（环境工程专业论文）超声波雾化技术在油烟净化上的应用研究.pdf

摘要 摘要 伴随着我国经济的迅猛发展，餐饮业在不断的扩大，环境污染中餐饮业和居 民厨房所带来的油烟污染问题日益严重。开发环保科技型油烟净化技术是当前解 决环境污染问题的一个重大需要。 目前，饮食业厨房油烟净化设备，依据不同的治理技术方法，主要有过滤式 油烟净化设备、水膜式油烟净化设备、蜂窝式油烟净化装置、静电型油烟净化装 置等。但这些方法分别存在能耗高、设备复杂，管理麻烦运行费用高等问题。因 此，需要找到一种新的处理技术来解决以上问题。超声波雾化油烟处理技术是一 种价廉高效，有前景的油烟处理技术，应用具有巨大的经济效益、环境效益和现 实意义。超声波雾化油烟处理属于湿法油烟处理法，拥有传统湿法的优点，同时， 与传统湿法相比在原理和效率上又有质的变化。由于超声波雾化产生的水雾粒径 为1 一1 0 pm ，其粒径小，与空气接触面积大，蒸发率高能使水蒸汽迅速达到饱和， 凝结于微细颗粒物上，开始了凝聚与合并的微物理过程实现“云 的物理沉降。 云物理学、空气动力学、斯蒂芬流的输送等为超声波雾化油烟处理的主要机理， 其中云物理学是核心机理。 本研究旨在研究影响油烟净化的机理和条件，选择最佳的运行参数提高油烟 去除效率，建立一套能有效的油烟处理系统，并解决应用过程中面临的主要难题。 在研究过程中，利用了s p s s 软件提供的功能进行正交设计数据处理，将琐碎、 复杂的数据处理工作表格化，使数据处理快速、结果准确，达到对产品进行结构 优化的目的。通过对实验数据进行方差分析得到各因素变量对因变量的影响程 度，从而确定诸影响因素中的主要影响因素；通过相关分析得出各因素对因变量 的相关程度，从一个角度说明了下一步的回归分析的可行性，同时也为回归分析 提供依据和参考；最后，通过回归分析，建立数学模型，得出超声波雾化油烟处 理系统的回归方程，最终找出最优运行工况及最佳生产条件。 最后，由上述分析结果分析超声波雾化油烟处理技术的去除机理。运用“云 物理学原理解析了实验过程中出现的问题，并为将来的进一步研究提供方向，有 利于未来在工业上的应用。 关键词：超声雾化；油烟；云物理学；s p s s a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y ，f o o di n d u s t r ya n dt h e p o p u l a t i o ne x p a n dc e a s e l e s s l y t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e mc a u s e d b yf o o di n d u s t r ya n dk i t c h e n sb e c o m e sw o r s ea n dw o r s e t oo p e no u tak i n d o fn e wd e c o n t a m i n a t i o nt e c h n i q u eb e c o m e ss oi m p e r a t i v e a tp r e s e n ts e v e r a lm e t h o d so nd i s p o s a lt e c h n o l o g yo fo i lf u m eh a v eb e e n d e v e l o p e da th o m ea n da b r o a d ，s u c ha sf ii t r a t i o np r o c e s s 。e l e c t r o s t a t i c p r o c e s sa n dw e tp r o c e s s b u tt h e s em e t h o d sh a v es e v e r a ld is a d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g hc o s t s ，l o we f f i c i e n c y ，h i g hc o n s u m e da n ds oo n s o ，an e w d i s p o s a lt e c h n o l o g yo fo i lf u m es h o u l db ef o u n dt os o l v et h i sp r o b l e m m e t h o do fa t o m i z a t i o nw a t e rm a d eb yu l t r a s o n i ct e c h n i q u ei no i lf u m e r e m o v a lh a sh i g hr a t eo fr e m o v i n gt h e o i1f u m ea n di tl e a daw a yf o ro u r c o u n t r yi no i 1f u m e r e m o v a l f i n g i n gt h er e m o v i n gm e c h a n i s m ，t h eb e s tr u n n i n gp a r a m e t e r ，a n d r a v e li n go u tt h ep r o b l e m si nr e s e a r c hist h ep u r p o s eo ft h iss t u d y d u r i n gt h er e s e a r c h ，u s es p s sf o rw i n d o w s ，t h ea w a r dw i n n i n gd a t a p r o c e s s i n go fo r t h o g o n a ld e s i g np a c k a g e ，t od ot h ec o m p li c a t e da n a l y s i s q u i c k e ra n db e t e r m e a n w h i l e ，w i t ht h e1 i n e rr e g r e s s i o nf u n c t i o no fs p s s ， t h ep u r i f y i n ge f f i c i e n c ye q u a t i o ni sf o u n db yt h ea n a l y s eo np r o c e s s i n g o fo r t h o g o n a ld e s i g nd a t a t h ec a p a c i t ye x p e r i m e n t sh a v eb e e nd e s i g n e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b li s h e da b o u tt h ep u r i f y i n gd e v i c e t h e e x p e r i m e n tl o o k e df o rt h em o s ts p l e n d i dc e r t i f i c a t i o na l o n gw i t h m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a c q u i r e dr e g r e s s i o nm o d e lo ft h ec o m p o u n dt h a to il f u m e ，a n dl o o k e df o rt h em o s ts p l e n d i do p e r a t i o no p e r a t i o n a lm o d e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ca t o m i z a t i o n ，o i lf u m e ，m e c h a n i s mo fc l o u d - p h y s i c s s t u d y ，s p s s l i 独创性声明 独创性声明 秉承我校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同行对本研究工作所做的任何 贡献均已在文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：李冠文 指导老师签字：陈凡植 日期：2 0 0 85 糯叉 陆r 托 i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 油烟的产生、成分及其危害 饮食业油烟污染逐渐成为人们关心的一个焦点话题。据报道，在许多城市中， 有关饮食业油烟污染的投诉已占环境投诉的3 0 4 0 。国内外学者对油烟进行的 研究表面，饮食业排放的油烟已成为城市颗粒物中有机物和挥发性有机物( v o c s ) 的重要来源之一，油烟中含有多种致突变、致癌物质，烹调烟雾与肺癌等呼吸道 疾病的发生有关。因此，治理饮食业的油烟污染具有重要的意义。 1 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排放有强致癌物和5 - 7 种有毒有害物， 据报道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；志愿者短期接触烹调油烟即可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。各项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，而且具有潜在致 癌性n ，。 2 成分 ( 1 ) 食油的化学成分食油分为植物油和动物油，植物油有豆油、菜籽油、 花生油等，主要成份为亚麻酸、亚油酸等不饱和脂肪，流动性好：动物油主要是 猪油，主要成份为饱和脂肪酸甘油脂，流动性差。分子的碳原子结构有c 2 0 链、 c 1 8 链、c 1 6 链等。 ( 2 ) 油烟污染物的化学成分烹调操作排放的烟气当中含有的污染物主要有 颗粒物( p m ) 、挥发性有机物( v o c s ) 、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫氧 化物等。其化学成分主要为不饱和烃类、饱和烃类、苯系物、多环芳烃、杂环化 合物以及醇、醛等，具体有2 0 0 多种。表1 - 1 歹l j 出了油烟的主要化学成分。 广东丁业大学工学硕士学位论文 表1 - 1 油烟主要化学成分 t a b l e1 - 1t h es o r t so fo ilf u m e 分类代表性化合物 烃类 醇，酚类 醛，酮类 酸类 羧酸酯类 稠环杂环类 甾醇类 其他 戊烷，卜甲基，2 一乙基戊烷，2 一甲基壬烷等 正十四烷醇，6 - 4 甲基环乙基乙醇等 2 一辛烯醛，反一2 ，4 一癸二烯醛，2 ，4 一辛二烯醛等 己酸，辛酸，壬酸，癸酸，十六酸，十八酸等 己酸异丙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸等 苯，甲苯等 胆甾醇，豆甾醇( 3q ，5 b ，) 等 磷酸三丁酯，苯亚甲基二胺，二乙基羧硼酸等 3 油烟的形成过程烹饪过程中的污染物是比较复杂的，受操作条件和操作 规模及操作温度的不同而有很大的差异。下面依据食油的物理、化学特性分析油 烟气的形成。食油的沸点比较复杂，主要成分的沸点3 0 0 0 c ：将油加热至5 0 1 0 0 时，油面有轻微热气上升，所含低沸点分量和水分首先汽化，温度上升至1 0 0 一- - 2 7 0 。c 时，较高沸点分量开始汽化，油泡较密，开始形成肉眼可见的油烟，主要 是由直径约1 0 - 3 c m 以上的小油液滴组成：温度大于2 7 0 后，高沸点的食油分量开 始汽化，开始形成大量“青烟”，主要是由直径范围为1 0 - 7 一 - 1 0 _ c m 不为肉眼所 见的微油液滴所组成。此时，往油中加入食品，食品中所含水分急剧汽化膨胀， 其中部分冷凝成雾和油烟一起形成可见的油烟雾：与此同时，气体燃料( 大然气、 液化气等) 、液体燃料( 煤油、酒精等) 、或固体燃料( 煤、固体酒精等) 热分解生 成直径为1 0 0 - - 一2 0 0um 气相析出型烟尘“1 。最后，上述各阶段所形成的混合气体在 离开锅灶上升过程中与液面外的空气分子碰撞，温度迅速下降至6 0 以下，饱和 蒸汽压下降，形成含冷凝物的气溶胶，和被抽走的含烟尘气体一起，最终形成为 食用油及食品在高温下的挥发物及其冷凝物气溶胶、水气及含烟尘气体所组成的 烹调油烟气。 4 油烟的性质油烟实际是一种多相气体状流体。它以大气成分为主，但相 当多的时候，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) 、水蒸气等。其比重比洁净空气略重，密度一般为1 3 0 1 3 4 k g m 3 ( 空气为1 2 9 3 k g m 3 ) 并具有以下的为气体所具备的物理特征。 ( 1 ) 可流动性和空气一样，油烟具有良好的流动性，“在气体中相近的两 2 第。章绪论 个空间领域里，只要有很小的压强差存在，就能使气体很快地运动”，吸油烟 机的工作原理正是在此基础上形成的。 ( 2 ) 膨胀性与空气一样，油烟受热后体积会膨胀增加，遇冷则油烟体积会 收缩。 ( 3 ) 粘性与所有流体一样，因受气体分子间力的作用，油烟在流动中表现 出一定的粘性；与液体所不同的是，油烟粘度是随着温度的上升而增高的。引起 油烟温度上升的因素，可以是外界因素作用的结果( 如油烟受到炉灶、油锅的烘 烤) ，也可以是内部因素作用( 如油烟在急速流动中气体分子间的碰撞以及与吸油 烟机导流面的摩擦都会引起升温) ，都可导致油烟粘度增加。而粘度增高，则会 影响到油烟的顺利流动。 ( 4 ) 结露逸出油面的油气分子，与液面外的空气分子碰撞温度迅速下降， 饱和蒸汽压下降，冷凝结露，由于热油气分子运动的无方向性，在灶内外形成大 大小小的液珠油滴，即为珠状凝结。其中结露的临界半径公式为： 2 c r m 2 百 r t l n 2 圪 式中：r 。一液滴的临界半径，m ； o 一液滴相对蒸汽表面张力，n ； m 一液相比容，m 3 k g ； p 。一不存在曲面时饱和蒸汽压，p a ； p ，一汽相与液滴共存时饱和蒸汽压，p a ； r 一理想气体常数j ( k g k ) ； t 一绝对温度，k 。 ( 5 ) 微油液滴和油烟的粒径油气体、有毒物质气体、水汽的分子大小约d = 1 0 一c m 。肉眼所见的“油烟”是油气分子中部分失去气化热冷凝结露的液化小 油珠，大小约d = 1 0 _ 3 c m 以上。当温度越高时，二相共存时气体液化滴的临界半径 越大，过饱和气相越难成滴。反之温度下降，液化滴的临界半径变小，过饱和气 相容易成滴。气相成滴还与气体中杂质有关，气体中灰尘越多，临界半径越小， 成滴越容易。范围直径约d = 1 0 1 0 。c m 的微油液滴不为肉眼所见，它们的 运动速度因其质量成几百倍几千倍减少而迅速增加，速度扩展至灶上下部内外空 3 广东，【= 业大学1 = 学硕十学位论文 间。油气体、燃气废气体的分子质量更小，比微油滴运动更快，它们无色、无味、 无形，在灶外造成整个厨房的污染，为人们所忽视。 ( 6 ) 油烟雾的乳化油烟雾也就是乳化雾。失去汽化热，冷凝的微小水滴、 油气和露化微油滴的混合，相互包围又相互不浸润。 1 1 2 油烟的常规处理方法及其应用 1 惯性分离法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施，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 ，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，目前这一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。 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。主要特点是设各 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，静电沉积型油烟净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。 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、冲击式水膜除尘器等。郑 展飞伸报道采用筛板塔取得较好效果。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 o ：，c o ：、n o x 、等废气，颗粒物的净化效率亦较高：但受湿 式除尘器性能的限制，对亚微米级的颗粒物净化效率较低：洗涤废液尚未能较 4 第血绪论 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。该方法存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n 叭等报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，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。 6 自净化催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，在烹调过程中于烹调温度上通过催化氧化燃烧将油液滴转化为c 0 。 和水蒸汽，从而消除污染和臭味。自净化催化剂( 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，日本己开发出的此类催化剂己广泛应用于烹调废气处理中，主 要形式有：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合 的金属氧化物n 2 ”，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排出的油烟气中的有机组分在催化 剂的作用下，于一定温度完全氧化为对环境无害的c 0 。和h 。0 。目前，催化氧化净 化法处理油烟气在国内尚无实际应用，研究工作也只见一处报道：李峻雷“”采用 浸渍p d 、电镀p t 的方法开发电炉丝热处理二甲苯乙酸丁酷取得一定效果，但 5 广东一【：业大学丁学硕士学位论文 尚未直接应用于油烟净化体系。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。相对其它方法，催化 净化法具有无二次污染、操作简单及处理能力强等优点，但尚不适合我国国情。 8 超声波雾化油烟处理技术超声波雾化油烟处理技术原则上是一种湿式 油烟净化技术，但其原理又不完全等同于传统的湿式油烟净化技术。该方法通过 产生1 0l am 以下与颗粒物及微小油滴粒径相近的雾滴来实现油烟的捕集。在空气 动力学、“云”物理学、斯蒂芬流的输送机理等原理，实现凝结，最终达到净化 的目的。 1 1 3 各种处理方法的优缺点比较 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。静电方法对气洛胶状态污染物 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 ，运水烟罩处理效果为8 5 9 2 ，多组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，对多s o ：的去除率可 达6 4 1 。表1 - 2 歹i j 出了几种主要的油烟处理设备的性能。 表1 - 2 各种油烟处理设备性能比较 t a b l el 一2t h ec o m p a r i s o no ff a c i l i t i e so fd i f f e r e n tp u r i f i c a t i o nm e t h o d s ( 以处理4 0 0 0 m 3 h 风量为例) 从以上分析可看出，由于厨房所排油雾同时含有气液固三态物质，无论那种 方法描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 6 第一章绪论 等辅助设备，导致运行费用商，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。 1 2 国内外研究概况 目前，超声波雾化技术主要用于除尘方面，在油烟处理上研究较少。 早在上个世纪7 0 年代末，美国的c o l o r a d o 矿业学校的斯考温德和布朗在 一份研究报告中提出，采用微细水雾捕尘能解决呼吸性粉尘的除尘问题。报告 指出，人们早就意识到，一般的喷雾对除去呼吸性粉尘的效果不理想是因为水 雾的粒径太大( 粒径2 0 0 6 0 0 岫) 。从空气动力学原理来说，更细、与粉尘粒 径相近的水雾更能有效地从气流中除去粉尘。因此，人们不断改进喷雾器的结 果，以使水雾喷得更细，接近甚至小于呼吸性粉尘颗粒的粒径。然而，随着水 雾越来越细，担心水雾在捕捉到粉尘之前就会在相对湿度不到1 0 0 的空间迅 速蒸发掉，从而阻止了人们对喷雾器的进一步研究“。后来，斯考温格德和布 朗经研究后提出了新见解，认为当水雾蒸发为水蒸汽后就进入了云物理学范畴， 这时另一种机理一冷凝核化的机理将起重要作用，这就是水雾不断蒸发，使空 气中的水蒸气迅速饱和，饱和后的水蒸汽会直接在粉尘上凝聚，使粒径不断增 大。虽然增大的速度与尘的亲水性、温度、电荷等因素有关，但是，令人鼓舞 的是这种增大不需要太多，只要到l o ，- - 2 0 p m 就会落下或轻易地被一般水雾除 去，显现出对控制微细的呼吸性粉尘的良好效果。 在我国，冶金部马鞍山研究院从8 0 年代开始从事这项技术的研究与产品 丌发，9 0 年代初已经开发初自己的c w 型超声雾化器并应用于工业除尘，收到 了良好效果，主要有超声雾化就地捕尘和超声雾化旋风除尘器两种应用方式n ”。 上海第五钢铁厂煤气分厂输煤系统，原先采用局部密闭通风、布袋除尘的方法， 由于煤尘粘袋严重，除尘系统很快失效。后来在转运站试验采用c w 型超声雾化 抑尘器抑尘。投入运行以后，皮带廊漫天的黑尘消失了，仅在抑尘罩料流出口 处有少许白雾逸出。超声水雾抑尘后煤的增重量为0 1 ，煤块无增湿感，此 技术的成功应用得到上钢五厂的嘉奖。 广东t 业大学工学硕士学位论文 1 3 课题目的与意义 传统的油烟处理方法存在设备造价高、运行费用高、运行管理困难等问题， 因此，需要找到一种新的处理技术来解决以上问题。实践证明，超声波雾化油 烟处理技术价廉高效，是一项较新的有前景的油烟处理技术，应用具有巨大的 经济效益、环境效益和现实意义。 目前，超声波雾化油烟处理技术的基础理论研究较少，在国内尚无大规模 工业应用实例。本研究旨在研究影响油烟净化的机理和条件，选择最佳的运行 参数提高除尘效率，建立一套能有效的油烟处理系统，并解决应用过程中面临 的主要难题。 1 4 课题的研究内容 本课题拟在以下几个方面进行重点研究： 1 分析超声波雾化油烟净化机理，确定净化效率的影响因素并为实验数据的 分析处理提供理论依据； 2 确定影响因素后，按现实需要选定各因素的对应水平，并根据正交设计法 进行正交实验； 3 利用s p s s 软件对正交设计实验结果进行回归分析，得到净化效率与各影响 因素的数量关系； 4 利用s p s s 软件对正交设计实验结果进行曲线回归，得出回归方程和系统的 工作曲线，找出其最佳运行工况。 8 第二章超声波雾化油烟处理的机理与分析 第二章超声波雾化油烟处理的机理与分析 2 1 超声波雾化产生机理 2 1 1 超声雾化的介绍 超声波技术从七十年代初发展到现在已有三十年的历史，在工业的应用方 面也有了惊人的进步，其应用领域越来越广泛，其中超声波雾化为其应用之一。 人们早就从事过利用超声波雾化液体，促进燃烧，提高传热和减少污染的研究。 但是由于雾化机理的复杂性，充分理解和证实超声波对这些因素的真实影响是 非常困难的。因此，我们首先要了解超声波雾化的基本原理。对于弱声，例如 我们日常接触的声音，声场中的媒质介点( 这里首先指气态质点) 只不过在平衡 位置振动，但是对于远比这种声音强得多的声场，在其中的媒介质点不仅被振 动，而且还产生人们所熟知的超声波二次效应。这时媒质质点被移动，形成一 种气流，即所谓的“声风”现象。如果将液面暴露在这样的声场中，使液体经 历初期波动，然后是大振幅的波动，接着形成大液滴，最终液滴分离，雾化实 现。 超声雾化是利用超声能量使液体在气相中形成微细雾滴的过程。由文献“町 可知，超声波雾化器有两大类：电声换能器型和流体动力型超声雾化器。在实 验中，我们使用的超声雾化器是电声换能器型，其作用原理是压电换能器在液 体中辐射强超声波，通过薄透声膜辐射到溶液中而在液面产生喷泉雾化。在雾 化饱和水时，震荡频率为1 7 m h z ，超过人的听觉范围，对人体及动物绝无伤害， 雾化量约每小时0 4 l ，消耗电功率5 0 w 。 2 1 2 雾化的原理 超声波的形成：由稳压电源输出的5 0 v ，5 0 0 m a 的电流经超声波雾化器中的 电振荡器形成高频交流电流，这个高频交流电流使雾化器上的振动膜片产生高 频振荡，形成超声波。图2 - 1 为超声波发生器的结构图。 9 广东一l = 业大学t 学硕士学位论文 接 图2 - 1 超声波雾化器结构图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fu l t r a s o n i cm i s tm a k e r 超声波具有良好的方向性、反射性和穿透能力，能在气体、液体及固体媒 介中传播，产生各种超声波效应，如机械效应、热效应、化学效应、声空化等。 对水雾化起主要作用的有如下几种： ( 1 ) 机械效应超声波在介质中传播引起质点振动，其位移、速度、声压、 声强等力学量所引起的各种效应都称为机械效应，它能在液体内部产生很大的 液压冲击，破坏液体分子间的作用力； ( 2 ) 热效应超声波具有很高的能量，通过介质时会引起分子间剧烈摩擦 及分子的强烈，将声能转变为热能，产生热效应，为分子之间作用力的破坏提 供能量； ( 3 ) 声空化向液体辐射超声波时，在一定声强作用下液体内部会产生大 量小气泡，气泡随声压振动强烈生长、合并直至破裂，称之为声空化现象。 超声雾化原理正是利用超声换能器产生的超声波通过雾化介质传播，在 气液界面处形成表面张力波，由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏，从 液体表面脱出形成雾滴，从而液体被雾化为气溶胶状态。超声雾化产生的液滴 喷射速度低，可制得分散均匀的2 , - 4um 级液滴。液滴的初始速度几乎为零， 容易产生高浓度细小的液滴流m 儿w 。 本实验所用的超声雾化系统如图2 - 2 ，装置包括超声发生器、导气系统以 及循环冷却水系统。其中超声发生器的振动频率为1 7 m h z ，雾化功率为5 0 w 。 导气系统采用声阻抗率与水较接近的有机玻璃为材料，以减小由于两者声阻抗 l o 第二章超声波雾化油烟处理的机理与分析 率相差较大而在水与管壁界面发生的超声波反射损失。导气管直径为5 0 r a m ，高 7 0m m 。本实验以油烟气体自身作为载气，与水雾充分接触后进入沉降室。 气雾混 图2 - 2 超声雾化系统 f i g 2 - 2s y s t e mo fu lt r a s o n i cm is t 2 1 3 雾化效果的影响因素 1 雾化溶液的表面张力雾化原理是利用超声波在气液界面处形成表面张 力波，产生超声空化作用，进而使液体分子作用力破坏，液体从表面脱出形成雾 滴。雾化溶液的表面张力对雾化的效果有很大的影响，主要体现在空化所需的能 量随溶液的表面张力增大而增大。不同的液体有各自的表面张力，表面张力的增 大使得雾化所需要的超声能量增大。当超声能量不足以克服液体自身的表面张 力，空化效果就变差，进而严重影响雾化效果，甚至无法雾化。张绍坤等人心u 对重油雾化和净水雾化做研究，研究表明在相同气压条件下，相同的油压和水压 下，重油的雾化速率明显低于净水的雾化速率。正是因为重油的表面张力大于水， 如果要得到相同的雾化效果，就要提高超声雾化装置的功率。 在本实验里，随着处理系统的运行，雾化液滴和油烟气体不断混合，形成 油水液滴；其中，一部分油水液滴汇入雾化池中，使原雾化溶液的粘度及表面 张力增大，大大影响雾化效果。本实验通过碱液的配置来控制此消极效果，使 处理系统正常运作。 广东工业大学丁学硕士学位论文 2 雾化池的液面高度根据m l a n g l e 等的研究陋1 ，固定频率的超声波的能 量密度是固定的。当液面高度处于超声波能量密度最大处附近时，超声空化作用 最强，溶液的雾化速率达到最大：当液面高度继续增大，超过超声波在液体中 能量密度最大处时，超声空化作用减弱，溶液的雾化速率急剧减小。 在本实验里，随着雾化池中加液量的增加，雾化速率呈逐渐增加的趋势。 当加液量增大到约为1 5 0m l 时，雾化速率增大到一极大值后迅速减小，溶液呈 现雾化困难，与m l a n g l e 等的研究结果一致。 3 载气流速载气流速与雾化速率并无直接关系，但我们所关心的另一个问 题为实际雾化液滴的排出速率及雾化粒径，这就和载气流速密切相关了。 在实验中，载气流速对雾化效果的影响是双向的。一方面，由于载气流量加 大，气体流速加快，输运管路中气流扰动激烈，雾滴在离丌液面后发生非弹性碰 撞和聚合的程度加大，雾化粒径增大，不利于油烟的吸收和凝聚，影响处理效果； 另一方面，随着载气流量加大，流速加快，使雾化液滴迅速离开雾化区域，减少 区域内非弹性碰撞和聚合的程度，空间中小粒径可用雾滴较多，有利于油烟气的 净化。因此，选择一合理的流速对提高处理系统的处理效率是很重要的。 4 雾化器的自身功率雾化器自身功率是影响雾化效果的最主要因素。功率 越大，雾化速率越高；反之亦然。但雾化粒径与功率大小无关，只与雾化系统参 数有关。 2 1 4 雾化水雾的粒径 超声雾化所生成雾滴直径可用l a n g 式计算汹， 拈0 3 4 ( 等) i 3 d 式中：d 一液滴直径； v 一雾化先体的表面张力； p 一先体密度； f 一超声频率。 由上式可看出，雾滴粒径主要由液体的密度p 、表面张力v 和超声波频率f 来决定。超声波频率愈高，雾滴愈小：液体温度越高，表面张力越小，则雾滴亦 越小。 第二章超卢波雾化油烟处理的机理与分析 式( 2 - 1 ) 为雾滴刚离开液面时的粒径计算经验公式。实际上随着雾滴离开液 面进入气流，液滴粒径就渐渐增大，但变化幅度逐渐减小。原因是：声强在喷嘴 出口处最大，雾化能力最强，故喷嘴出口处雾化粒径最小；油滴离开喷嘴以后， 沿喷雾方向上，会发生非弹性碰撞、聚合和挥发，其中碰撞和聚合起主要作用， 所以随着距离喷嘴距离的增大，雾化粒径逐渐增大。由于空气中存在阻力，雾化 液滴距离喷嘴的距离越大，速率越小，发生非弹性碰撞和聚合的程度减小，因此 粒径增大的幅度趋缓。此外，液体的表面张力也会影响粒径增大的幅度。因为表 面张力越大，液滴离开喷嘴后发生非弹性碰撞和聚合的程度就越小。所以液体表 面张力较大的液体，雾化后其粒径变化不大，不利于后续的凝聚和沉降。 2 2 超声雾化油烟处理原理 超声波雾化油烟处理技术原则上是一种湿式油烟净化技术，但其原理又不完 全等同于传统的湿式油烟净化技术。 2 2 1 传统湿式油烟净化原理 传统湿法又称为液体洗涤法，其机理是对油烟气的捕集和吸收。液体洗涤法 将油烟气通过特殊的气体分布装置与吸收液接触，通过捕集和吸收作用将油烟气 从气相中脱除到液相中，从而达到净化的目的。根据气液接触的方式不同，又可 分为冲击式和喷淋式两种。冲击式是依靠抽油烟机的动力，使油烟气冲击水体， 如陈喜山等将含油烟气的气流通过净化装置的折返式通道，高速冲击溶液表面， 使洗涤液翻腾飞溅和雾化，激起大量的泡沫和雾滴；与气流中的油烟雾滴充分接 触，将其乳化和溶解，达到净化油烟的目的。又如郑展飞将冲击除油和筛板除油 两种机理结合在一起，取得了较好的效果；喷淋式则使烟气通过喷淋产生的水雾 而达到净化效果，刘祖文等利用环形喷头形成的液膜捕集油雾颗粒，亦取得了很 好的效果。但是该法对亚微米级的颗粒物净化效率较低，。 2 2 2 超声波雾化油烟净化原理 1 空气动力学原理根据空气动力学原理，含油烟废气绕过雾滴时，废气中 的颗粒物及微小油滴由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞被捕捉，即通 过颗粒物及微小油滴与液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现捕捉的。 广东j r 业大学t 学硕士学位论文 其被捕捉的几率与雾滴直径、颗粒物及微小油滴受力情况有关。雾滴大时，颗粒 物及微小油滴仅仅是随绕流绕过雾滴而未能被捕集。当雾滴与颗粒物及微小油滴 粒径相近时，更容易产生相撞而实现微细颗粒物及微小油滴的捕集。超声波雾化 正是通过产生1 0um 以下与颗粒物及微小油滴粒径相近的雾滴来实现捕集。 2 “云 物理学原理“云”物理学原理如图2 3 ，微细水雾喷向含微细颗 粒物及微小油滴的空间时，能在很短时间内蒸发，使喷雾区水蒸气迅速饱和，过 饱和水蒸气凝结在区内悬浮的大量微细颗粒物及微小油滴上，此后就开始了凝聚 和并合的微物理过程。这主要是由于水的相变和云滴形成所导致的温度、浓度变 化，加之喷雾雾流引起的油烟气的运动，使携带着微细颗粒物或微小油滴的云滴 和其它水雾粒子相互碰撞、凝并进而增重下沉，形成“油雨”降落下来”“。另外 由于水蒸气在微细颗粒物及微小油滴表面的凝结，不仅改善了微细颗粒物及微小 油滴亲水性能，而且也增大了微细颗粒物及微小油滴的体积与重量，这都对捕集 作用起着促进作用。这种机理对抑制亚微米及微米级的微细颗粒物及微小油滴特 别有效。 以微细颗 沉降 图2 3 “云”物理学原理 f i g 2 - 3m e c h a n i s i l lo fc l o u d p h y s i c s 3 斯蒂芬流的输送机理在喷雾区内，液滴迅速蒸发时，必然会在液滴附近 区域内产生蒸汽组分的浓度梯度，形成由液滴向外流动扩散的斯蒂芬流；同样， 当蒸汽在某一核上凝结时，也会造成核周围蒸汽浓度的不断降低，形成由周围向 凝结核运动的斯蒂芬流。因此，悬浮于喷雾区中的微细颗粒物及微小油滴，必然 会在斯蒂芬流的输送作用下运动，最后接触并粘附在凝结液滴上被湿润并捕集。 综上所述，超声波雾化油烟处理仍是湿法油烟处理法，拥有传统湿法的优点； 同时，与传统湿法相比在原理和效率上已有质的变化。由于超声波雾化产生的水 1 4 第二章超声波雾化油烟处理的捌l 理与分析 雾粒径为1 1 0 | lm ，根据卡尔弗特提出的效率计算公式： r 1 = s j ( s 。+ 0 7 ) 2 式中：s 。一斯托克斯准数，其定义为s 。= d p 2 v ，pc 9ud d p 一尘粒直径，m ； p 一尘粒密度，k g m 3 ； u 一气体粘度，p a s ； 卜液滴直径，m ； v ，一气体与液滴的相对运动速度，m s ； c 一肯宁汉系数。 其处理效率将得到大大的提高，而且对于亚微米级的微细颗粒物及微小油滴 仍有很好的去除率。 广东 ：业大学j 学硕士学位论文 第三章实验方法与步骤 3 1 实验材料、仪器及净化系统 3 1 1 主要仪器设备 表3 - 1 仪器设备表 t a b l e3 - ii n s t r u m e n t1i s t 仪器 生产厂商 c y 2 0 0 0 型多功能红外测油仪 超声波清洗器 油烟采样器b n 2 0 0 0 型 油烟采样枪及金属滤筒 带盖聚四氟乙烯圆柱形套筒 5 0 0 温度计 2 5 m l 容量瓶 2 5 m l 比色管 y y t 一2 0 0 b 斜管压力计 气体流量计 移液管 集气罩 离心风机 超声波雾化器b x 一0 3 b 型 电炉 净化塔 调压变压器 青岛崂山电子仪器总厂有限公司 上海致丰电子科技有限公司 武汉市天虹智能仪表厂 秦皇岛光宇玻纤制品有限公司 秦争岛光宇玻纤制品有限公司 武汉玻璃仪器厂 武汉玻璃仪器厂 武汉玻璃仪器厂 上海红宇电子设备厂 沈阳市玻璃仪器厂 武汉玻璃仪器厂 超联装饰材料商行 哈尔滨市风机厂 广州市傲特电子科技有限公司 超联装饰材料商行 净化塔其结构及参数见表3 2 及图3 1 ，3 2 。 1 6 第二章实验方法与步骤 图3 - 1 净化塔结构a 广东：【业大学1 = 学硕士学位论文 l 譬1 2 1 3 一 l j ； 。j j ； i1 0 ii ：1 h h 一一一d ：i l 11 2j ! j 1 二一一j 。 i 1 3 l - 。+ 。”。一一一一+ 。1 一+ 1 4 。_ 一一一_ b - b 图3 2 净化塔结构b f ig 3 2s t r u c t u r eo ft f ( 助 超声波雾化器其结构、性能参数见表3 - 3 表3 3 超声波雾化器的结构、性能参数 a - a t a b l e3 - 3s t r u c t u r ea n df u n c ti o np a r a n f l e t e ro ft f 1 0 0 0 m g l 红外测油专用标样 c c l 。试剂( 分析纯) n a o h 试剂( 分析纯) 食用花生油 青岛崂山电子仪器总厂有限公司 天津化学试剂二厂 天津市科密欧化学试剂中心 1 8 第三章实验方法与步骤 试剂说明： 1 四氯化碳在2 6 0 0 - - - 3 3 0 0 c m - 1 之间扫描，吸光度值不超过o 0 3 ( 4 c m 比色 j i l l ) ，一般情况下，分析纯四氯化碳经一次蒸馏( 控制温度7 0 7 4 ) 便能满 足要求。 2 标准油一般标准油可通过高温回流食用花生油制得。在5 0 0 m l 三颈瓶中 加入3 0 0 m l 的食用油，插入量程为5 0 0 。c 的温度计，先控制温度于1 2 0 ，敞口 加热3 0 m i n ，然后在其正上方安装一空气冷凝管，加热油温至3 0 0 ，回流2 h 即 得标准油。本实验直接使用青岛崂山电子仪器总厂有限公司配做的1 0 0 0 m g l 红 外测油专用标样。 3 1 3 实验装置与流程图 系统说明： 整个实验系统分为4 部分，分别是：油烟发生系统、超声波处理系统、动 力系统及连接管道，流程图见图3 - 3 。 动力系统由风机及管道组成。本实验采用抽气的方式进行污染物的收集。 通过风机的运作在入口端产生负压，油烟污染物在大气压的作用下，源源不断 地被压入实验系统，实现整个系统的动力运作。只要风机产生的负压足够克服 管道所带来的压降，就能保证实验系统的正常运作。 油烟发生系统由油锅、电炉和集气罩组成。本实验在模拟烹饪油烟的污染源 方面，经过反复实验最终采用将食用油加热致滚开( 约3 0 0 ) 后、以每秒一滴的 流量，滴入食用酱油并在食用油中加入花椒和大料( 八角) 各l o g 以此模拟烹饪油 烟。加温时产生的油雾、异味及污染物，经集气罩进入缓冲瓶。油烟在缓冲瓶中 作短暂的停留，有利于均匀油烟的浓度。 超声波雾化处理系统由超声波雾化器和净化塔组成。油烟经过缓冲瓶稳定浓 度后进入超声波雾化器，在此和雾化液滴充分接触、混合。在这里，油烟气体充 当载气的作用，把雾化液滴承载运输到净化塔内，作下一步净化。油烟和雾滴气 液混合相通过缩窄的管道以较快的流速喷入净化塔的底部。由于净化塔的塔径比 窄管大好几倍，混合相的流速迅速缓和。缓慢的流速为“云”物理作用提供条件。 随着混合相的缓慢上升，“云”物理作用不断急剧，液滴粒径不断变大，最后在 1 9 广东i ：业大学i ：学硕十学位沦文 净化