脱臭与除烟触媒技术在家电产品上的应用

作者：家电科技

欢迎访问e展厅 展厅 3 空调/风扇/热水器展厅 空调, 风扇, 电热器, 空气净化器, 加湿器, ... 1 引言 在日本，有两类家电产品一直受到家庭欢迎。一类是垃圾处理机，另一类是鱼类烧烤器。它们都一直具有稳定的销售市场。然而，许多研究表明：生活环境的臭气与垃圾处理机有直接关系，使用鱼类烧烤器时所产生的油烟和异味不但影响鱼类烧烤的质量，而且也有损于屋内的装饰和空气的质量。对此，我们首先要确定臭气和油烟的成分，然后根据类似降低汽车废气有害物浓义的原理，降低其中有害物的含量，以达到遏止异味和消除油烟的目的。 2 关于垃圾处理机的脱臭技术 2.1垃圾处理机 在日本，随着环境保护意识的提高，地方政府在对垃圾处理方面比较重视，2002年度日本对于垃圾处理机的投资，已达到1400~1700亿日元。垃圾处理机主要包括家用和企业用两大类别。作为普通家庭用产品，垃圾处理机主要有微生物分解式和干燥式两种。所谓干燥式是将垃圾搅拌的同时，还以130℃的温度吹风，以使垃圾干燥，体积变小。该机用1.75小时就可以处理0.7公斤的垃圾。处理后的垃圾，其体积仅为原来的七分之一，并可用做肥料。图1是垃圾处理机的断面图。（见图1） 2.2 干燥式垃圾处理机中产生的臭气 为了消除臭气，就必须了解由垃圾处理机中产生也来的臭气成分。我们将一定量的蔬菜、水果、鱼类、茶叶等构成的标准垃圾放入干燥式垃圾处理机中运转，并对其初期和后期所产生的垃圾进行分析。将0.7kg的垃圾放入垃圾处理机内进行1.75小时处理。然后用活性炭把处理初期和后期所产生的臭气收集起来，再用二硫化碳提取所收集的臭气成分，是后用气体色谱分离法（GC）将提取液放入色谱分离——质量分析仪（GC-MS）中进行分析。其结果表明，检验出的初期成分是乙醇、丙酮酸、2，3—二甲基戌烷。检出的后期成分是硫化甲基、二硫化甲基、蒎烯等，而水、二氧化碳、柠檬烯、丙酮以及其他化合物则始终存在。由此看出，与垃圾的臭气相比较，从处理机发散出来的臭气更多的是由高分子量的成分构成。这是由于垃圾在130℃的温度下，产生了新的成分的缘故。而硫化甲基、二硫化甲基的嗅觉阀值极低，这正是消除臭气的关键。 2.3 关于消除垃圾处理机产生臭气的技术 脱臭技术有直接燃烧法、臭氧氧化法、吸着法、药液清洗法、吸收法、生物接脱臭法等离子脱臭法以及触媒氧化法等。由于干燥式垃圾处理机产生的气体（以后简称处理气体）含水量有90%以上的水蒸汽，温度将100℃。因此，臭氧氧化法、吸着法、药液清洗法以及等离子法等都不适于在干燥式垃圾处理机上脱臭。而直接燃烧法的成本又很高，所以从成本和安全性两方面考虑，采用触媒氧化法处理臭气比较适合。 2.3.1 触媒体的研发目标 对于干燥式垃圾处理机的触媒体，有以下要求： ①脱臭性能好，耐久性强。其中，脱臭性能用硫化甲基的转化率来评价。基于这一评价基准，转化率的之目标应在99.5%以上。 ②能在水蒸汽环境下使用。烟灰等不应堵塞触媒体的小孔，使用温度应在200~800℃之间，耐久时间应在20000小时以上。 ③为了缩短垃圾的处理时间，触媒体的表面温度应有良好的上升特性。 ④成本比较低。 2.3.2 触媒体的基本构成 按照上述对触媒体的要求，进行了触媒体的开发。触媒体由触媒和载体构成，载体则由基本材料和内衣层组成，内衣层的表面附着触媒，从而构成触媒体。 由于使用温度为200~800℃，所以只能用于500℃的二氧化锰系列和陶瓷系列在这里是不能使用的，而在这一温度下可以使用的触媒，只能是白金和钯的混合物。为了防止结渣，有利于扩大表面积。触媒要与Y-氧化铝等以混合的形式附着在内衣层。载体基本材料可以选择烧结陶瓷、多层陶瓷纤维、蜂窝状金属、多孔金属及各种发泡物体等。考虑到处理气体的腐蚀作用、加工性能以及触媒体的快速升温特性等，要求材料热传导性好、热容量低，故基本材料选用高温耐腐蚀性的不锈钢板。 2.3.3 触媒体形状的研究 触媒体的基本构成决定之后，就要对触媒的最佳形状进行研究。因为触媒体的形状对于触媒体的表面温度上升、孔洞的堵塞、压力的损失都有很大的影响。此外，废气与触媒后分解，而后均匀扩散等连续而反复的过程都与触媒体的形状极为相关。 ①实验方法 分别对白金—钯的4种触媒载体进行比较，其中有颗粒数目相同的波纹状和网络状的触媒载体，不锈钢板制成的扩张网管触媒载体，螺旋状的触媒载体等。触媒体的体积均为94cm3。实验气体为硫化氨500ppm的空气，不含水蒸汽。空气流量为8L/min，空间速度（sv：空气流量/触媒体积）为5100h-1。触媒体用加热器间接加热。 下面对随着加热器输入功率的变化，加热器的温度和硫化氨的转化率作一下探讨。 ②实验结果 a. 转化率 各种触媒体的加热器温度与硫化氨转化率之间的关系见图2。当硫化氨转化率在99.5%以上时，加热器温度按逐渐增高的顺序依次为螺旋、波纹、网格、扩张管。其中螺旋状触媒体与扩张管状触媒体相差35℃，这是由于前者比后者热传导性能好的缘故。（见图2） 由加热器温度与触媒表面温度的关系来看，为达到99.5%以上的转化率，螺旋状触媒体中距离加热器最远的表面温度也要在250℃以上，平均温度在300℃以上。此时加热器的表面温度为350℃。而扩张管式网状触媒体，在同一转化过程中，为了得到相同的转化率，离加热器最远的表面温度也是250℃，平均温度也在300℃以上，则加热器的表面温度为700℃。此外，在相同的空间速度和相同的触媒体载体的表面积情况下，不管何种触媒体的形状，为了得到同样的转化率，触媒的表面温度是一样的。 b. 触媒体的升温特性 加热器向四周方向的热传导，在对触媒体间接加热的情况下，螺旋状的触媒体最为有效。作为触媒体的一个重要的因素，即触媒体的温升特性，以螺旋状的触媒体温升最快，其次是扩张管。螺旋状的触媒体在5分钟之内其表面温度就可以达到350℃。虽然扩张管状的比热容最小，小于6.7（J/K），但是其热传导性也必然差。波纹状和网格状的触媒体的比热容虽为47（J/K），但热传导性也不好。而螺旋状触媒体的比热容为17（J/K），其热传导性比扩张管网状触媒体更好，所以触媒体的温升更快。 c. 触媒体形状的确定 为了确保脱臭性能这一目标，从节能的角度看，应根据温升特性着重对螺旋状触媒体进行研究。 2.3.4 氧化浓度和水蒸汽浓度对脱臭性能的影响 现在就氧化浓度和水蒸汽浓度对废气中分解出来的臭气成分的影响进行研究。 2.3.4.1 氧化浓度的影响 ①实验方法 为了找到氧化浓度最差的条件，我们做以下的假设：取最低的处理空气量为0.6L/min，最大的水蒸汽发生量为6g/min，氧化浓度为1.0％。再将空气以氮气予以稀释，调节氧化浓度为1.0%，加入500ppm的硫化甲基，用这样的气体即可求到硫化甲基的转化率。处理的空气流量为6L/min。触媒体为螺旋状，空间速度为5000h-1。 ②实验结果 加热器功率、氧化浓度与硫化甲基转化率之间的关系见图3。当转化率为99.5%时，由氧化浓度对转化率的影响看，功率是20W，有25%的剩余。（见图3） 2.3.4.2 水蒸汽浓度的影响 ①实验方法 取处理空气量为0.6L/min，加入水范汽6g/min或3g/min，再加入150cm3/min（2%的浓度）的硫化甲基，以这样的空气作为试验气体。则水蒸汽为6g/min时，硫化甲基的浓度是340ppm，水蒸汽为3g/min时，是630ppm。触媒体是螺旋状，当水蒸汽为3g/min时，空间速度是5000h-1。 ②实验结果 实验结果如图3。如果以硫化甲基的转化率为99.5%以上作比较，在最大水范汽量加入6g/min的情况下，功率剩余为140W。平均水蒸汽量是3g/min时，功率剩余为40W。以上可见，水蒸汽的影响比氧化浓度的影响大得多。这是由于水蒸汽吸热而使触媒体的温降低，以及水蒸汽使触媒受损的缘故。（见图3） 2.3.5 根据功能来评价触媒的脱臭性能 将触媒体放入实际的干燥式垃圾处理机中，以硫化甲基转化率为评价基准，通过实验来看其降低臭气的程度，从而确认其脱臭性能。 ①实验方法 将螺旋状触媒体放入如图1所示的干燥式垃圾处理机中，处理气体流量为7L/min，采用对触媒加热器通电（加热器温度：550℃）与不通电的两种情况进行比较。用0.7kg的标准垃圾，功能评价项目用臭气强度和不愉快程度，评价采用平均值。功能评价是在排气出口处进行。 ②实验结果 在未通电时，臭气强烈，其强度为4。但当触媒体工作后，臭气明显减弱，强度降为2。此外，未通电时，令人极为不愉快，而一旦通电之后，就感觉好多了。基于功能的评价说明触媒的脱臭性能是好的。由机器分析的评价标准来看，将硫化甲基作为试验气体是妥当的。 2.3.6 触媒体的耐久性探讨 确保触媒体脱臭性能的耐久时间，目标定为20000小时。为了确认实际耐久性能，进行耐久寿命的测定。 ①实验方法 在干燥式垃圾处理机内安装螺旋状触媒体，将实际处理标准垃圾的次数和时间记录下来，并测定硫化甲基与触媒中央的温度。每7次取出一次干燥的垃圾。标准垃圾为0.7kg。 ②实验结果 硫化甲基的转化率为99.5%时，触媒体的中央温度与运转时间呈直线关系。开始温度为310℃，1000小时为375℃。20000小时后的触媒温度预测为410℃，与开始时的温度差为100℃。从耐久性方面考虑，实验结果表明，触媒中央温度如取410℃的话，则已达到了耐久时间的目标。 3 关于鱼类烧烤炉的排烟技术 3.1 鱼类烧烤炉概述 烧烤美味的鱼时所用的烤炉有一定的要求。烧鱼时不能用水，并尽可能使用强火，同时烟和臭气也不能从炉内外漏。为了除去烟和臭气，最合适的方法是采用与干燥式垃圾处理机类似的触媒氧化方式。 3.2 研发目标 在烧烤时产生的烟和废气中，含有多种化学物质。所以，应该将一切此类物质作为烟予以除去。采用排出废气中所含碳氢化合物的浓度来评价烟的排出性能，烟碳氢化合物的净化率应在90%以上。 3.3 触媒体的构成 图4为鱼类烧烤炉与触媒体的结构图。触媒采用白金和钯，与垃圾处理机一样，触媒体由触媒和载体构成。基本材料采用加工性能好，压力损失低的扩张管形的金属。扩张管状金属的构造是变折成14层。间接加热触媒体的加热器的功率为奇异型（250W），触媒表面加热到400℃以上。（见图4） 3.4 烧烤时的排烟性能 图5是在烧烤三条“秋刀鱼”时，在有触媒体和无触媒体情况下，碳氢化合物的浓度比较。碳氢化合物浓度由碳氢化合物浓度计测量（岛津制作所的HCM-2）。当没有触媒体时，烧烤20分钟即显示最高浓度160ppm。而当使用扩展材料的触媒体时，减少了92%，为13ppm。因此，达到了看不到烟雾的净化程度。这是由于烟雾和臭气的流动方向与维持400℃以上的触媒体构成垂直的角度，从而与触媒体很好地接触，扩散效率高的缘故。（见图5） 4 结论 本文以垃圾处理机产生的臭气和鱼类烧烤炉产生的烟雾作为对象，进行了不同的净化。首先，在垃圾处理机中将标准的垃圾以干燥方式产生臭气，对臭气进行定量分析。分析结果表明，研究方向是在降低硫化物浓度，其中包括嗅觉阀值较低的硫化甲基等。我们最终选择的稀有金属制成的螺旋状触媒，采用触媒氧化法完成硫化甲基的分解。实验结果表明，在废气含90%的水蒸汽的情况下，同时触媒的表面温度是450℃时，可以分解99.5%以上的硫化甲基。在另一个研究课题中，分析了鱼类烧烤炉在使用时产生的烟雾和臭气，并提出以碳氢化合物作为评价指标，提出90%以上应得以净化的研发目标。同样，采用用稀有金属制成的扩张管触媒体和触媒氧化法，最终可以使烟雾的净化率达到90%以上。根据现有的触媒氧化技术，将继续开展研究，进一步研究低温脱臭和排烟触媒氧化技术，最大幅度节约能耗。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/15/2004)