2.1.3 静电式捕集方法
静电式捕集方法的工作原理是以高压直流电在两极间产生电晕放电[20][21]，含尘油烟粒子通过该空间时，粒子被强制荷电，荷电粒子在库仑力作用下向极板运动并被极板所捕集。在电晕放电极的窄小区域内气体分子被电离而离子化，正离子向电晕极运动而被中和，负离子在向集尘极运动过程中撞击油烟粒子而使其荷电，荷电粒子在电场作用下向集尘极运动而被收集。
对于静电式捕集方法，我们要了解包括电场强度和电晕放电、油滴粒子的荷电、荷电粒子在静电场中的运动等捕集理论。
1. 电场强度
由电工学理论知,对于两同轴圆柱体间的电场强度为:
（2-2）
式中 V-- 两圆柱体间电压；r1-- 极线的半径；r2-- 圆筒的半径。
通常在自由空间中，由于宇宙辐射，每立方厘米气体中有大约1000个自由电子，它们在极线附近较大的位势梯度作用下急剧加速，撞击气体原子或气体分子，如果自由电子的速度充分大，撞击的结果产生新的自由电子和正气体离子，自由电子被气体吸收而产生负气体离子，这种雪崩过程连续发生在极线附近的区域中，此区域称为电晕区或离子化区，其中正离子被放电极线吸收，负离子在电场作用下离开电晕区而流向收集极，形成电晕电流。电晕所需要的最小电压称为电晕起始电压，电晕起始电压须由实验确定。
2. 油滴粒子的荷电
通过电晕放电，油滴粒子可以荷电达到饱和，机理有两种，第一种是电场中的离子撞击粒子而荷电，称为场荷电。另一种即是离子向粒子的扩散，称为扩散荷电。场荷电过程对于粒径大于0.5μm的粒子占优势，对于粒径小于0.2μm的粒子扩散荷电占优势，而对于0.2-0.5μm的粒子，两者都起一定作用。
3. 荷电粒子的运动
荷电粒子在静电场中的运动速度正比于库仑力的大小，因而也正比于粒子电荷与场强的积，即速度可按下列微分方程计算：
(2-3)
式中 m -- 粒子的质量；w -- 粒子的驱进速度；a -- 粒子的半径；μ-- 气体粘性系数。
4. 荷电粒子的沉降
静电场中气流的流动状态原则上可以是层流也可以是紊流。但在工业除尘器中,气流的流动状态均属紊流,层流状态只有在实验室中的实验设备上才可能存在。
层流状态下荷电粒子在静电场中的沉降模式为：设收集部分为一管状，d为两板间距，含有单一粒子的气溶胶穿过管道，如图2-1，在高压电极附近的粒子必须运动一距离d到达接地电极而被收集，粒子的驱进速度w与气流方向垂直，在t=d/w时间内处于高压电极附近的粒子运动到收集极（接地电极），而相应的管长L应为：
（2-4）
由上式给出的管长可以收集粒子驱进速度大于w的所有粒子，对于驱进速度为w的单一粒子，上述条件将有100%的收集效率，对于非均一粒度分布的粒子，应按需要的收集效率来设计管长。
5. 电净化器的结构型式
静电净化器是由设备的密封罩或排风管作极板，中间悬挂一根电晕线，通以高压直流电源，在几万伏或十几万伏的高压静电场中，气体被电离成电子和离子，电子与离子碰到尘粒，使其带电，其中绝大部分是带负电，这些带负电的尘粒在电场力的作用下趋于正极，并放出电子。静电净化器供电电压较高，一般为150-200KV。
高压直流电源是静电净化器的主体部分，包括整流变压器和控制箱两部分，为了适应不同的异极间距，国内生产的变压器电流均为10mA。控制箱起操作、控制调压和过流过压保护作用。高压直流电源有自耦变压器、手动调压过流保护和可控硅自动调压保护两种形式。
电净化器的构造还取决于被净化烟气的成分和性质、操作工艺条件、烟气含尘浓度、尘粒颗粒分散度及其形状、压力、温度、湿度以及所必须达到的净化效率等等。根据阴极线和阳极板在电净化器中的配置位置分为两大类，即：
a.单区（级）电净化器
在这一类电净化器中，粒子的荷电和捕集是在同一个区域中进行的，即电晕系统和沉降系统都在这一个区域里。工业烟气净化多用这种电净化器。
b.双区（级）电净化器
在这种电净化器中，尘粒的荷电和沉降是在结构不同的两个区域中进行的，在第一个区域中安装着电晕电极，第二个区域中安装着沉降电极，前者进行尘粒的荷电，又称电离器，后者进行着集尘，因此又称为集尘器。
单区电净化器，按其结构的不同又可分成很多类型。如按清理方式可分为干式净化器和湿式净化器，油烟净化一般用湿式净化器。在湿式电净化器中，沉降在阳极板上的尘粒用水冲洗，在沉降极板上形成一层水膜，尘粒无反电晕现象。所以，净化效率较高，但存在烟气腐蚀问题及洗涤水的处理问题。
单区电净化器，按气体在净化器中的流动方向又可分为立式净化器和卧式净化器。
立式净化器一般用于气体流量小，规格较小的情况。其特点是占地面积小，但易造成二次污染。
卧式净化器的特点是：（1）沿气流方向分为若干个电场，可以分场供电，这样能延长尘粒在电场内的停留时间，从而提高净化效率。（2）可根据需要的净化效率，任意增加电场长度。（3）在处理的烟气量较大时，容易保证气流沿断面均布 。（4）设备安装的标高较低，设备的维护、检修比较方便。卧式电净化器的缺点是占地面积大。
按沉降电极的结构形式，单级电净化器还可分为管式和板式两种。管式电净化器具有直立的气体信道，气体通过截面呈圆形、六角形或方形的管式沉降电极，沉降电极装在架子上或严密的壳体内。管子的直径为200-300毫米，长3000-5000毫米。沿管子的轴线安装截面呈圆形、星形或其它形状的电晕电极。它的上端和下端用框架固定，框架对壳体沉降电极绝缘。通常上面的框架固定在置于设备外面的绝缘子上，下面的框架悬挂在电晕电极上。管式电净化器通常用于油烟净化。而板式电净化器具有板式沉降电极，板间距离为250-300毫米。电晕电极安装在板的中间，固定在框架上。
电净化器本体的主要部件包括：电极系统、清理系统、排尘设备、烟道系统（引入、分布和排出信道部件）及绝缘箱（即将高压直流电源引入电除尘器的部件）。
a.电极系统
这是电净化器的核心部分。电晕电极和沉降电极的结构型式及它们的合理匹配，能够降低造价、提高净化效率，因此，电极系统成为国内外经常研究的重要课题。关于电极的具体结构特点，摘要介绍如下。
（1）电晕电极
电晕电极决定了放电的强弱，因而直接影响到净化效率。另外电晕电极的安全运转也决定了整个电净化器的可靠性。所以，它是电净化器中重要的构件之一。它可分为多种型式：如a.星形；b.圆形；c.芒刺形；d.锯齿形；e.刀状；f.弹簧线型等。
电晕线的固定方式，在很大程度上能保证放电极的安全运行。其基本结构有两种：一种是用直径为25-40毫米的钢管制成的整体排架，排架两侧用拉条连接，形成一整体框架；另一种是重锤式框架，放电极是在上部框架上自由悬吊，下部用重锤拉紧。前者刚度好，不易断线，工作可靠。在制造电晕线的固定框架时，既要考虑足够的强度和刚度，又要使电晕电极有良好的放电性能，获得最大的驱进速度。
（2）沉降电极
沉降电极直接影响净化效率及金属的消耗量。沉降电极板一般采用普通炭钢板轧制成型，钢板厚1.2-2毫米，极板形式有平板、波纹、网状、鱼鳞式、棒帏式等多种形式。
沉降极板通常用四个指针进行评价，最主要的是极板是否具有良好的电气性能，即表现在极板表面上的电场强度及电流密度的均匀性如何。
b.外壳、烟道及清理系统
电净化器的外壳一般有砖砌、混凝土和钢结构三种。砖砌结构简单，但密封性不好；混凝土结构较砖结构好，一般不用保温，但施工麻烦；钢结构密封性好，安装方便，但耗钢材较多。
烟道指的是烟气进入和排出电净化器的信道。由于电净化器内气流分布的均匀性对净化效率有很大的影响，因此通过改变烟道而改善气流分布的均匀性，可将净化效率由80％或90％提高到99％以上。
电极是否洁净，直接影响到净化效率，电晕电极经常处于污垢状态，会造成电极肥大，从而减弱电晕放电，使净化效果恶化。
6. 静电式捕集方法的非稳定过程
荷电粒子在静电场中沉降的机理十分复杂，前面所讨论的是一种简化了的数学模型，即：
a.粒子是球型的，而且相同粒径的粒子有相同的荷电量；
b.忽略粒子间的相互影响；
c.电场强度与气体离子浓度在任一粒子附近是均匀的；
d.进入静电场的气流速度是均匀的；
e.在收集区域内没有其它干扰，如冲刷以及反电晕现象等；
f.粒子运动到收集极后，即认为该粒子已被收集；
但实际并不如此，粒子既不是球形的，也不完全带有相同的电荷，电场强度、气体离子浓度、气流速度等也不是均匀的，而且在收集区域会有很多干扰因素。由于油烟粒子具有很强的粘附性，如果净化过程中电压不高，油烟气中的油雾粒子不能被击穿炭化而只是被静电吸附,会导致集电极上粘附很多油烟粒子，形成一层黄色油雾沉淀物。集尘极也不能采用机械振打的方式清理油污的，因而粘附在集尘极上的油污只能是越积越多，从而影响电场强度及净化效果。有一种比较好的方法是采用湿式静电净化法，它可以减少集电极上油污的聚集，增强净化效果。
7. 电净化器的净化效率
（2-5）
电净化器净化效率可由上式计算：
式中a0 – 沉降极总面积（m2）；ω – 驱进速度（m/s）；Q – 气体总流量（m3/h）。
式（2-5）是基于以下稳定假设的：
（1）电净化器中的气流为紊流养成，通过各截面的尘粒是均布的；
（2）尘粒所受的气流阻力处于粘性流范围；
（3）忽略电风、气流速度不匀、气流分布不均等因素影响。
然而实际情况是很复杂的，在运行中各种因素都在不同程度地发生作用。因此以上公式只能作为设计时的理论依据，实际操作中要按允许的出口排放量来确定净化器必须达到的效率，从而确定驱进速度值。
8. 影响电净化效率的因素
影响电净化效率的因素很多，可归纳为四个方面：一是气体参数，即气体温度、湿度、流量和流速等；二是尘粒因素，包括浓度、颗粒分散度、粘附力等；三是结构因素，包括电晕电极形式、直径及数量、沉降电极形式与面积、电极间距、电场长度或个数、供电方式等；四是操作条件，包括操作电压、比电流值、电极干净程度、气体压力等。
a.气流速度的选择
由基本效率公式可知，气流速度的增加，会导致净化效率的降低，因此在选取气流速度时必须考虑以下问题：
（1）尘粒必须首先在电场中荷电，这就决定了气流速度的上限不应使尘粒在净化器内的有效区内停留时间少于1-2秒，否则尘粒便不能全部荷电。
（2）尘粒从沉降极板表面开始脱离时电场内气流速度有个临界值，只有当气流速度在此临界值以下时，已沉降的尘粒才不会再次回到气流中去。
b.含尘浓度与尘粒分散度
在洁净烟气中，电场内有三种粒子，即电子、正气体离子和负气体离子，这些粒子在电场力作用下发生运动即表现为电场的电流。含尘气体通过电场时，一部分电子和离子由于碰撞或扩散与尘粒结合，这样电场中就包含有五种带电粒子，即电子、正气体离子、负气体离子、正带尘离子和负带尘粒子。五种粒子所占的比例随烟气含尘浓度变化而异。尘粒浓度增大时，电流逐渐减小。当含尘浓度达到某一极限值时，通过电场的电流渐趋于零，这种现象称为电晕封闭，净化效率等于零。
在设计或选用电净化器时，预先知道尘粒的分散度，就可以根据电净化器适用的粒度范围确定是否需要加装前置净化设备，以及是否会发生电晕闭塞等。电净化器的粒度适用范围在0.01-80微米。
c.高压供电设备
高压供电设备是提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流的设备。为满足现场需要，供电设备操作必须十分稳定，通常高压供电设备的输出峰值电压为70-100KV。对于静电净化器，高压电源不能太大，必须分组供电。
9. 目前静电式捕集厨房油烟方法的特点
目前用静电捕集法捕集厨房油烟的应用较为广泛如图2-5。
图2-5 静电式油烟净化处理流程
其优点是：
a.阻力小，净化效率高，只要应用合理，可以达到国家标准；
b.可以处理的烟气量大；
c.结构简单、操作方便，可以实现自动控制。
缺点是：
a.目前国内普通使用的油烟静电处理净化器，其工作电压在10万伏左右，不能使油烟气体中的油雾击穿炭化而只是依靠静电吸附形成一黄色油雾沉积物，影响油雾净化效果；
b.一次性投资费用高，制造安装费用也较高；
c.电场维护要求较高，极板被油污粘附后不易清洗；
d.对有害气体的吸附能力差，对火烟中的碳黑清除效果不好。
新型电净化器是朝着超高压（工作电压大于20万伏）、宽间距方向发展。但油烟粒子是气流在高温高速度的条件下，经过氧化热解等多种复杂反应后生成的，对静电吸尘极有一定的粘附力，在高温作用下，虽有一些成分在极板上挥发，但附着在极板上的粘性较大的胶体或胶状混合物不但会腐蚀极板，影响净化效果，挥发物还将了；生成二次污染。
图2-6 静电式油烟净化器
2.1.4 洗涤式捕集方法
使含尘气体与水或其它液体相接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用而捕集尘粒，这就是洗涤式捕集方法。当含尘气体冲击到湿润的器壁时，尘粒被器壁所粘附，或者当气体与喷洒的液滴相遇时，液体在尘粒质点上凝集，增大了质点的重量，而使之降落。在湿式捕集方法中，气体与液体的接触方法有两种，一种是气体与水膜或已被雾化了的水滴接触，象文氏管除尘器、水膜除尘器、喷淋式除尘器等即属这一种；另一种是气体冲击水层时鼓泡，以形成细小的水滴或水膜，如冲击式除尘器、自激式除尘器等。湿式捕集方法的原理有些与惯性、旋风和袋式过滤的原理有共同之处，但又有其特殊性。
2.1.4.1 湿式捕集过程
1. 惯性碰撞
尘粒和水滴之间的惯性碰撞是最基本的捕集作用，对尺寸在0.3μm以上的尘粒而言，尘粒与水滴的碰撞效率取决于尘粒的惯性。气流在运动过程中如果遇到障碍物（如水滴）会改变气流方向，绕过物体进行流动。其中细小的尘粒随气体一起绕流，运动轨迹由直线变为曲线。粒径和重量较大的尘粒具有较大的惯性，使脱离气流的流线保持直线运动，从而与水滴相撞。如果从脱离流线到停止运动，尘粒移动的距离大于尘粒脱离流线的点到水滴的距离，尘粒就会和水滴碰撞而被补集。
2. 扩散
对粒径在0.3 
以下的尘粒,扩散是一个很重要的捕集因素。此时，在气体分子的撞击下，微粒象气体分子一样，作复杂的布朗运动，在运动过程中，尘粒和水滴接触而被捕集，因布朗运动而引起的尘粒捕集率为准数 
的函数。
（2－6）
式中 
扩散系数（cm2/s）。
3. 粘附
与过滤式捕集方法中的粘附作用相似，当尘粒的半径大于尘粒中心到水滴边缘的距离时，则尘粒被水滴粘附而被捕集。
4. 扩散飘移和热飘移
如果饱和蒸汽与冷的液体表面接触，其中的饱和蒸汽会在冷的液滴表面凝结，这时会产生一个力，促使微小尘粒向液滴移动，并沉降在液滴上。如果有液滴蒸发，则微小尘粒会受到液滴的排斥。尘粒向液滴移动称为正扩散飘移，尘粒移开液滴称负扩散飘移。扩散飘移对微小尘粒的捕集是一个很重要的因素。
5. 凝集
凝集有两种情况，一种是以尘粒为凝结核，由于水蒸气的凝结使微小尘粒凝集增大；另一种是由于扩散飘移和热飘移的综合作用，使尘粒向液滴移动凝集增大，增大后的尘粒可用惯性的作用加以捕集。
2.1.4.2 湿式净化器
湿式净化器是使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置。湿式净化器可以有效地将直径为0.1-20μm的液态或固态粒子从气流中除去，同时也能脱除气态污染物。它具有结构简单、造价低、占地面积小、操作及维修方便和净化效率高等优点，能够处理高温、高湿的气流，将着火、爆炸的可能性减至最低。但采用温式净化器时要特别注意设备和管道腐蚀以及污水的处理问题。
在工程上使用的湿式净化器型式很多，可以从总体上将其分为低能和高能两类。低能湿式净化器的压力损失为0.2-1.5kPa，包括喷雾塔和旋风洗涤器等，在一般运行条件下的耗水量（液气比）为0.5-3.01,对10μm以上尘粒的净化效率可达90％-95％以上。高能湿式净化器的压力损失为2.5-9.0kPa，净化效率可达99.5％以上，如文丘里洗涤器等。
根据湿式净化器的净化机理，可将其大致分为七类：
1. 力喷雾洗涤器；
2. 旋风洗涤器；
3. 自激喷雾洗涤器；
4. 板式洗涤器；
5. 填料洗涤器；
6. 文丘里洗涤器；
7. 机械诱导喷雾洗涤器。
主要湿式洗涤器的性能、操作范围见表2-1。
表2-1 主要湿式洗涤器的性能、操作范围
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装置名称
|
气体流速(m/s)
|
液气比(1/m3)
|
压力损失(Pa)
|
分割直径(μm)
|
|
喷淋塔
填料塔
旋风洗涤器
转筒洗涤器
冲击式洗涤器
文丘里洗涤器
|
0.1-2
0.5-1
15-45
300-750(r/min)
10-20
60-90
|
2-3
2-3
0.5-1.5
0.7-2
10-50
0.3-1.5
|
100-500
1000-2500
1200-1500
-500-1500
0-150
3000-8000
|
3.0
1.0
1.0
0.2
0.2
0.1
|
2.1.4.3 湿式净化器的性能特点
和其它净化器相比，湿式净化器具有如下优点：
1. 在消耗同等能量的情况下，湿式净化器的净化效率要比干式的高，文丘里洗涤器对于小至0.1μm的尘粒仍具有很高的净化效率；
2. 湿式净化器适用于处理高温、高湿的含尘气体以及粘性大的尘粒。在这种情况下，采用干式净化器则往往要受到各种条件的限制；
3. 很多有害气体可以采用湿法净化，因此在这种情况下湿式净化器可以同时净化有害气体。为了更有效地净化有害气体，可以根据有害气体的性质选用其它液体（如化学溶剂）代替水；
4. 湿式净化器的结构简单，一次性投资低，占地面积少；
缺点有：
1. 从湿式净化器中排出的污水要进行处理，否则会造成二次污染；
2. 当净化有腐蚀性的气体时，化学腐蚀性转移到水中，因此污水系统要用防腐材料保护；
3. 在寒冷地区要防止冬季结冰。
2.1.5 各类油烟净化技术性性能比较
综上所述各类油烟净化技术各有其优缺点。
机械式捕集方法只对颗粒径较大的尘粒有效；用过滤材料处理油烟时压力损失较大；由于油烟粒子具有很强的粘附性，因此用静电式净化油烟时，会导致集尘极上粘附很多油烟粒子，集尘极也不能采用机械振打的方式清理油污，因而粘附在集尘极上的油污只能是越积越多，从而影响电场强度及净化效果；而洗涤式净化方法，喷头易堵，污水要进行有效的处理。
各类油烟净化技术性能比较见表2-2。
表2-2 部分国内常用的排油烟装置性能特点的比较
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类型
项目
|
机械式
|
活性炭箱
|
静电式
|
洗涤式
|
|
除油烟原理
|
折流（改变烟气流动方向）
|
粘附
|
电晕放电使含油
微粒荷电并
移向沉降电极
|
喷沐、水浴水膜
|
|
捕集效率
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30-50
|
60-75
|
85-90
|
75-85
|
|
油回收方法
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集油槽
|
无法回收
|
无法回收
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隔油池
|
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清洗方法
|
取下过滤
折板清洗
|
更换活性炭
|
取下极板清洗
|
自动清洗
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管道内容
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定期清洗
|
定期清洗
|
定期清洗
|
清洁
|
|
除臭率%
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0
|
30
|
60-80
|
40-60
|
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防火性能
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差
|
差
|
差
|
较好
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2.2 机械乳化净化方法的提出
在上节中通过对各种基本净化技术的总结，再加上对油烟特性的分析，可以看出单一一种净化技术的应用并不能达到对大、小颗粒都很理想的净化效果，单一的某一种油烟净化方法均有其不够完善的方面。若想提高油烟净化设备性能的稳定性，还要考虑用二种或二种以上的不同形式净化方法组合在一起的油烟净化装置，称复合式的油烟净化器。例如①机械过滤式，即是利用气流旋转，然后再经颗粒层过滤。②过滤静电式，这种方法是用较大网眼的丝网或挡板进行粗滤，以减小静电极板的负荷。
通过对多种净化方法的分析，受到在机械力作用下可以对较大的颗粒杂质进行净化分离的启迪，而且经过实验证明了油与水在机械力作用下可形成水包油型乳化液，在这样的情况下，本论文提出一种新式的复合式油烟净化方法——机械洗涤式净化方法，也称机械乳化净化方法。
乳化是两种互不相溶的液体，借乳化剂或机械力作用，使其中一种液体分散到另一种液体中而形成乳化液体[22][23][24]。油分散到水中称水包油型，水分散到油中称油包水型。本文在此基础上提出碰撞乳化加上洗涤净化的新型复合型油烟净化技术，以期达到理想的油烟净化效果。
机械乳化油烟净化方法以水淋风机为主要技术特征。它巧妙的利用了灶间排烟不可缺少的通风设备——风机来完成机械乳化的过程，即通过改变叶轮的结构与安装形式使风机实现了在水淋环境下运行，风机叶轮高速旋转，水将呈辐射状分布于叶轮上方，从而使气、液充分混合并乳化。
本技术充分利用了风机现有的特征与性能，拓展了风机的功能，使它与净化设备结合在一起，并在原有系统中发挥出更大的作用。关于风机在结构上的改进将在下一章的内容中详细论述。
