 nm ultraviolet from high power UVC lamp was elaborated, and the principle of sterilization and photolysis for volatile organic compounds (VOCs) by UVC lamp was introduced. The design of a novel 300 W electromagnetic induction UVC lamp was presented, which has the
advantages of low tube wall load, low light decay, long service life and high UVC power density compared with conventional ultraviolet lamps. Finally, the typical application facilities with this new type of products and their effectiveness in environmental governance were also provided.
Key words: UVC lamp; electromagnetic induction; Volatile Organic Compounds (VOCs); UVC energy distribution
引言
    目前,紫外线杀菌灯、紫外光分解净化设备的应用十分广泛[1]。传统的UVC紫外杀菌灯存在光衰大、寿命短等问题,其253.7 nm光衰大的原因主要是:石英管壁负载太重,汞原子侵入石英晶格,使灯管透明度变差,热阴极电子粉溅射有害物质释放杂气。汞原子入侵石英晶格的速率与管壁负载成正比,如果一味地追求初始效率会降低产品长期的品质。本文设计了1种大功率电磁感应UVC紫外线灯,其管径较粗,管壁负载轻,光衰小,使用寿命长,可替代传统紫外线灯用于光解挥发性有机化合物( VOCs)、水处理等场合。
1 UVC的产生
    在石英玻璃管中充有适量的Hg与Ar、Ne、Kr等惰性气体组成的潘宁气体,当潘宁气体受到电场、电磁场、微波等能量的激励后,能产生稳定的等离子体放电。等离子体中的汞原子受激发形成带着价电子的亚稳定的汞原子,当价电子回归到稳定轨道时即会释出自身的能量形成各种波长的射线(图1)
 
图1中,253.7 nm和185.0 nm即是所需的UVC,435.8 nm和546.1 nm是无用的非UVC光,它们的亮暗与UVC的强弱并无正比关系。当灯管内的汞气压PH=0.8 Pa可获得最高的253.7 nm;灯管管径越细,初始效率越高,但衰退越大。
 
2 UVC灯对有机废气的光解能力
2.1  UVC紫外线的激发能
    UVC可以光解90%以上的VOCs种类的气体,并非万能。3种波长紫外线的光子能量如表1所示。根据表2列出的各种有机气体分子的结合键能可知,表2中红色字体的分子键UVC是无法光解的。
    253.7 nm的激发能是472 kj/mol,主要起到破坏微生物DNA的作用,可以光解小部分VOCs的种类。185.0nm的激发能是647kJ/mol,大于氧分子的键能,可以把O=O分开形成臭氧,激发和氧化能力大有提高。所以,绝大部分的VOCs都能被UVC光解。只是在作用时
间和气体浓度上,需要设计匹配。
    172 nm的激发能为696 kJ/mol,光解效果会更好,但它不属于UVC范畴,而是属于激光范围。
2.2 UVC紫外线的功率密度分布
    UVC用于医疗卫生的杀菌消毒与用于VOCs光解的要求是有巨大差异的。UVC用于前者适用的环境是静态的空气(缓慢流动的空气),对UVC的强度要求较低,作用对间较长(按h计);但是UVC用于光解废气处理的对象是流动的气体,而且作用时间很短(按s计),因此,就必须强调UVC的密度分布,必须集中,不能分散。
 
 
表2有机废气的分子结合能
Tab.2  Binding energy of VOCs molecules
┏━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━┓
┃Bond Binding energy(kJ/mol) ┃Bond Binding energy(kJ/mol) ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━┫
┃H-H        436.2            ┃C-H        413.6            ┃
┃H-C        347.9            ┃C-F         441.2           ┃
┃C=C        607.0            ┃C-N        291.2            ┃
┃C-.C        828.8           ┃C-N        791.2            ┃
┃N-N        160.7            ┃C-0        351.6            ┃
┃0-0        139.0            ┃C=0        724.2            ┃
┃0=0        490.6            ┃O-H        463.0            ┃
┗━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━┛
 
 
3  300W电磁感应UVC灯的设计
3.1  与传统紫外灯相比的优势
灯管的管径越细,初始效率越高,但同时管壁负载很大,光衰也很大,所以寿命很短。传统UVC灯管技术成熟,成本低,但管径较细,在潮湿的环境气体中必须加防护石英管。我公司自主研发的300 W电磁感应UVC杀菌灯[2],是升级换代的新产品,抛弃了灯丝、电极采用电磁感应的方法获取紫外线,克服了传统紫外杀菌灯光衰大、负载重等缺点。电磁感应UVC灯及点灯系统的外观如图2。


大功率电磁感应UVC紫外灯的优势如下。
(1)紫外线能量集中  传统的320 W的紫外线灯的射线能量分布在1.5 m的长度空间,本文设计的矩形300 W电磁感应灯能量只分布在400 mmx150 mm的长度空间,紫外线很集中,强度大,便于设备的精细设计。因管径粗,初始效率低,所以300 W系统实际功率约250 W,可相当于传统的240 W灯(传统的灯均报灯管功率,不算镇流器功耗)。
 
(2)维持率高  电磁感应灯的管径加粗,管壁负载轻,为0.258 W/cm2,仅仅为传统UVC灯的60%(传统320 W UVC灯管壁负载为0.425 W/cm2)。因无电极、电子粉污染,光衰小,3 000 h无光衰,10 000 h光衰为5%。寿命长达60 000 h(质保3年)。
(3)耐潮湿  在用于水处理时,可直接应用于水中,无需另加石英护套管,可降低20%的紫外线损耗。
(4)适用范围广  适合用于各种恶劣的VOCs气体和环境。从-30~150℃均能正常工作。不怕酸碱,但须无灰尘。
(5)维护成本低 虽然初始成本较高,但后期维护成本低,1套电磁感应UVC灯能抵6窭普通紫外灯使用。
3.2灯的照度特性曲线及尺寸
300 W电磁感应UVC灯的特性曲线(即距离管壁处的UVC强度曲线)如图3所示,安装尺寸见图4。
 
 
4大功率电磁感应300 W UVC灯的应用
4.1有机废气处理
在有机废气处理设备中应用时大风量结构和小风量结构的设计分别如图5所示。
 
   
4.2通风系统空气净化
该灯适用于酒店、宾馆及办公大楼的中央空调通风系统中,可作为附加电器清除VOCs和杀菌消毒,确保输入的空气为三无气体(无有机废气,无细菌,无病毒)。根据气流量而确定用灯的数量,气流量小的1个灯管即可。该灯对于消除有机恶臭有特效,但气源必须预先除灰尘,除油污。
4.3  工业废气净化
  该UVC灯特别适用于工业废气VOCs的光解净化和有机恶臭的消除净化
5结束语
    上述新型电磁感应UVC紫外线灯,具有紫外强度集中、光衰小、寿命长等优点,适合应用于污水处理、自来水厂杀菌消毒、工业废气的消毒和异味解除、中央空调系统的杀菌及湖水蓝藻的处理等场合。本文供相关设备制造工程师设计参考。
参考文献
[1]廖辉,付志敏,何志明,等.紫外线灯在有机废气处理中的应用要点简述[J].中国照明电器,2015 (7):29-31.
[2]高邮高和光电器材有限公司.大功率高强度长寿命紫外线杀菌发生器:201220647195[P].2012-11-30.
(本文编辑  孙爽)

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