利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟的方法与装置

摘要

本发明公开一种利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟所含颗粒物和挥发性有机化合物的方法与装置。该方法让油烟依次通过低温等离子体反应区和催化反应区，油烟所含挥发性有机化合物在低温等离子体反应区被部分氧化，并在催化反应区进一步被氧化。在低温等离子体反应区的前段，交替布置的正负极性高压放电使油烟所含颗粒物分离去除或荷电；在低温等离子体反应区的过渡段，带正电荷和负电荷的颗粒相互靠近并凝并长大；在低温等离子体反应区的后段颗粒继续凝并长大被捕集分离。本发明增加了高效净化挥发性有机化合物功能；去除油烟所含颗粒物的效率更高；可实现常温运行，抗玷污能力强，特别适用于各类食堂、酒店和宾馆等公共场所的餐饮油烟处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种餐饮油烟净化方法与装置，属于环境保护技术领域。更具体地说，涉及一 种利用低温等离子体与催化剂的协同作用，既去除餐饮油烟所含颗粒物，又去除餐饮油烟所 含挥发性有机化合物，并防止臭氧二次污染的方法与装置。

背景技术

中国烹饪方式以炒、炸、煎、烹为主，在烹饪过程中产生大量油烟，其组成包括油脂、 热氧化和热裂解产物以及燃料燃烧产生的烟气，污染物包括细颗粒物和气态挥发性有机化合 物，而且具有易凝结、黏附性强的特殊性质。其排放特点是数量多且分散、单点排放量不大 但排放高度低。随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，餐饮业规模和数量得到快 速发展，对城市PM₂.₅的贡献也不断增加，成为仅次于工业和交通的第三大城市大气污染源。

为了解决餐饮油烟带来的环境和社会问题，国家环境保护“十二五”规划明确指出，要加 强餐饮油烟污染控制。环保部公布的《环境空气细颗粒物污染防治技术政策》也提出，通过 控制烹饪油烟、烧烤和炉灶烟雾污染，以减少PM₂.₅排放。国务院和北京市均已发布大气污染 防治行动计划，其任务之一就是加强餐饮油烟污染控制。要求饮食服务经营场所必须安装油 烟净化设施。同时，征收餐饮油烟排污费也已提到议事日程。

实际上，我国上世纪80年代餐饮油烟净化技术和设备开始萌芽。2000年前后，生产企 业迅速发展并初具规模。不过，现有净化设备主要针对油烟所含颗粒物，所采用的净化方法 包括静电分离、机械过滤、蜂窝集油、液体洗涤及其复合方法等。到目前为止，也有很多现 有技术公开了针对油烟所含颗粒物的去除方法。然而，现有技术一方面仅能解决油烟所含颗 粒物，而且净化效率不限。另一方面，尚未见既高效净化油烟所含颗粒物又高效净化挥发性 有机化合物的报道。实际上，餐饮业排放的挥发性有机化合物不仅直接危害人体健康，也是 光化学烟雾、二次细颗粒物和温室效应的前体物质，必须加以重视。

发明内容

本发明是在分析餐饮油烟污染物类型和特征的基础上，提出了一种与油烟所含多种污染 物(包括黏性颗粒物、挥发性有机化合物和水分)相适宜的、能够净化油烟所含多种污染物， 并防止二次污染的方法与装置，以便适宜未来越来越严格的餐饮油烟排放标准。在投资和运 行费用相对较低的前提下，实现烟气的全面净化。

本发明提供的利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟污染物的方法通过以 下方案实现：油烟首先通过低温等离子体反应区的前段，利用交错布置的正负极性高压放电 使油烟所含部分颗粒荷电、定向运动，并沉积在第一接地极或第一放电极和第二放电极上； 部分颗粒仅荷上正电荷或负电荷但未沉积到第一接地极或第一放电极和第二放电极上。自低 温等离子体反应区的前段排出的油烟进入中间段，在该区域内带正电荷与带负电荷的颗粒相 互靠近并凝并长大。接着，油烟进入低温等离子体反应区的后段，在该区域，凝并长大的颗 粒又荷电、定向运动，并沉积在第二接地极或第三放电极上。与此同时，在低温等离子体反 应区高压放电产生的强氧化性物种会部分氧化油烟所含挥发性有机化合物。所述的低温等离 子体反应区采用平板、圆筒蜂窝体或多边形蜂窝体作为第一接地极或第二接地极；锯齿线、 针形线、星形线、芒刺线或串接齿轮线作为第一放电极或第二放电极或第三放电极。在低温 等离子体反应区的前段交错布置的两种放电极（第一放电极和第二放电极）施加的电源极性 相反；后段第三放电极与前段两个放电极（第一放电极和第二放电极）之一并联后连接到同 一高压电源（第一高压电源或第二高压电源）上。所述高压电源供电方式包括直流高压、直 流叠加高频交流或直流叠加高频脉。其中正直流电压为6kV至15kV，负直流电压为6kV至 18kV。

流出低温等离子体反应区后段的油烟进入催化反应区，在催化剂表面，借助低温等离子 体反应区高压放电产生的O₃和其它氧化性粒子，可在室温条件下氧化油烟所含挥发性有机化 物（包括在等离子体反应区部分氧化的挥发性有机化合物）为二氧化碳和水。所述催化剂组 成不仅满足催化氧化有机化合物的技术需要，而且满足简便、经济地对催化剂进行加热再生 的技术需求，所述催化剂的加热再生采用的加热方法包括电加热、微波加热或红外加热。基 于这样的目的和应用需求，催化剂采用浸渍、溶胶-凝胶或共沉淀方法制备，载体材料为Al₂O₃或TiO₂；掺杂SiC、ZrO₂、CeO₂、SiO₂或La₂O₃中的一种或多种作为助催化剂，掺杂量为10wt.% 至20wt.%；活性组分是Mn氧化物、Cu氧化物、Fe氧化物、Co氧化物和Ni氧化物中的一 种或多种，活性组分负载量（按金属元素占催化剂质量比计）为2%至8%。为了降低气阻， 催化剂需制备成蜂窝状。

需要说明的是，在低温等离子体反应区实现油烟所含颗粒物100%去除和有机化合物完全 氧化都是不经济的。因此，一方面，室温条件下有机化合物的矿化（即氧化为终态产物二氧 化碳和水）主要发生在催化反应区。另一方面，极少量细颗粒物会进入催化反应区，其中的 一部分又沉积在催化剂表面，从而劣化催化剂性能。为了防止沉积在催化剂表面的颗粒造成 催化剂活性严重劣化，需要适时对催化剂进行再生处理，具体方法包括微波加热再生、红外 加热再生和电加热再生。

与传统的方法相比，本发明提出的利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟 的方法与装置，有如下有益效果：

1.既去除油烟所含颗粒物，又去除油烟所含挥发性有机化合物；

传统的静电分离、机械过滤、蜂窝集油、液体洗涤及其复合方法以分离去除油烟所含颗 粒物为目标，不具备净化油烟所含挥发性有机化合物的功能，或者即使有一定作用，净化效 率也很低。未来餐饮油烟排放控制必然既包含颗粒物，又包含挥发性有机化合物。本发明既 能净化油烟所含颗粒物，又去除油烟所含挥发性有机化合物，因而可满足日趋严格的排放控 制要求。

2.净化油烟颗粒物的效率更高；

传统的静电分离、机械过滤、蜂窝集油、液体洗涤及其复合方法在投资和运行费用合理 的前提下，很难达到95%以上的油烟颗粒物分离净化效率。未来餐饮油烟排放控制必然提出 更高的颗粒物排放控制要求。本发明通过交替布置正负高压放电，增加细颗粒物凝并长大功 能，可实现油烟颗粒物去除效率达到95%以上，而且处理费用不会因此增加。

3.节省占地，降低投资和运行费用；

传统净化挥发性有机化合物方法主要包括吸附、催化燃烧和热力燃烧等。其中，吸附法 通常采用活性炭作为吸附剂，由于餐饮油烟含有黏性气溶胶颗粒，会造成活性炭吸附剂再生 困难。催化燃烧和热力燃烧需在高温度下进行，而餐饮油烟是间歇产生的，频繁开关加热必 然带来能耗高的问题。利用低温等离子体与催化剂的协同作用，一方面可使净化处理在常温 下进行，只在再生催化剂时辅以短时间加热处理，因而加热能耗低。另一方面，协同利用低 温等离子体气相氧化挥发性有机化合物和在催化剂表面氧化有机物种的作用，可进一步降低 能耗。

4.催化分解臭氧，不会形成二次污染；

传统的餐饮油烟静电处理技术不仅只能脱除油烟所含颗粒物，而且会产生高浓度的臭氧， 造成臭氧污染。由于餐饮油烟气体净化后大多低空排放，这种污染的不利影响更显著。利用 低温等离子体与催化剂的协同效应，借助催化剂分解臭氧为寿命短暂、但氧化性更强的氧物 种，不仅可利用后者的强氧化性矿化油烟所含有机污染物为二氧化碳和水，而且可避免臭氧 外排引发的二次污染。

附图说明

图1为本发明提供的餐饮油烟净化系统结构示意图；

图2为本发明中利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟净化器的结构示意 图；

图3A～3E为本发明中的放电极结构示意图，分别为串接齿轮放电线、星形线、芒刺放电 线、针状放电线和锯齿放电线；

图4A和图4B为本发明中的接地极结构示意图，分别为圆筒蜂窝体和多边形蜂窝体。

图中：

1.吸烟罩；       2.弯管；             3.第一阻火器；      4.净化器前管道；

5.净化器；       6.风机前管道；       7.第二阻火器；      8.风机；

9.烟囱；         501.绝缘子；         502第一高压电源；   503.第二高压电源；

504.催化剂；     505.再生加热装置；   506.第一放电极；    507.第一接地极；

508.第二放电极； 509.过渡段；         510.第三放电极；    511.第二接地极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟的系 统，所述系统包括烟罩1、弯管2、第一阻火器3、净化器前管道4、净化器5、风机前管道6、 第二阻火器7、风机8和烟囱9，上述各部分自厨房烹饪灶台开始顺次连接，并且各部件之间 固定连接和密封。餐饮油烟借助烟罩1捕集，并通过弯管2、第一阻火器3和净化器前管道4， 送至净化器5入口，净化后通过风机前管道6、第二阻火器7送至风机8，最后通过烟囱9排 空。上述烟气行走的动力均来自于风机8。

如图2所示，所述的净化器5为整体式结构，包括第一高压电源502、第二高压电源503、 绝缘子501、低温等离子体反应区前段第一放电极506、低温等离子体反应区前段第二放电极 508、低温等离子体反应区前段第一接地极507、中间段509、低温等离子体反应区后段第三 放电极510、低温等离子体反应区后段第二接地极511、催化反应区催化剂504和催化反应区 再生加热装置505。

油烟从图2中左侧进入净化器5后，首先，通过低温等离子体反应区的前段，第一高压 电源502和第二高压电源503的高压引线穿过绝缘子501分别连接到交错布置的第一放电极 506和第二放电极508上，在高压电场作用下，油烟所含部分颗粒荷电、定向运动，并沉积 在第一放电极506、第二放电极508或第一接地极507上；在低温等离子体反应区前段，部 分颗粒仅荷上正电荷或负电荷但未沉积分离出来。自低温等离子体反应区的前段排出的油烟 进入中间段509，在该区域内带正电荷与带负电荷的颗粒相互靠近并凝并长大。接着，油烟 进入低温等离子体反应区的后段，在该区域，凝并长大的颗粒又荷电、定向运动，并沉积在 第三放电极510或第二接地极511上。与此同时，低温等离子体反应区高压放电产生的强氧 化性低温等离子体会部分氧化油烟所含挥发性有机化合物。

如图3A～3E所示，所述的第一放电极506、第二放电极508和第三放电极510的结构采 用串接齿轮线、星形线、芒刺线、针形线或锯齿线中的一种或两种以上。在低温等离子体反 应区的前段交错布置的第一放电极506和第二放电极508分别连接到第一高压电源502或第 二高压电源503；第一放电极506和第二放电极508的结构可以相同，也可以不相同。第三 放电极510与第二放电极508并联后连接到同一高压电源上；第三放电极510与并联连接的 第二放电极508结构相同。

如图4A和图4B所示，低温等离子体反应区的接地极为平板、圆筒蜂窝体或多边形蜂窝 体，低温等离子体反应区前段第一接地极507与低温等离子体反应区后段第二接地极511的 结构完全相同。

所述第一高压电源502和第二高压电源503极性相反，电压波形为直流高压、直流叠加 高频交流或直流叠加高频脉冲，其中，正直流电压为6kV至15kV，负直流电压为6kV至18kV。

通过低温等离子体反应区的油烟紧接着进入催化反应区。在催化反应区的催化剂504表 面，O₃会分解为氧化性更强的氧物种，并进一步氧化油烟所含未完全氧化的有机物种，包括 油烟所含原始挥发性有机化合物和被低温等离子体部分氧化后产生的有机产物，使他们矿化 为二氧化碳和水。

随着使用时间的延长，催化剂504表面会出现被餐饮烟气中所含颗粒污染的现象。为了 确保催化剂504的活性，当这种现象比较明显时（一般目测进行判断即可；也可以根据使用 情况，定期进行处理），要采用加热方法对催化剂504进行再生处理。此时，可打开再生加热 装置505，在加热催化剂504的同时，黏附的有机物也被催化氧化，从而确保再生气体不含 有机化合物。采用的加热方式包括微波加热、红外加热、电热丝或电热管加热。

实施例1：

低温等离子体反应区第一放电极506、第二放电极508和第三放电极510均采为锯齿形， 第一放电极506连接第一高压电源502，为负极性的直流高压电源，放电电压为-12kV；第二 放电极508和第三放电极510连接第二高压电源503，为正极性的直流高压电源，放电电压 为+11kV；第一接地极507和第二接地极511均为板状。催化剂载体为TiO₂；掺杂SiC和La₂O₃作为助催化剂，掺杂量分别为8wt.%和6wt.%（质量百分含量）；活性组分为锰氧化物，元素 锰占催化剂504的质量百分数为5wt.%；采用微波加热实现催化剂再生。利用基于这种配置 的餐饮油烟净化器处理某大学食堂餐饮油烟，处理气量为12550m³/h。检测结果表明，对油烟 所含颗粒物的去除效率高于96.9%，挥发性有机化合物去除效率高于80%。处理后细颗粒物 浓度低于0.93mg/m³，挥发性有机化合物浓度低于11.5mg/m³，出口臭氧浓度低于11.6mg/m³。

实施例2：

低温等离子体反应区第一放电极506为针尖形，第一放电极506连接第一高压电源502， 为正极性的直流高压电源，放电电压为+6kV；第二放电极508和第三放电极510均为芒刺形， 连接第二高压电源503，为负极性的直流高压电源，放电电压为-6kV；第一接地极507和第 二接地极511均为板状。催化剂载体为Al₂O₃；掺杂ZrO₂和SiO₂作为助催化剂，掺杂量分别 为5wt.%和5wt.%；活性组分为铜氧化物，铜占催化剂504的质量百分数为8wt.%；采用红外 加热实现催化剂504再生。利用基于这种配置的餐饮油烟净化器处理某大学食堂餐饮油烟， 处理气量为18510m³/h。检测结果表明，对油烟所含颗粒物的去除效率高于98.1%，挥发性有 机化合物去除效率高于82%。处理后细颗粒物浓度低于1.02mg/m³，挥发性有机化合物浓度 低于9.4mg/m³，出口臭氧浓度低于9.4mg/m³。

实施例3：

低温等离子体反应区第一放电极506为星形，第一放电极506连接第一高压电源502， 为负极性直流电源，放电电压-18kV；第二放电极508和第三放电极510均为串接齿轮形（每 个齿轮上均布六个齿），连接第二高压电源503，为正极性直流叠加高频交流电源，其中，正 极性直流工作电压为+15kV；第一接地极507和第二接地极511均为六边形蜂窝体。催化剂 载体为Al₂O₃；掺杂SiO₂作为助催化剂，掺杂量为质量百分含量20wt.%；活性组分为锰氧化 物和铜氧化物，锰占催化剂504的质量百分数为3%、铜占催化剂504的质量百分数为2wt.%； 采用红外加热再生催化剂。利用基于这种配置的餐饮油烟净化器处理某餐馆餐饮油烟，处理 气量为8610m³/h，检测结果表明，对油烟所含颗粒物的去除效率高于97.2%，挥发性有机化 合物去除效率高于83%。处理后细颗粒物浓度低于0.98mg/m³，挥发性有机化合物浓度低于 16.2mg/m³，出口臭氧浓度低于6.9mg/m³。

实施例4：

低温等离子体反应区第一放电极506为串接齿轮形（每个齿轮上均布四个齿），第一放电 极506连接第一高压电源502，为负极性直流电源，放电电压-8kV；第二放电极508和第三 放电极510均为串接齿轮形（每个齿轮上均布四个齿），连接第二高压电源503，为正极性直 流叠加脉冲电源，其中，正极性直流工作电压为+7kV；第一接地极507和第二接地极511均 为圆筒形蜂窝体。催化剂载体为TiO₂；掺杂CeO₂和La₂O₃作为助催化剂，掺杂量分别为14wt.% 和3wt.%；活性组分为铁氧化物和钴氧化物，分别占催化剂504的质量百分数的6wt.%和2wt.%； 采用电热丝加热再生催化剂。利用基于这种配置的餐饮油烟净化器处理某餐馆餐饮油烟，处 理气量为6640m³/h，检测结果表明，对油烟细颗粒物的去除效率高于96.6%，挥发性有机化 合物去除效率高于85%。处理后细颗粒物浓度低于0.76mg/m³，挥发性有机化合物浓度低于 13.8mg/m³，出口臭氧浓度低于7.3mg/m³。

实施例5：

低温等离子体反应区第一放电极506为芒刺形，第一放电极506连接第一高压电源502， 为负极性直流电源，放电电压-14kV；第二放电极508和第三放电极510均为针尖形，连接第 二高压电源503，为正极性直流叠加高频交流电源，其中，正极性直流工作电压为+12kV；第 一接地极507和第二接地极511均为板状。催化剂载体为Al₂O₃；掺杂La₂O₃和CeO₂作为助 催化剂，掺加量分别为8wt.%和10wt.%;活性组分为铁氧化物和镍氧化物，铁和镍占催化剂的 质量百分数分别为5wt.%和2wt.%；采用微波方法加热再生催化剂。利用基于这种配置的餐 饮油烟净化器处理某宾馆餐饮油烟，处理气量为18400m³/h，检测结果表明，对油烟所含颗粒 物的去除效率高于95.6%，挥发性有机化合物去除效率高于82%。处理后细颗粒物浓度低于 0.78mg/m³，挥发性有机化合物浓度低于15.1mg/m³，出口臭氧浓度低于9.2mg/m³。

实施例6：

低温等离子体反应区第一放电极506为星形，第一放电极506连接第一高压电源502， 为负极性直流电源，放电电压-12kV；第二放电极508和第三放电极510均为串接齿轮形，连 接第二高压电源503，为正极性直流叠加脉冲电源，其中，正极性直流工作电压为+11kV；第 一接地极507和第二接地极511均为六边蜂窝体。催化剂载体为Al₂O₃；掺杂SiC和SiO₂作 为助催化剂，掺加量分别为13wt.%和5wt.%；活性组分为锰的氧化物，锰占催化剂504的质 量百分数为3wt.%，采用红外加热再生催化剂。利用基于这种配置的餐饮油烟净化器处理某 宾馆餐饮油烟，处理气量为11300m³/h，检测结果表明，对油烟细颗粒物的去除效率高于96.5%， 挥发性有机化合物去除效率高于86.4%。处理后细颗粒物浓度低于0.87mg/m³，挥发性有机化 合物浓度低于8.5mg/m³，出口臭氧浓度低于6.8mg/m³。