（机械电子工程专业论文）超重力油烟净化设备机理分析与系统设计及其应用研究.pdf

摘要 随着我国第三产业的发展和城市化进程的加快，饮食服务业在城市经济 发展中所占的比重越来越大。由于我国的饮食习惯与国外不同，加工食物以 烹炒煎炸为主。餐饮业的飞速发展，繁荣了城市经济，推动了城市发展，同 时也给环境带来了严重污染。目前在城市大气污染源中，饮食业油烟污染和 工业污染及汽车尾气污染一并成为主要的污染源。在单个家庭里，产生的油 烟污染也不容忽视。油烟污染不仅影响城市公共环境，对人体健康也有很大 危害。国内外科技工作者在油烟净化技术及设备方面进行了不少研究，并取 得了一定的进展，但仍然缺乏高效实用易于推广的油烟净化设备。因此结合 我国的实际情况，研究开发稳定高效、经济实用的油烟净化设备，具有重要 意义。 本文综述了国内外油烟净化技术及设备的研究现状和存在的问题，在参 考有关文献资料的基础上，对新型油烟净化设备所采用的技术原理及特点进 行了探讨；阐述了油烟的测定方法、过程及净化设备的性能技术指标，有针 对性的对新型净化器的特性进行理论分析，得到设备的有关性能参数，为进 一步设计和优化提供依据；研究了油烟排放的流场及气流运动特征，并通过 理论分析计算、试验研究及工程实践，对油烟净化系统进行分析和设计；为 了简化系统的设计计算，本文采用了计算机编程及运用a u t o c a d 的二次开发 工具v b a 等对净化系统进行计算机辅助设计；为了减小净化系统的能耗，通 过在净化系统中采用静压箱和变频恒流量等技术对系统进行优化，并采用了 一些监控方法，以保证系统的净化效果，提高净化系统的性能。 关键词：油烟污染，超重力技术，净化设备，系统设计，优化与控制 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et h i r di n d u s t r ya n du r b a n i z a t i o nr a p i dd e v e l o p i n g ，t h eb i t e a n ds u pt r a d eh a si n c r e a s i n gp r o p o r t i o ni nc i t i e se c o n o m yd e v e l o p m e n t b u tt h e d i e t e t i cc u s t o mi no u rc o u n t r yi sd i f f e r e n tf r o mo v e r s e a s ，w ep r o c e s sf o o d m o s t l yb yf r y i n ga n dd e c o c t i n g i t sr a p i dd e v e l o p i n gp r o s p e r sc i t i e se c o n o m y , b u ti td o e sal o to fh a r mt ot h ee n v i r o n m e n ta l s o a tp r e s e n tt h ec o o k i n gf u m ei s p r i m a r yp o l l u t i o ns o u r c ew i t hi n d u s t r ye x h a u s tg a sa n da u t o m o b i l ee x h a u s tg 矗 i nc i t i e sp o l l u t i o n i ne v e r yf a m i l y , t h ec o o k i n gf n m ep o l l u t i o nc a n 。tb ei g n o r e d a l s o t h ec o o k i n gf u m en o to n l yi n f l u e n c ec i t i e se n v i r o n m e n t b u ta l s od oh a r m t o p e o p l e s h e a l t h 。t h ei n t e r n a la n do v e r s e a st e c h n o l o g i c a lo p e r a t o rh a v e r e s e a r c h e da b o u tc o o k i n gf u m ep u r g et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta n dh a dg r e a t p r o g r e s s ，b u ti t i sa b s e n c eo fe f f e c t u a lc o o k i n gf u m ee q u i p m e n t s oi ti s i m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o ps t e a d ya n de f f e c t u a le q u i p m e n ti nt h eb a s eo f o u r c o u n t r y sa c t u a l i t y s u m m a r i z i n gc o o k i n gf l l m ep u r g et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e s e a r c h a c t u a l i t ya n de x i s t e n ti s s u e ，t h et h e s i sa n a l y s e st h en e wp u r g ee q u i p m e r i t s p r i n c i p l e i te x p o u n d sm e n s t r u a t i o n sa n dc o u r s eo fc o o k i n gf u m e ，a n a l y s e st h e n e wp u r g ee q u i p m e n t ss p e c i a l i t ya n dg a i n ss o m ec a p a b i l i t yp a r a m e t e r so f d e s i g n t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sf l o wf i e l do fc o o k i n gf u m el e t i n g ，d e s i g n s p u r g a t i v es y s t e mb yt h e o r ya n a l y s i s a n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e i no r d e rt o p r e d i g e s ts y s t e md e s i g n ，t h ep a p e ra d o p t sc o m p u t e ra i d e dd e s i g nt h r o u g h p r o g r a ma n dv b a o fa u t o c a dt 0 0 1 t h es t i l lp r e s s u r eb o xa n df r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n s t a n tf l u xt e c h n o l o g yr e d u c es y s t e me n e r g yl o s i n g i no r d e rt o i m p r o v es y s t e mc a p a b i l i t y , w ea d o p ts o m em o n i t o r i n gm e a s u r e sa l s o k e yw o r d s ：c o o k i n gf u l n ep o l l u t i o n ，h i 钞g r a v i t yt e c h n o l o g y , p u r g e e q u i p m e n t ，s y s t e md e s i g n ，o p t i m i z e sa n dc o n t r o l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题的来源及选题的意义 i i 1 课题来源 所选课题的题目是“超重力油烟净化设备机理分析与系统设计及 其应用研究”，本课题是武汉创新环保工程有限公司委托研究内容。 1 1 2 选题的目的和意义 随着我国第三产业的发展和城市化进程的加快，饮食服务业在城市经济 发展中所占的比重越来越大。餐饮业的飞速发展，繁荣了城市经济，推动了 城市发展但同时也给环境带来了严重污染。未经处理的油烟直接排到室外， 对建筑物外墙面和空气造成严重污染。目前在城市大气污染源中，饮食业油 烟污染和工业污染及汽车尾气污染一并成为主要的污染源l l , 2 1 。油烟污染不 仅影响城市公共环境卫生，对人体健康也有很大危害。 饮食油烟含有许多有毒有害成分，不同食品在高温下会产生不同的挥发 性物质，其中含有许多致突变和致癌性物质。油烟组分中的多环芳烃类( p a h ) 等为致癌物，我国传统烹饪过程污染物捧放有强致癌物和5 7 种有毒有害 物。据报导肺癌发病率同厨房油烟污染密切相关，且国内一些地区女性肺癌 发病率大大高于男性f 3 j 】：朱永梅嗍等指出若消除烹调油烟因素，肺癌发生 的机率将可减少一半；陈宇炼【叼报道较高浓度的油烟气可引起大鼠肺部炎症 和组织细胞损伤：志愿者短期接触烹调油烟引起肺活量明显下降，证实较高 浓度的油烟气具有肺脏毒性：陈华【7 1 、周亚美i s ! 等人的研究发现烹调油烟能 影响机体的细胞免疫，巨噬细胞功能、抗肿瘤效应等从而使机体的免疫功能 下降；刘占琴【，l 、席小平 i o i 等人的研究结果表明烹调油烟中存在着能引起 基因突变、d n a 损伤、染色体损伤等不同生物学效应的细胞遗传毒性物质， 不但具有遗传毒性，而且具有潜在致癌性。 油烟排放己严重干扰了城市居民的正常生活，引起了人们的强烈不满， 武汉理工大学硕士学位论文 据有关资料统计，国内许多大城市居民对饮食业油烟污染的投诉已占环保投 诉总数的4 0 。因此，国家对治理徭饮服务业厨房外捧油烟气十分重视，逐 步颁发了相应法律法规对油烟捧放进行限制。1 9 9 5 年2 月国家环保总局、 国家工商总局发布盼关于加强饮食娱乐服务企业环境管理的通知及1 9 9 6 年国务院颁布的中华人民共和国大气污染防治法第三十六条等规定：城 市饮食服务企业的经营者必须采取措施防治油烟气对附近居民居住环境的 污染；必须设置收集油烟、异味的装置，消除油烟气对空气的污染。2 0 0 0 年7 月1 日，经国家环境保护总局批准实施了 饮食业油烟排放标准( 试行) ， 规定了油烟捧放标准限值( 最高允许排放的体积质量为2 o m g m 3 ) 和监测分 析方法，使该行业的环境管理初步走上了规范化、标准化轨道。2 0 0 0 年9 月1 日，国家施行修订后的大气污染防治法中，新增了“城市饮食服务 业的经营者，必须采取措施，防治油烟对附近居民的居住环境造成污染”的 条款并明确了捧污业主的法律责任，真正做到了食业油烟污染防治有法可 依，违法必究。 由于目前国内厨房油烟净化的研究还处于起步阶段，人们对油烟危害认 识不足以及对其处理方法缺乏重视，我国餐饮企业和家庭厨房对油烟狰化的 效率都远远达不到要求删因此，分析油烟的污染状况，提出油烟治理新 技术和新方法，已经刻不容缓。 1 2 国内外技术现状及存在的问题 1 2 1 油烟净化技术现状 油烟是指食物烹饪和食品生产加工过程中挥发的油脂、有机质及热氧化 和热裂解产生的一种混合物，以大气成分为主，但在相当多的时候，油烟中 包含了在烹饪过程中所形成的诸如燃料废气( 包括一氧化碳、二氧化碳、硫 化物及氮化物等) 、燃料颗粒( 如碳粒、灰尘等) 、食用油挥发物( 主要是蒸发 的油蒸汽及微滴) 、水蒸汽等，成份相当复杂。总而言之，油烟是一种包含 了气、固、液三相物质的多相气体状流体【n 】。 油烟因其自身成分的复杂性以及多相性，决定了其治理的困难性。对于 一般的工业与家庭油烟污染所采用的净化技术主要有分离法与转化法两大 2 武汉理工大学硕士学位论文 类恤1 。分离法主要机械式净化法、湿式净化法、静电式净化法、复合式净 化法等，而转化法( 也称作化学方法) 主要有催化剂净化法、热氧化焚烧法 等。机械式油烟净化设备。是指用过滤、惯性碰撞、吸附或其他机械分离原 理去除油烟的净化设备。湿式油烟净化设各，是指用水膜、喷雾、冲击等液 体吸收原理去除油烟的净化设各。静电式油烟诤化设备，是指用静电原理去 除油烟的净化设备。催化剂净化法，是指用具有自净化功能的催化荆，在烹 调过程中于烹调温度上，通过催化燃烧将油液滴转化为二氧化碳和水蒸气， 以除掉污染和臭味。热氧化焚烧法，其原理是利用热推进的反应，将油烟气 中的有毒成分转换成安全状态l 琊q 。复合式油烟净化设备，是指采用以上任 何两种或两种以上的净化方式，组合而成为去除油烟的油烟净化设备叫。 此夕 ，最近市场上已有等离子体油烟净化设备投入使用，该技术也是目 前国内较为先进的油烟治理技术。其原理是在利用高压静电法的同时，在静 电场的前端设置等离子场，利用箕高能量所激发的大量活性自由基对油雾粒 子迸行降解使其粘度下降，以利于极板所收集的油污能最大程度地沉降到 集油槽中。同时，在产生等离子体的过程中高频放电产生的瞬时高能量，能 打开某些有害气体分子的化学键、使其分解成单质原于或无害分子。其油烟 去除效率也比较高，净化后的气体无异味l l j 。 1 2 2国内外典型的净化设备介绍 1 、惯性分离法旺堋 惯性分离法的原理为通过强制使油烟气气流运动方向发生强烈转折，使 油烟气中的颗粒物在惯性作用下到达沉积面而从气体中脱离出来。主要设备 为工业上惯用的惯性分离除雾设旄，主要有金属纺织网罩、格栅等，这些设 备目前在家用厨房抽油烟机中广泛采用，在一些老式餐饮业中使用亦较普 遍。其主要优点是设备简单，压降较小( 通常为5 0 2 0 0 p a ) ；弊端在于对小 粒径的颗粒去除率低，总去除率亦较低，通常为5 0 - 7 0 9 6 ，而且由于油烟中 颗粒物粘度很大，清洗维护工作量较大，限制了其在餐饮业烹调油烟净化中 的推广应用，并且随着我国城市环保执法的要求愈来愈严，目前这方法在 餐饮业烹调油烟油雾净化中的应用愈来愈受到限制 t s l 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、静电沉积法 静电沉积法的工作原理为将油烟气引入高压电场，油烟气中颗粒物荷 电，在电场力作用下向集尘极运动，并沉积下来从油烟中脱除。主要设备是 对工业用的双区电沉积、冲洗双区电除尘器改型后的设备。主要特点是设备 紧凑、占地面积小、净化效率高，通常可达9 0 以上，压降较小。但由于集 尘极上油烟冷凝物粘度较高，常造成集尘极清洗困难，使维护工作量增大， 且用清洗法清除集尘极上的颗粒物时又易产生废液的二次污染问题；另外， 对中小型餐饮业而言，静电沉积型油烟挣化器设备投资费用较高，亦使得静 电沉积法目前的推广应用受到一定限制因此该法在集尘极清洗方式上有待 根本性的改进，据报道呻l 上海交通大学等院校和科研院所己开发出一种新 型的静电沉积型油烟气净化器 3 、液体洗涤法 液体洗涤法的原理为将油烟气通过特殊的气体分布装置与吸收液接触， 将油烟气中的颗粒物从气相中脱除到液相中。通常采用的设备为目前工业上 广泛采用的各类高效湿式除尘器如筛板塔、冲击式水膜除尘器以及水浴、文 氏管等多种类型，其中运水烟罩较为常见郑展飞州报道采用筛板塔，郑 祖文p 1 报道采用液膜法净化都取得较好效果这一方法的优点在于改变洗 涤液的性质可以同时去除油烟中的s 0 ：、c o ，、n o ，等废气，颗粒物的挣化 效率亦较高；但受湿式除尘器性能韵限制，对亚微米级的颗粒物净化效率较 低；洗涤废液尚未能较好解决，目前的作法为直接将洗涤废液排入下水道， 易产生二次污染问题：另外，洗涤液的消耗常常造成运行费用的增高，这些 问题都在一定程度上限制了液体洗涤法的推广应用。该法在洗涤废液的改性 和再处理方面，有待进一步改进。 4 、织物过滤法 织物过滤法的原理为油烟在净化器内通过纤维垫时，颗粒物由于扩散、 截留、惯性碰撞等作用而被脱除。通常采用的织物为吸油性能高的高分子复 合材料，如羌宁陋删等撤道采用本方法净化烹调油烟气获得成功。这一方法 的优点是净化效率高，通常达9 0 以上，运行稳定可靠，但由于纤维垫捕集 4 武汉理工大学硕士学位论文 的颗粒物粘度较高，靠通常的重力自流或挤压清除都很难实现，且压降较大， 如玻璃纤维滤床压降高达1 5 0 0 p a ；这些问题使织物过滤法的应用受到一定 限制。 5 、热氧化焚烧法 热氧化焚烧法的原理为利用热推进的氧化反应，将油烟气中的有害有毒 成分转换成安全状态，为了使所有的排放物燃烧完全，使热效率最佳，同时 又保持n o 。排放的最低限量，所采用的技术是复杂的。斯特林亚洲公司开发 成功获得专利的多级燃烧系统脚】。可以在高效处理快餐业油炸废气的同时 采用焚烧产生的废热来加热烹调油，达到有效利用热量的目的，既经济又环 保，特别适合于大型油炸食品加工厂、大型餐饮业。该方法的缺点是设备庞 大，造价较高。燃烧技术适合于废气主要由可燃的气溶胶、燃料气体组成的 情况，比较适合于以油炸为主的快餐业和工业。我的饮食业的烹调方式多种 多样，燃烧法总体上不大适合我国的国情，其适用的范围有限。 6 、自净化位化剂法 自净化催化剂净化法的原理为采用各种具有自净化功能的催化剂，在烹 调过程中子烹调温度上通过催化氧化燃烧将油液滴转化为c o ：和水蒸汽，从 而消除污染和臭味。自挣化催化剂( s e l f c l e a n i n gc a t a l y s t ，s c 一催化 剂) 基本上由催化剂耐热性粘结剂和泥浆( 多孔性) 组成，烧结在开口式灶具 内壁上。目前，日本已开发出的此类催化剂已广泛应用于烹调废气处理中， 主要形式有：借低熔点l i 玻璃粘合的y m n o ：，分子筛和铁氧体及由有机 粘合剂粘舍的金属氧化物。这些催化剂除了具有净化排气的特点之外，同时 还具有热浸透性远红外发射功能，可达到改善烹调速度和菜肴味色的功能， 特别适合于中小型餐饮业及家庭烹调使用。自净化催化剂法的缺点是灶具与 催化剂的一体化使得催化剂的更换和再生困难，造价较高，只能适用于小型 饮食油烟净化。 7 、催化氧化净化法 催化净化法是指将撵出的油烟气中的有机组分在催化剂的作用下，于 定温度下完全氧化为对环境无害的c o ：和h ：0 。目前，催化氧化净化法处理 5 武汉理工大学硕士学位论文 油烟气在国内尚无实际应用，研究工作也少见报道：李峻雷采用浸溃p d 、 电镀p t 的方法开发电炉丝热处理二甲苯乙酸丁酯取得一定效果，但尚未直 接应用予油烟净化体系。在国外，有报道德国人发明了“厨房油烟过滤分解 器”，采用催化燃烧法处理油烟，取得较满意的效果。 8 、复合方法 复合方法是指以上几种方法的组合，达到相互取长补短，增加净化效率， 降低处理成本。如刘祖文等采用液体吸收与金属网过滤结合的净化方法，取 得了相对单一方法较好的效果。 1 2 3 不同净化技术处理效果比较 机械方法中的传统过滤式对气溶胶的去除率可达8 0 9 0 ：活性炭吸 附气溶胶的效率为4 0 7 0 ，对气体的净化有明显的作用；旋风式分离气 溶胶的效果较差；所有机械方法对气态污染物的去除性能很差。 静电方法对气溶胶状态污染物的去除率为8 0 9 0 ，不能去除气态污 染物。 湿式处理法水喷淋( 塔式、箱式) 效果为4 0 7 5 ，运水烟罩除理效果 为8 5 y 一9 2 ，多缎份洗涤吸收法对油烟的去除率可达9 6 。湿式处理法对气 态污染物有较强的净化作用，对s o ，的去除率可达6 4 9 6 。 复合方法能兼顾不同处理方法的优点，提高了对油烟的净化效果。 1 2 4 现存方法的缺陷和应用局限性 从以上分析可看出，由于厨房所摊油雾同时含有气滚固三态物质，无论 那种方法捕集下来的物质粘度都很大，所以静电沉积设备和传统过滤设备都 存在有效作用时间不长的情况，且静电法存在清洗极板困难，运行费用高等 问题；惯性分离设备净化效率低；洗涤设备处理油烟效率高亦可除去气味， 但需要水泵、水槽等辅助设备，导致运行费用高，加上净化下来的油雾及微 尘在水池沉积产生的特殊臭味及废液二次污染问题，使其使用有一定的局限 性。复合方法尽管在一定程度上提高了净化效率，但仍然存在操作费用高及 二次污染等缺陷，不能从根本上解决油烟治理问题。 6 武汉理工大学硕士学位论文 国内外科技工作者在油烟净化技术及设备方面进行了不少研究，并取得 了一定的进展，但仍然缺乏高效实用的油烟净化技术和设备。因此结合我国 的实际情况，研究开发稳定高效、经济实用的油烟净化技术和设备，具有重 要意义。 1 3 本文研究的目的和内容 基于以上净化技术及设备的研究现状和存在的问题，参考有关国内外文 献资料，对新型油烟净化设备的原理和特点进行分析；并通过理论分析计算、 试验测量与工程实践相结合的方式，对油烟净化系统的特性进行分析，充分 利用其优点，对其进行逐步改进、优化及系统控制。 本文所述豹超重力油烟净化设备严格说来是属于机械式油烟净化设备 的一种，但又与其同类的常规净化设备的工作原理和运行特性又有所不同， 需要我们进一步加以研究。 本文的主要内容如下： 1 、阐述新型油烟净化设备的原理和特点； 2 、通过分析其原理和特点，经过理论计算和试验研究，得到油烟净化 设备的有关性能参数，为进一步的设备开发提供设计依据； 3 、以已有的除尘和通风管道系统等为基础，参考有关资料，并针对油 烟净化系统的特点，对净化系统进行设计和优化，并用相关软件使系统设计 程序化、简便化； 4 、为了方便人们对设备进行操作，以经济实用为前提，对该设备及其 系统的电气控制进行了一些设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章超重力技术及其在环境工程中的运用 2 1超重力技术原理及其特点 2 1 1 超重力技术原理 多相流之间的质量、热量传递、反应与分离是化工、环保、能源等工业 生产中最基本的过程之一，在这些过程中大量使用着塔器，如填料塔、板式塔 等。气液逆流接触设备是在地球重力场的作用下实现气一液接触进行传质的， 由于重力场较弱，液膜流动缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制 的传质与分离过程的体积传质系数k ，低，故这类设备体积庞大，空问利用 率和设备生产强度低。自从英国帝蓐化学工业公司( i c i ) 于1 9 8 3 年开发成 功高强度气一液传质设各h i g e e ( h i g hg r a v i t yr o t a r yd e v i c e ) 以来，引 起了工业界的密切关注，国内外的一些研究机构竟相开展对超重力技术 ( h i g hg r a v i t yt e c h n o l o g y ) 这种新型强化传递过程技术的基础理论研究， 并进行了一定的测试，在化工、环保、材料等领域进行了工业运行，取得了 较好的强化效果懈螂a 嚣1 超重力指的是在比地球重力加速度( 9 8 m s2 ) 大的多的环境下，物质所 受到的力。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相问的传质过程， 以及相问的分离均比常规重力场下的要快的多，气一液、液一液、液一固两 相在比地球重力场大数百倍至数千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中 产生流动接触，巨大的剪切力将液体撷裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液 滴，产生巨大的和快速更薪的相界面，使相问传质速率比传统的塔器提高l 3 个数量级，微观混合、传质和分离过程得到极大的强化。在地球上，实现超 重力环境的简单方法是通过旋转产生离心力而实现的。我们将这样特殊设计 的旋转设备称为超重力设备。 当超重力设备用于气液两相过程时，其气相为连续相的气液逆流接触的 超重力机的基本结构如图2 1 所示。它主要由转子、液体分布器和外壳组成。 机器的核心部分为转子，其主要作用是固定和带动填料旋转，实现良好的气 液接触和微观混合。同时，若进入超重力机的为多相混台物，由于各组分的 8 武汉理工大学硕士学位论文 密度不同，它们所受的离心力也就不同，这样在超重力机运转时，各组分便 很容易的分离开来，所以我们也可以超重力机作为很好多相分离设备，通过 与其他方式共同作用来分离多相介质中的不同组分。 4 圈2 一l 超重力设备基本结构示意图 其中，1 气体进口，2 气体出口，3 液体进日，4 一液体出口， 5 一密封，6 一填料，7 一转动轴，8 一外壳，9 一液体分布器 2 0 1 2 超重力技术的特点 超重力机所处理的介质是多种多样的，根据不同需要可以是气液两相也 可以是液液两相，又可以是气液同三相( 如用水除尘，多相反应和发酵等) ； 气液可以并流或逆流，也可以是错流；有的以气相作为连续相有的则以液相 作为连续相。无论怎样变化，超重力机总是以气液、液液两相或气液固三相 在模拟的超重力环境中，进行质量传递、混合、反应与分离为主要特征的。 概括的说，超重力机作为分离设备时具有以下特点： l 、极大地缩小了设备尺寸与重量； 2 、极大的强化了质量传递过程； 3 、气体通过设备的压降与传统设备相近l 4 、适用于处理高粘度物质； 9 武汉理工大学硬士学位论文 5 、具有自清洗作用，填料不易被颗粒杂质沉积堵塞； 6 、塔板或填料易于更换； 7 、选择性吸收分离，分离效率高； 2 2 超重力技术研究及其在环境工程中的运用 国外对超重力技术的应用研究主要在下述方面：( 1 ) 蒸馏、精馏；( 2 ) 环保中的除尘、除雾，烟气中二氧化硫及有害气体的去除，液一液分离，液一 同分离：( 3 ) 吸收，对天然气的干燥、脱碳、脱硫，对二氧化碳等选择性吸收 分离；( 4 ) 解吸，从受污染的地下水中欢出芳烃、化学热( 吸收解吸) ；( 5 ) 旋 转电化学反应器及燃料电池( 快速去除气泡，降低超电压) ；( 6 ) 旋转聚合反 应器；( 7 ) 旋转盘换热嚣、蒸发器；( 8 ) 聚合物脱除挥发物；( 9 ) 生物氧化反 应过程的强化，传统的生化反应在发酵罐中进行，有些已达商品化的程度。 国内对于超重力技术的应用研究起步相对较晚，但也取得了显著的成果， 主要应用在油田注水脱氧、氨氮废水处理、制备纳米材料、强化除尘过程、 强化生化反应过程以及多相混合物的选择性吸收分离等方面。下面介绍超重 力技术在环保领域的几种应用。 1 、超重力技术在废水处理中的应用 由予超重力技术可以大幅度提高传质效率，同时缩小设备尺寸，因此在 一些受传质控制的废水处理工艺中，超重力技术的应用就可以产生良好的使 用效果。从已有的研究成果来看，超熏力技术在尿素的水解工艺、碳氨废水 处理等过程中应用效果良好。 2 、超重力技术在废气治理中的应用 旋转填料床湿法脱硫除尘是将离心沉降、过滤、机械旋转碰撞捕获及扩 散、水膜等多种除尘机理集于一体的除尘设备。 烟气脱硫。从烟气中脱除s o ：是消除大气污染、控制s o ，排放的一项重 要措施。以国内硫酸生产排放的尾气为例，通常含s o ：3 0 0 0 m s k s 。如降低到 3 0 0 m s k g 国际排放标准，用亚铵法回收尾气中的s o ：，需要串联两台填料塔， 若达到l o o m g k g 的国际先进指标，则需串联三台填料塔。而用超重机进行 回收，s o ：捧放指标可达到l o o m s k g 以下。 除尘。传统的工业除尘器在除尘效率和处理量方面随着工业除尘标准的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 提高，已不能满足环境保护的要求。将超重力技术应用于除尘，已经取得了初 步的试验结果。用超重机替代常规的洗涤塔、电除尘器、电除雾气等，用于 酸、氨、碱、肥及石油化工等大型化工生产，可改变整个气体序化过程装置 面貌及环境袭件。利用超重力技术的旋转除尘嚣虽然在平均压降方面与喷淋 塔和电除尘器相比处于一定的劣势，但其分离效率高达9 9 9 ，切割粒径达到 1 0 4 m 的数量级。综合考虑平均压降、分离效率、切割粒径等指标，与传统 的除尘设备相比，利用超重力技术的旋转床除尘器显示出一定的优势。如果 对旋转床的填料结构加以改进，研制出气体阻力低而传质性能好的填料，则 可降低平均压降，从而降低系统的风机电耗。 2 3 超重力油烟净化器工作原理及其特点 该油烟净化设备主要由前端金属丝网盘、涡轮式离心风机和机体等都件 组成嗍。主要部件如图2 2 所示： 圈2 - - 2 超重力油烟狰化器结构图 动态离心式油烟净化法，其原理就是让油烟通过高速旋转的呈径向分布 的双层金属丝网盘( 如图2 2 ) ，使烟气中的微小油滴被碰撞而吸附在金属 丝网上：并且在离心力的作用下，沿着金属丝被甩向四周，最终被旋转网盘 外围的集油槽收集，完成油烟的净化。动态离心式油烟净化设备是武汉创新 环保工程有限公司的专利技术，该公司运用此方法生产出了一系列新型油烟 净化设备，并于2 0 0 4 年通过了湖北省建设厅组织的产品鉴定。 与其他机械式油烟净化设备相比，该油烟净化器主要有以下特点：1 传 统靠过滤、惯性碰撞、吸附等作用净化油烟的设备，其过滤部件是静止的， 而动态离心式油烟净化器上起吸附作用的金属丝两盘是高速旋转的，这样油 烟中的微小油滴不仅与金属丝网盘正面碰撞，而且还与金属丝网盘具有相对 武汉理工大学硕士学位论文 横向切割速度，相当于增大了油滴的吸附面积，从而大大提高了油烟的净化 率；2 径向分布金属丝网盘以每分钟1 0 0 0 多转的高速旋转，被吸附的油滴 在离心力的作用下被甩向筒体内壁，这样可以有效地防止油滴的堆积和堵 塞，而且便于清洗；3 金属丝网盘直接装在离心风机主轴上，并且位于电 机和涡轮风轮前端。这样可以有效地防止油滴黏附在风机的电机上；4 筒 体的内壁分布有导油槽，在离心力作用下脱离金属丝网盘的油滴，将沿着导 油槽流入外置集油盒内，可以很方便的回收和集中处理，防止造成二次污染。 此类净化设备方便实用，不仅适用各个家庭，而且适用大型餐饮业。对 于比较大型的餐饮业，为了提高油烟的净化效率，将动 态离心式油烟净器作为前端净化器，在捧烟管道中增加 二级净化设备。二级净化设备的主要部件为多个垂帘式 双层矩形金属丝网盘如图2 - - 3 所示，金属丝表面涂有 亲油亲水材料。 圆 图2 3 图2 4 大型餐饮业净化系统工艺图 大型凝饮业净化系统工艺如图2 4 所示，其中：1 一集气罩，2 一初级 油烟检测装置，3 一前端净化器，4 一烟道，5 一电气控制装置，6 二级 净化器，7 一末端油烟检测装置，8 一风机，9 一烟囱出口。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第三章超重力油烟净化器特性分析与设计 3 1油烟的测定方法、过程及设备的性能技术指标 3 1 1 检测系统与实验方法 1 、检测系统【蜊捌 ( 1 ) 通风管道连接系统 通风管道连接系统包括油烟净化设备、风机、连接管道、采样孔和风量 调节阀，如图3 一l 所示。油烟净化设备的进出风连接管道内风速应小于 2 0 m s ，进出风连接管道各应有一段4 5 倍壹径( 或当量直径) 的直管道， 在距弯头、变径管等管件下游3 倍直径( 或当量直径) 处设采样孔。对矩形 管道，其当量直径d = 2 a b ( a + b ) ，式中a 、b 为边长。 图3 - - 1实验室油烟净化设备测试系统示意图 ( 2 ) 油烟发生装置 油烟发生装置采用向加热容器中定量滴加食用植物油和水使其发烟、崩 溅和汽化的方法模拟实际油烟组成连续稳定发生油烟。设备主要包括可调式 油水定量投加系统、电加热温控系统两部分，如图3 - - 2 所示。油烟发生设 备应保证1 0 m i n 平均油烟浓度变化小于5 。油烟发生设各的油烟发生量可 调，以适应不同处理气量和浓度要求，检测基准浓度为1 0 m g m 3 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 圃甲 中审 l _ 一 匝夔口 婴 圈3 一z 油烟发生装置示意图 2 、试验方法 ( 1 ) 温度测量采用玻璃温度计或热电偶，精确度应不低于2 5 。 ( 2 ) 流速、流量、压力测量采用标准型皮托管或s 型皮托管、斜管压 力计、u 型压力计、大气压力计，也可采用经过标定的其他相同精度的测量 仪器。 ( 3 ) 绝缘电阻：用精度为2 5 级2 5 0 0 v 的兆欧表测电场本体两极板接 线间的电阻。接地电阻；用精度为2 5 级的万用电表测量金属外壳至接地螺 栓问的电阻。 ( 4 ) 油烟采样分析用各种设备和仪器以及检测方法按g b l 8 4 8 3 - - 2 0 0 1 附录a 的规定进行。记录采样体积，计算采样流量、烟气流速、千烟气标态 体积、烟气含湿量等数据。将收集完油烟的金属滤筒立即转入聚四氟乙烯套 筒中，益紧筒盖。装入聚四氟乙烯套简中的金属滤筒用1 2 m l 四氯化碳溶剂 浸泡，在超声波清洗仪中清洗l o m i n ，然后将清洗液转移到2 5 m l 比色管中； 再在套侮中加入6 m l 四氯化碳溶剂并超声清洗5 m i n ，清洗液一并转入比色 管，稀释至刻度后用红外分光光度法测定四氯化碳中的油烟含量。 3 、净化效率的计算 调节油烟发生装置，使进口油烟浓度控制在( 1 0 2 ) m g m3 范围内，同时 测定设备在额定风量下进出口的油烟浓度及气流量，计算去除效率。 油烟浓度的计算公式： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 c 。! 丝里 ( 3 1 ) _ 。v o x l 0 0 0 。1 式中：c 囊一油烟捧放浓度，m g m 3 ； c 黼一滤筒清洗液的油烟浓度，m g l ； v 一滤筒清洗液的稀释定容体积，m l ； v 一标准状态下的干烟气采样体积，m 3 。 油烟净化设备去除效率计算公式： 去除效率：指油烟经净化设备处理后，被去除的油烟与净化之前的油烟 的质量的百分比。 “堕孥坐x k l o o ( 3 - 2 ) c 酋q 打 式中：p 油烟净化去除效率，； c t 一净化前的油烟浓度，m g m 3 ； q - 一净化前的烟气流量，m 3 h ； c 晤一净化后的油烟浓度，m g m ； q 后一净化后的烟气流量，m 3 h ； k 一运行时间修正系数。 监测捧放浓度时，应将实溯拌放浓度折算为基准风量时的捧放浓度： - c w x 嵩( 3 - 3 ) 式中：c t 一折算为单个灶头基准捧风量时的排放浓度，m g u i3 ： q _ 一实测排风量，m 3 h ； c 一一实测排放浓度，m g m 3 ； q 基一单个灶头基准捧风量，大、中、小型均为2 0 0 0m3 h ； n 一折算的工作灶头个数。 3 1 2 净化设备的性能技术要求 1 、净化效率的要求 对于油烟净化设备去除效率的娈求与饮食业油烟排放标准的规定相 一致，并要求设备在正常使用条件下连续运行时间不小于1 年，对于运行使 武汉理工大学硕士学位论文 用时间小于1 年的设备，应乘以运行时间修正系数k 进行修正，具体规定如 表3 - - 1 所示。 表3 1 油烟最高允许排放浓度和净化设备最低去除效率 规模 小型中型 大型 额定处理风量，m 3 h 2 0 0 0 6 0 0 06 0 0 0 1 2 0 0 01 2 0 0 0 最高允许捧放浓度，m g m 3 2 0 最低去除效率， 6 07 5 8 5 运行时间修正系数，k 0 8 5o 9 5 1 2 、油烟净化设备阻力限位 设定油烟净化设备阻力限值，主要考虑是控制油烟净化系统运行时的动 力费用和噪音。系统阻力较小时，可选用低压风机；而油烟净化设备本身的 阻力增大时，系统需配套中高压风机，噪音和动力消耗的问题将显现出来。 油烟净化设备阻力限值的测定，也是为了尽可能避免用户在设各检测时采取 临时性措施。具体说来，机械式油烟净化设备和复合式油烟净化设备的本体 阻力应小于6 0 0 p a 。 3 、二次污染问题 为了避免油烟净化设备运行和维护过程中造成的二次污染，作为设备的 基本要求，油烟净化分离和收集的油污、废水不得直接排放造成二次污染。 油烟净化设各更换下的滤料等固体废物应集中处理，不得造成二次污染。 4 、系统密封性与电气安全性 油烟净化系统应密封完好，设备本体漏风率应小于5 ；电气控制箱接 地电阻应小于2 q 。 3 2 净化器的特性分析与设计 3 2 1 净化器的去除效率分析 当油烟受到吸油烟机风机的引力向上运动刚越过基准集流面时，其流动 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 状态可以看作是恒定流，也就是说，油烟的流线大致是平行的、方向向上的， 流速及流向没有太大的变化，基本上没有大的或者明显的涡流扰动现象，因 此在这个阶段应当属于层流状态。 当油烟经过滤网时，其层流状态就会受刭破坏，颗粒较大的油烟废料会 被滤网直接拦截，较小的颗粒和气体通过滤网的网孔继续向上运动，但是由 于各种外部因素( 滤网的阻拦改变运动方向和速度大小、风机旋转导致油烟 在运动过程中加速等) 和内部因索( 分子问的作用力及颗粒之间的相互碰撞 改变运动方向和速度) 的影响，原有的层流状态会遭到破坏，表现为剧烈的 紊流状态再者，由于油烟分子团之间以及与吸油烟机各表面之间急剧摩擦 碰撞，会导致油烟温度上升。粘度增加，还有已被滤网吸附或者粘附到油烟 机各壁面的油烟等造成的边界层都会对油烟的运动带来很大的影响。 1 、前端净化嚣的去除效率计算 在前螭净化器中起净化作用的主要是双层金属网盘( 如图2 2 ) ，对网 盘的结构和运动状态进行分析，从理论上计算其净化效率。设网丝直径为 d ，单层网丝根数为n ，网盘转速为，油烟流速为珥，油分子直径为d ，。 油分子颗粒与网丝发生碰撞的几率理论上反映净化率，设网盘单层网丝 的碰撞几率为k ，则 置一a f 。，厶0 x 1 0 0 ( 3 - 4 ) 式中：一油分子通过网丝所需的时间： 0 一单根网丝在行程两丝间距所需时间； q ( 仇+ 珥) 巩 式中：d 二一网丝直径： 珥一油分子颗粒直径； 巩一油烟通过网盘时的速度； a t ，一4 r ，u 。 式中：厶r 一相邻两网丝的夹角； 一网盘的转速； ，- 1 i n 1 7 ( 3 - 5 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中：n 一单层网盘所绕网丝的根数； 式( 3 - 7 ) 代入式( 3 - 6 ) 得： 如 i i 以 式( 3 - 5 ) 和式( 3 - 8 ) 代入式( 3 - 4 ) ，得： k 一( d i + 2 d r ) 1 斗u ；x 1 0 0 前端净化器网盘金属丝为双层，整体净化率为： k s 【1 - ( i - 鼢2 x 1 0 0 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 从式( 3 - 9 ) 可知，前端净化器网丝与油烟颗粒的碰撞几率，即理论净化 率，与网丝直径、油分予颗粒赢径、网盘转速和网丝根数成正比，与油烟风 速成反比。当网丝直径、油烟过网流速和网丝根数为定值时，那么油烟分子 颗粒大小和网盘转速则成为净化率的主要参数。即油烟分子颗粒越大，或者 网盘转速越高，净化率越高，反之净化率越低。 迸一步分析可知，上述计算净化率应该是理论净化率的最小值。因为我 们在计算挣化率时，实际上是按边界条件计算的，如图3 3 所示，当网盘 逆时针运转时，我们是以油分子从边界a 处来计算净化率的，实际上，所 有油分子应该是从边界a b 之问通过两盘的；此外，油烟通过净化器时， 还有油分子是与金属丝正面碰撞而被吸附，所以实 际的净化率应该大于上面豹计算所得。另外，在油 烟作为一种连续流体，在其浓度一定的情况下，直 径小的油分子数量将比直径大油分子的多，在其连 续通过网丝时，被吸附的几率也比较大。 图3 3 当然，网盘的几何数据也是净化率的必要参数，单根网丝的直线度，网 丝排列疏密的均匀度及整体平面度等也会影响净化率。 2 、二级净化器净化效率分析 将油烟看作为包含气固液的多相流体，当油烟通过二级净化器时，我们 将油烟与网丝正面碰撞的面积作为有效的吸附面积。 设网丝的直径为d ，相邻网丝的间距为d ，单层网丝净化率为k ，网丝的 根数为n ，则有t 1 8 七一而万n d 而j 撕 式中：d 一网丝直径： d 一相邻嗣丝的间距； 二级净化器内有两层网盘共四层网丝，则其总净化率为； ( 3 - 1 1 ) k 息- 1 - d - 囝4 x 1 0 0 ( 3 1 2 ) 将净化器和油烟的有关参数代入上述备式，就可算出净化器的净化率。 经有关环保部门的检测，经过这种油烟净化设备净化后挥出的烟气，其净化 效率和捧放浓度完全符合国家饮食业油烟捧放标准，检测结果如下表3 2 所示： 表3 - 2 ：设备油烟净化效率检测结果 运行 时问净化 设定风量 c -q 苗 c 后q 后 设备类型 修正效率 ( m3 h )( m 咖勺( m 3 h ) ( m g ，m3 ) ( m3 ，h ) 系数p ( ) k 小型( 额 1 6 0 0 l o 。l1 5 6 3l 。3 l1 5 4 00 。8 57 4 。l 定风量 2 0 0 01 0 02 0 8 31 2 02 0 0 8o 8 57 5 2 2 0 0 0 2 4 0 0l o 32 4 3 01 2 92 3 9 4o 8 57 4 5 m 3 h ) 大型( 额 1 0 4 0 01 2 01 1 3 0 51 7 51 1 3 9 41 0b 5 3 定风量1 3 0 0 01 0 。71 3 3 8 21 3 61 3 4 4 7l08 7 6 1 3 0 0 0 1 5 6 0 0 09 71 4 8 0 11 1 31 5 2 1 7l08 8 o m3 1 1 ) 3 2 2 净化器的本体阻力分析 清起认识油烟的性质以及它在吸油烟机中的运动特征之后，我们就可以 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 利用多相流体力学和数值分析的研究方法，针对当前过滤式油烟净化设备受 经验支配而缺乏理论依据的局限，研究油烟在过滤阶段的运动状况。 1 、数学理论模型 将油烟看作为包含气固液的多相流体，这种流体在通过滤网时的运动从 侧面可以看作为粘性流体绕柱体的二维流动融