臭氧催化氧化体系-臭氧发生器的设计

臭氧催化氧化体系-臭氧发生器的设计

随着国家对废水排放标准的不断提高，目前臭氧高级氧化技术已被广泛应用于市政污水处理厂提标改造、高浓度难降解工业废水的深度处理。该技术的本质是产生氧化性更强、选择性较低的羟基自由基（·OH），其氧化还原电位（2.80V）比臭氧高35%，因此能降解各类废水中结构稳定、可生化性差的污染物。

目前，臭氧高级氧化技术中对臭氧发生器在设计阶段存在几个重点问题：一是如何根据具体的应用环境和需求来选择合适的气源；二是如何灵活掌握臭氧发生器的电耗及成本参数、浓度参数及参数转换；三是如何妥善地配套适宜的循环冷却水系统；四是如何高效地设置自动化监测仪表。

为此，针对这四个方面问题对臭氧高级氧化技术进行分析并总结相应经验，以期为同类型工程的设计和建设提供参考。

一、臭氧发生器气源对比分析与选择

1.气源的特点

气”为臭氧制备的三要素之一，臭氧发生器产生臭氧气体的气源主要有空气源、富氧源、液氧源三种。空气源采用现场空气净化系统对空气进行处理，获得洁净干燥的空气作为臭氧发生器的气源；富氧源即制氧机气源采用现场制氧系统制备氧气，作为臭氧发生器的气源；液氧源是将液态氧气气化为气态氧气，作为臭氧发生器的气源。其中，富氧源与液氧源统称为氧气源。在臭氧发生器的使用中，选择合适的气源可以保证产品的高效率和质量稳定。臭氧发生器各种气源特点见表1。

 

表1中富氧源臭氧发生器的气源电耗是按现场变压吸附制氧设备PSA（≤20kg/h）制氧考虑，当采用真空变压吸附制氧设备VPSA（>20kg/h）制氧时，臭氧产量越大气源耗电越低，且不涉及购买液氧相关费用，因此臭氧产量越大，其年总运行成本与液氧源相比更具有优势。

2.气源选择策略 

需结合经济技术比选、场景需求、运行稳定性三方面综合确定： 

（1）. 经济技术比选核心要素 

 综合运行成本：对比电耗、氧气采购/制氧成本、设备维护成本的总和； 

 臭氧需求量：依据处理水量、工艺实验目标、场景消毒要求等确定； 

 设备稳定性与管理能力：结合项目现场的运维团队能力、设备配套条件选择。 

3. 场景化选择建议 

空气气源：优先用于外购氧气成本高、无现场制氧条件的项目；使用时需配置符合进气要求的过滤、除尘、除湿装置，确保进气露点达-50℃以下，满足臭氧发生器进气质量标准。 

外购液氧气源：适合中小型项目，需确保液氧进气符合设备要求，同时在纯氧管路中添加1%～3%的氮气（或净化压缩空气），起到保护设备、提高臭氧生成效率与稳定性的作用；氧气站设计需符合《氧气站设计规范》。 

现场制氧气源：适用于大型、长期运行的项目，可选用PSA、VPSA、VSA等成熟制氧工艺，配套精密过滤、干燥设备，保证氧气进气质量符合臭氧设备要求。 

4.额外注意事项 

无需盲目追求高浓度氧气源：部分自来水厂等场景，空气气源设备也能满足≥8mg/L的水处理臭氧浓度要求，需综合产量、浓度、功耗的整体经济指标； 

尾气回收利用：采用氧气源时，建议将高浓度尾气导入曝气系统，提升氧气综合利用率，降低运行成本。

二、臭氧发生器常用设计参数

臭氧发生器常用参数主要涉及臭氧发生量、电耗及成本、臭氧浓度以及参数转换，灵活掌握各参数的经验数据与转换关系，可以更高效、出色地完成工程项目不同阶段的设计任务。

1.电耗及成本参数

“电”为臭氧制备的三要素之一，对于空气源、液氧源、富氧源，不同气源对应的臭氧发生器电耗情况不同。

（1）电耗参数

*按设备规模划分

大型臭氧发生器（产量≥1kg/h）

主流规格：10kg/h的设备总运行功率为180kW~250kW；15kg/h的设备额定功耗为7kW·h/kg（即生产1kg臭氧需耗电7度）。

单位臭氧电耗差异：空气气源设备为15-25kW·h/kgO?，纯氧气源设备效率更高，仅需8-10kW·h/kgO?。

（2）. 按气源类型划分

纯氧气源：臭氧生成效率更高，能耗比空气源设备低约50%，适合长期大规模运行。

空气气源：受空气中氮气等杂质影响，臭氧生成效率低，电耗相对更高，但无需额外氧气原料成本。

2、成本参数

（1）. 设备投资成本

大型设备：高性能大容量型号初期投资较高，随着技术进步和市场竞争，价格逐渐趋于合理，用户可根据产能需求选择。

小型设备：如20g/h的设备售价约2500~4000元；壁挂式臭氧发生器价格及运行费用均较低，适合家用、小型商业场景。

（2）. 电费成本（按工业电价1元/kWh计算）

10kg/h设备：每天运行电费为4320元~6000元，年度用电成本达158万~220万元。

10g/h设备（80W）：运行1小时电费仅约0.08元，适合间歇式消毒场景。

（3）. 原料成本

空气气源：直接以空气为原料，原料及处理几乎无成本。

氧气气源：液氧费用约700元/吨，生产1kg臭氧约消耗7元液氧成本；现制氧的成本排序为：VSA制氧＜PSA制氧＜外购液氧，当电价低于0.857元/kWh时，空气源运行成本低于液氧源。

（4）. 综合运行成本

10kg/h设备：年度综合运行成本约168万~235万元，包含电费、设备折旧、原料费及人员费用。

1kg臭氧综合成本：约20元左右（含电耗、液氧、循环水功耗、液氧罐租赁等）。

长期成本优势：对比传统化学熏蒸，臭氧发生器一次性投入较高，但长期总体费用更低，无需专门存储仓库和持续购买消耗品；大型设备单位臭氧能耗比小型设备低20-40%，长期运行经济性更突出。

结合各发生器供货商资料，对三种气源发生器电耗及各项成本情况进行统计，结果见表2。在项目前期，可参照表2数据进行耗电量及成本指标的估算。

 

2.浓度参数

对于空气源、液氧源、富氧源，不同气源对应的臭氧发生器出口臭氧浓度不同，参照上述臭氧发生器相关标准，并结合各发生器供货商资料，对三种气源发生器出口臭氧浓度进行总结，结果见表3。在项目前期，可参照表3数据进行臭氧投加等指标的估算。

 

 

三、内、外循环冷却水系统Cooling unit03

臭氧发生器工作时会产生大量热能，若不及时冷却会导致臭氧边产生边分解，同时加速核心部件老化，因此冷却水系统是保障其稳定、高效、安全运行的核心辅助系统。冷却方式划分：臭氧发生器有水冷型和风冷型两种。水冷型发生器冷却效果好，工作稳定，臭氧无衰减，并能长时间连续工作，但结构复杂，成本高，大型发生器或重要场所使用的发生器通常为水冷型。风冷型发生器冷却效果不够理想，臭氧衰减明显，一般只用于臭氧产量较小或对发生器性能要求不严格的场所。

“水”为臭氧制备的三要素之一，水冷型臭氧发生器最常用的是闭式循环冷却水系统，即分为内、外循环系统，内循环主要是发生器厂家配套板式换热器、循环水泵、缓冲水罐和附件，用于发生器放电腔体的降温；外循环系统用于换热器降温。内、外循环冷却水系统特点见表4。

 

1. 内循环冷却水系统 

（1）. 核心作用：直接与臭氧发生器的放电室等核心部件接触，高效带走放电产生的热量，将反应腔体维持在适宜温度区间（通常≤28℃），确保臭氧合成反应稳定可控，同时避免部件腐蚀、结垢。 

（2）. 系统组成：一般由变频水泵、就地温度表、压力表、温度变送器、流量计、纯水箱、316L不锈钢板式换热器等组成，部分高端设备会搭配智能测控系统实时监测参数。 

（3）. 水质与材质要求 

水质必须洁净，需采用去离子水或软化水，满足PH值6~9、浑浊度≤1度(NTU)、压力0.2~0.4Mpa、氯离子峰值≤150mg/l的标准，防止腐蚀放电室、造成结垢影响散热。 

管道多使用SS304以上无缝不锈钢管或者UPVC给水管材。 

（4）. 优点：直接作用于核心部件，散热效率高；封闭循环结构，水质易管控，对臭氧发生器的保护性强；臭氧泄漏风险低。 

2.外循环冷却水系统 

（1）. 核心作用：作为内循环系统的“冷源供给端”，通过板式换热器将内循环水的热量导出，维持内循环水的恒温状态，保障冷却效果的持续性。 

（2）. 系统组成：通常包含冷却塔/冷水机组、变频水泵、就地温度表、温度变送器、泄压/排气装置等；若采用工业空分制氧的冷源回收方案，还会搭配液态氧储罐、汽化器等部件。 

 

（3）. 水质与材质要求 

可根据现场水源条件选择，若水质较差，需通过板式换热器与内循环系统完全隔离，避免污染内循环水。 

管道材质需根据水质确定，重点规避PH值对铁质管道、氯离子对不锈钢管道的腐蚀。 

（4）. 优点：可灵活利用外部水源或冷却塔设施，降低内循环系统的负荷；通过联动冷却塔/冷水机组，能实现内循环水的精准恒温控制，减少臭氧产量波动。 

3.常见组合形式——封闭式循环冷却水系统 

当现场外循环水源水质不佳时，普遍采用“内循环+外循环”的闭式组合方案： 

（1）. 运行逻辑：内循环用去离子水/软化水直接冷却臭氧发生器放电室，吸收热量后流入板式换热器；外循环采用水质相对较差的水源，通过换热器将内循环水的热量带走，降温后的内循环水回到系统继续循环。 

（2）. 典型案例：如部分大型臭氧发生器的冷源回收系统，将液态氧气化吸热作为外循环冷源，内循环水冷却放电室后，经板式换热器回送至浸没汽化器的不锈钢水箱再次降温，实现冷源循环利用，节能省电，故障率极低。 

4.运行与维护要点 

（1）. 实时监控内、外循环水的流速、温度，确保内循环水温稳定在25~28℃的最佳区间，避免温度过高导致臭氧产量下降、能耗上升，或温度过低影响反应效率。 

（2）. 定期维护内循环水质，防结垢、防腐蚀，保持低导电率；外循环系统需定期清理冷却塔、换热器的杂质，避免换热衰减。 

（3）. 若出现冷却系统故障，需及时记录报警信息，切断电源后寻求专业维修服务，避免自行拆卸造成部件损坏。

内、外循环冷却水系统具体配置见图1。

四、臭氧高级氧化单元仪表设置Instrument unit04

臭氧是一种无色、有鱼腥味、有毒的气体，如果出现泄漏可能会对周围环境和人体造成危害。氧气作为制备臭氧的气源之一，如果泄漏到空气中的浓度过高也会对人体造成危险，严重时导致中毒或死亡，还可能引起火灾或爆炸。因此，监测臭氧和氧气泄漏，及时发现并消除隐患，是保障安全生产的重要一环。此外，臭氧的浓度和水质的关系并不直观，也需要仪器的帮助来准确监测和调控。

目前，臭氧催化氧化单元可能配备的仪表类型主要有露点仪、臭氧泄漏报警仪、氧气泄漏报警仪、臭氧浓度仪、水中臭氧浓度仪、尾气臭氧浓度仪、排气臭氧浓度仪，具体位置见图2。

 

①露点仪通常设置于空气源和富氧源臭氧发生器的进口，即制氧系统出口的氧气管路上，液氧源可以根据需要选择配置。露点温度是表征气源绝对湿度的参数，露点超标会导致气体中水蒸气的含量过多，从而降低臭氧的纯度。通过露点仪对露点温度的监测，可判断制氧系统的运行状态并参与联锁报警停机。

②臭氧泄漏报警仪通常设置于臭氧发生器间，用以监测室内环境空气中可能泄漏的臭氧浓度，并对臭氧泄漏状况做出指示和报警。如果将尾气破坏间作为设备用房，也需要设置臭氧泄漏报警仪。

③氧气泄漏报警仪通常设置于氧气源臭氧发生器制备间，用以监测室内环境空气中可能泄漏的氧气浓度，并对泄漏状况做出指示和报警。

④臭氧浓度仪通常设置于臭氧发生器出口管道上，用于监测发生器制备的臭氧浓度，从而判断是否在预期的合理范围。

⑤水中臭氧浓度仪一般设置于给水消毒后的出水中，用于监测水中的剩余臭氧浓度，以确保在水处理过程中达到足够的消毒效果，同时又不超过安全浓度。如果用于污水处理系统，一般设置于臭氧接触池，以确保在接触池中维持适当的臭氧水平，最大程度地提高污水的净化效果。若用于工业废水，因水中干扰物质较杂，容易影响仪表测量的准确性。

⑥尾气臭氧浓度仪一般设置于进尾气破坏器前的管道或者封闭臭氧氧化池上部的超高空间，用于监测尾气未经破坏前的臭氧浓度，据此判断臭氧投加量的过量程度，从而调整臭氧的投加量。但因价格较高，在工程应用中一般根据需要进行设置。另外，尾气中除了臭氧，水汽含量也会比较高，在接入尾气臭氧浓度仪之前应先降低尾气中的水汽含量。

⑦排气臭氧浓度仪一般设置于尾气破坏器之后，用于监测经尾气破坏器处理后排放的臭氧浓度是否达标，也因价格较高在工程应用中一般根据需要进行设置。

上述监测仪表中露点仪、臭氧泄漏报警仪、氧气泄漏报警仪、臭氧浓度仪均需配置，水中臭氧浓度仪、尾气臭氧浓度仪、排气臭氧浓度仪可以根据具体项目需要及投资情况进行选择性配置。

设计综合考虑Comprehensive Factors05

①臭氧发生器气源类型的选择应综合多方面因素来确定，一般情况下，空气源发生器适合臭氧发生量≤10kg/h且对臭氧浓度要求不高的场合；液氧源发生器适合臭氧发生量≤20kg/h及液氧容易购买的区域；制氧机气源（富氧源气源）发生器适合各种规模或液氧购买不便、液氧站安装受限但臭氧浓度要求较高的场合。

②对于空气源臭氧发生器，一般35m3/h空气约可以产生1kg/h的臭氧，总成本约为22元/kgO3，电耗占比最大；对于氧气源臭氧发生器，一般7m3/h氧气大约可以产生1kg/h臭氧。富氧源臭氧发生器总成本约为14～18元/kgO3，电耗占比最大；液氧源臭氧发生器总成本约为15～17元/kgO3，电耗及液氧费用占比相当；富氧源臭氧发生器与液氧源臭氧发生器总成本相当，当臭氧发生量>20kg/h时，富氧源臭氧发生器更有优势。

 

③对于内、外循环冷却水系统配置，空气源臭氧发生器内循环水用量约是氧气源臭氧发生器内循环水用量的2倍，内循环水水质要求高于外循环水水质要求，有条件时优先选用冷却塔供给外循环冷却水。

④对于臭氧高级氧化单元的仪表设置，露点仪、臭氧泄漏报警仪、氧气泄漏报警仪和臭氧浓度仪在工程项目中一般均需要配备，水中臭氧浓度仪、尾气臭氧浓度仪和排气臭氧浓度仪可根据项目需求和投资进行选择性配置。