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用于光解有机废气的微波驱动紫外线灯管的开发

 国  照   电  
CHINA LIGHT&LIGHTING
用于光解有机废气的微波驱动紫外线灯管的开发
朱升和
(高邮高和光电器材有限公司,江苏高邮225606)
 
摘要:  述说了UVC紫外线的产生原理和当前3种获得UVC的技术手段,详细论述了微波驱动紫外线荧光灯管的机理优势:节能环保、长寿命、低光衰、方便安装维护等,同时也阐述了微波专用灯管的设计及材料工艺的要求,介绍了微波腔的设计及光解挥发性有机化合物( VOCs)的应用原理,最后提供了用于处理有机废气的工程案。以供环保科技工作者参考
关键词: 关键词:UVC;荧光灯;光衰;微波腔;光解
中图分类号:TM923. 59    文献标识码:B    DOI:10. 3969/j.issn.  1002-6150. 2018. 01. 005
Development of Microwave Driven Ultraviolet Lamp
Used for Photolysis of Organic Waste Gas
ZHU Shenghe
(Gaoyou Gaohe Photoelectricity Equipment Co., Ltd., 225606 Gaoyou, China)
Abstract: Abstract:The principle of UVC and the three kinds of current technology to generate UVC were described, and mechanism and advantages of microwave driven ultraviolet fluorescent lamp: energy
saving, long life, low light decay, convenient installation and maintenance, etc. , were discussed. The design of microwave dedicated tube and requirements for material and process were presented. And also the design of microwave cavity and the application principle of photolysis for volatile organic compounds ( VOCs) were introduced.  Finally, the engineering cases for treating organic waste gas were provided for the reference of environmental protection technicians.
Key  words: UVC ;  fluorescent lamp ;light  decay ;  microwave  cavity;  photocatalysis
 
引言
    传统的UVC紫外线杀菌灯原理是:热阴极电子放电,形成等离子体,工作频率较低(50 Hz~30kHz),虽成本低,但电子粉污染石英管,电子粉在高温下挥发了自己却污染了石英管的内壁,降低了石英的透过率,所以有效寿命短、光衰大。本文设计了一种微波驱动的紫外线杀菌灯,微波驱动激发气体放电形成等离子体,工作频率2 450 MHz,由6个面组成(密封微波能量)腔内充满了微波场,腔内的紫外线灯能被激发点亮放出253.7 nm和185.0 nm的紫外线。由于没有电子粉污染,光衰极小,寿命50 000 h,无需连线,灯管安装、清理、维护极为方便。
 
1 关于UVC的普及知识
UVC是由低气压汞灯(紫外线灯)管内的潘宁气体(由Hg和Ar、Ke、Ne等惰性气体组成)。受到激发形成稳定放电时,所形成”等离子体”中的亚稳态的汞原子(含受激发的价电子)回归到稳态时价电子释放出来的能量射线如图1所示。其中的253.7 nm和185.0 nm即是UVC。
 
当前有3种技术可以激发潘宁气体放电形成等
离子体,放出UVC射线:①传统的热阴极电子放电,形成等离子体,工作频率较低(50 Hz一30 kHz);②高
频电磁场感应放电形成等离子体(工作频率250kHz);③微波驱动激发气体放电形成等离子体,工作
频率2 450 MHz。
    各种技术的优缺点简述如下:传统紫外线灯技术成熟,成本低,但电子粉污染石英管,光衰大,寿命短,
安装维护不方便。后两种技术光衰小,寿命长,无灯丝,无电子粉,灯管安装维护方便,但制作成本较高。
   
2  目前传统技术的不足
2.1传统电子粉技术的不足
    电子粉是双刃剑,电子粉是由OBa、OSr、OCa三元氧化物组成,当加热到700 - 800℃时可以发射热
电子,在电子镇流器的作用下使灯管内的潘宁气体形成等离子体,其中当亚稳态的汞原子包含的”价电子回归到稳态时释放出许多射线包含有UVC部分。但是电子粉在贡献热电子的同时也在自我牺牲,消耗了自己,当消耗完毕灯管的寿命也终结了(约8 000~10 000 h),所以寿命长不了。更大的缺陷是电子粉在700℃以上的高温下挥发了自己而污染了石英管的内壁,降低了石英的透过率。所以有效寿命难以超过3 000 h
2.2使用液汞技术的不足
    采用液汞也是致命缺陷,液汞会产生温升光衰。这里要纠正一个误区:紫外线灯管并非越亮越好。因为等离子体中的价电子回归稳态时释放出许多射线(如图1所示)。253.7 nm和185.0 nm是UVC波段,而546.1 nm绿光和435.8 nm蓝光是可见光线(无用光)。可见光与汞气压成正比,汞气压与管壁温度成正比。因此管壁温度越高灯越亮,但是253.7nm的最佳汞气压在0.8 Pa附近(相应于采用液汞的管壁温度40℃),超过此温反而下降。每超过1℃
降低0.8个百分点。因此,当管壁温度达到80℃时,灯管更亮,而紫外线却下降了30%左右。此外,采用液汞的灯管内的汞气压(汞原子浓度)远远高于固汞的灯管,因此汞原子更容易入侵石英管的内表面晶格,加速了灯管发黑和光衰。
    液汞是污染环境的,被损或寿终灯管内的液汞是无法回收处理的,因此国际水俣公约规定到2020年是禁止生产使用(参阅公约的p37~ p38页)。
3  微波驱动激发UVC灯管的原理
UVC灯管在微波场中受到激发,潘宁气体形成等离子体,即微波腔内充满了微波能量(2 450 MHz)
使微波腔内的紫外线灯管受激发而点亮放出UVC波段即253.7 nm和185.0 nm射线。
灯管必须处于由金属板或金属网组成的密封微波能量的微波腔内受到微波场的激发形成等离子体,从而放射UVC射线。微波腔的结构可以类似于家用微波炉(长方体),亦可以是圆筒状或圆柱体,只要能关闭住微波能量,不泄漏即可。
在VOCs光解中通常设计成长方体。这种微波腔的结构原理类似于放大的微波炉。它由6个面组成(密封微波能量),腔内充满了微波场,腔内的紫外线灯能被激发点亮发出253.7 nm和185.O nm的紫外线。微波腔上下两面是304板。左右两个侧面是光触媒网(通风道),如图2所示。它的两个端面中,图上能看到的一个端面安装固定磁控管和波导管组件(必须密切固定在面板上),电源可以分开放置(有1.5 m的高压连线);另一个端面可以做成活动的门(进出灯管)。侧面通风推荐尺寸为300 mm×300mm或400 mm×400 mm。微波腔也可以侧面驱动而端面通风,如图3所示。微波腔的长度可根据采用的灯管长度确定。
    微波点灯的优点是:灯管无灯丝、无电子粉污染、寿命长50 000 h、光衰小,10 000 h时光衰<10%、无需连接电线,安装维护方便,特别适用于易燃易爆气体和环境。
 
 
4  微波专用UVC灯管的设计
考虑到灯管的长寿命和减轻管壁负载采用了较粗的高透石英管(如图4)。
 
微波灯管通常工作温度较高,约为80℃,为克服温升光衰,确保灯管始终处于最高UVC发射状态,必须采用汞齐和辅助汞齐(金片)。采用不锈钢灯头,既保护汞齐和金片又节省微波腔内的微波能量。那么为什么必须用不锈钢灯头呢?首先,微波紫外线灯不能用液汞,微波要加热石英管高达80℃(远超液汞的最佳温度40℃)。其次,微波也要加热固汞amalgam),按目前的技术,把汞齐通过金层或银层吸附于石英管壁也是不行的,即使置于排气管内也会烧熔而流失,必须设计用不锈钢等金属灯头保护金片和固汞(amalgam),这是首创。但微波腔内与灯头接触的支架必须是陶瓷、塑料等绝缘材料。建议用四氟板材。为了避免等离子体内的Hg原子入侵石英管内表层品格,采用进口的纳米材料作为保护膜。为了减少光衰,灯管的真空必须高于5×10-3 Pa。
5  微波电源与专用灯管的配套应用
微波灯管不能单个计算效率,必须团队作战集体计算效果。以1200 W的微波驱动为例:由两部分组成,即电源部分和微波头部分。微波头是由磁控管+散热片+波导管组成并固定在微波腔上,同时向微波腔内辐射2 450 MHz的微波能量。通过实践和综合平衡,应用建议如下。
(1)微波腔的容积≤0. 25 m3为宜。
(2)配用灯管数:Φ19×l 500 mm的灯管,配用8支;Φ19×l 200 mm的灯管,配用10支;Φ19×800mm的灯管,配用16支。
(3)灯管太多电源拖不动,部分亮不齐,灯管太少,不利于灯管的寿命和磁控管的寿命。单个微波腔模块必须微波能量密闭不得外泄,可以处理1 200~1500 m3风量。
6  应用案例
 图5所示为长方形微波腔内灯管点亮的效果,其中长方形腔内点亮的灯管暗影为四氟板支架。图6所示为圆筒状微渡腔(圆筒直径1 m,外面安装6套电源,内部均布48支灯管,未装进风道),内部灯管均布,微波头固定于圆筒外侧。
 
 
将微波腔安装进风道后应用如图7和图8所示
 
 
7  紫外线光子的断键能及计算方式
3种波长紫外线的激发能量如表l所示。根据表2中列出的常见废气的分子键能可知,大于700 kJ/mol的分子键是无法被UVC光解的。
 
 
紫外线光子的断键能计算公式为:
E= hc/λ×6.02×10 23
式中:h为普朗克常数;c为光速;λ为波长;6. 02×10 23为阿伏伽德罗常数。
例如185.0 nm紫外线光子的能量为
E185  = 6.626 xl0-34 J.s×3×108/185×l0-9×6.02 ×lO23
              = 646.84 kJ/mol ≈ 647 kJ/mol
8  结束语
    微波驱动UVC杀菌灯经过大量实践配套光触媒使用效果显著,适用于中低浓度的VOCs光解,有机
恶臭的分解,及各种油烟的净化和中央空调新风的杀菌消毒净化处理,特别适合于易燃易爆环境应用。
参考文献
[1]朱升和,汞齐荧光灯的设计与工艺文集[M].北京:中国轻工业出版社,2009.
[2]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):33 - 35.

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