基于智慧监管理念的五段式一体化油烟净化系统设计

张云鹏 张欢欢,2 杨海健,2 王深冬

(1. 河南博联慧绿科技集团有限公司 郑州 450046；2. 河南蓝眼环境科学研究院有限公司 郑州 450046)

0 引言

以“炒”为主的中式烹饪是餐饮油烟产生的主要来源方式[1]。随着经济水平的提高，餐饮行业的迅速增长，大众化餐饮占全国餐饮市场的比重提高到85%以上[2]；另一方面，由于城市人口数量激增，多层住宅和高层住宅逐渐成为城市住宅的主要形式，居民厨房的油烟排放也由分散式向集中式转变，使得单位地域厨房的烹饪油烟成为一项不得忽略的大气污染物排放源[3-4]。

1 油烟污染特征及现状

食物烹饪加工过程中挥发的油脂、有机质及其加热过程中的产物统称为油烟[5]，根据油烟形态一般可分为颗粒态物质和气态物质两类[6-7]，其主要成分为THC(总碳氢)、VOCs(挥发性有机物)、气味物质和PM2.5[8]。餐饮油烟排放对城市一次有机碳细颗粒的贡献可达21%，其与工业废气、机动车尾气共同构成现代城市大气污染的“三大杀手”[9-10]。餐饮油烟排放的气态物质主要指VOCs，可促进大气OH自由基、O3和二次有机气溶胶的生成，从而导致光化学烟雾污染事件的发生[11]。

然而从技术层面来看，静电沉积法净化器使用最广，但需定期拆卸清洗，运维成本较高；现有工业用途的VOCs净化设备购置和使用费用过于昂贵，不适用于餐饮油烟治理；从监管层面来看，缺乏有效的油烟污染物浓度、净化设备运行状况实时监控技术，相关部门执法困难。单一的净化设备和净化单元已不能满足更为严苛的油烟浓度、非甲烷总烃(NMHC)等检测因子的要求，多种净化方式的复合、矩阵式的组合需求更为迫切，高度集成各种净化设备和监测设备，智能化、一体化的发展成为一种必然的趋势。

2 基于“智慧监管”理念的五段式一体化油烟净化系统设计方案

本研究针对当前餐饮油烟治理存在的污染物净化效率低、净化设备清洗困难、缺乏有效监管技术等问题，基于“智慧监管”的理念，开发出餐饮油烟五段式一体化综合治理系统，包括等离子体氧化分解VOCs净化器(BL-PDP25除味器)、“三段式ESP”颗粒物净化器(BL-JD油烟净化器)、净化器自动清洗机、油烟在线监测仪以及云平台智慧监管系统(如图1所示)，最终实现智动除味、智动净化、智动清洗、智慧监管的功能。适用于餐厅、酒楼等餐饮业油烟，学校、医院、工矿企事业单位食堂油烟，食品加工厂及居民区油烟的污染净化及治理。

图1 餐饮油烟五段式一体化综合治理系统

系统工作流程为：在风机的动力作用下，油烟通过集烟罩及排烟管道被收集，首先经过第一段的等离子体氧化分解VOCs净化器，去除油烟中的VOCs和异味；再经防火阀进入“三段式ESP”颗粒物净化器，拦截油烟中的颗粒物；最后经过油烟在线监测仪监测达标后由烟囱排放。油烟在线监测仪可对油烟排放浓度、NMHC浓度、净化器运行状态、风机运行状态等指标进行在线监控，并将数据传送至“智慧监管”云平台，为环保执法提供直接有效且真实的油烟排放状况。

3 五段式一体化油烟净化系统设备及云平台

3.1 第一段：等离子体氧化分解VOCs净化器

根据河南、深圳、北京等地方标准规定非甲烷总烃(NMHC)浓度不超过10.0 mg/m3，然而调研结果显示，95%以上的餐饮单位没有任何针对VOCs的净化、治理装置或设施。为此，开发出高效净化VOCs的等离子体净化器。

等离子体是除固体、液体和气体以外又一种基本物质的存在形式，具有很高的化学活性。等离子体氧化分解VOCs净化器内部通过并接4～6片等离子体放电板，可以形成多个均匀放电场。等离子体放电板能够在通电的情况下一直工作，具有很高的实用性，且使用周期长，质量可靠，保证设备稳定运行。该技术在常温常压下，对VOCs的去除效率高达60%～85%，且适应性较强。等离子体氧化分解VOCs净化器作为五段式餐饮油烟净化系统的第一段，能够第一时间对油烟中VOCs进行去除；且管道长于20 m，能够有充分的反应时间，使VOCs净化完全；同时等离子体可氧化去除一部分可分解的油烟，减轻第二段颗粒物净化器静电场的压力。

3.2 第二段： “三段式ESP”颗粒物净化器

五段式餐饮油烟净化系统的第二段为“三段式ESP”颗粒物净化器，第一段即第一电离层属于辉光放电方式，在迎风面使油烟的小颗粒物凝聚并吸附；第二段即第二电离层属于电晕放电方式，由一系列“锯齿+钨丝”组成，安装在接地板中间，并通给高压直流电，油烟气中的微粒在通过电离器的强力静电场时，被电离并带有正或负电荷，主要是对颗粒物进行再次的凝并，同时起到稳定电场的作用；第三段为收集段，由多组相同的平行板组成，通以高压直流电(极性与电离段一致，电压减半)以形成电场，经过前两段的电离以后，油烟已经变成了带电物质的颗粒性，在8 000 V的静电作用下，带电微粒被接地板吸引的同时也受到带电板的驱赶，从而在极板上被收集；最后再经过蜂窝过滤器过滤进一步捕集未被收集的颗粒物。滤网收集组件同时可保证气流平稳分布且匀速通过，在收集组件后端设风机为空气流动提供能量，确保气体流速稳定。

“三段式ESP”颗粒物净化器采用独特的双高压包技术，即两个互不相干的高、低压输出模块，有效优化了供电结构，使核心部件故障率降低至每年千分之一以下，大大提升了产品正常运转的时间。

3.3 第三段：颗粒物净化器自动清洗装置

油烟净化设施的有效、稳定运行是污染物达标排放的前提和保证，在我国最新的2019年《餐饮油烟污染物排放标准(征求意见稿)》中，增加了油烟净化设施应与排风机联动和定期维护保养的要求，但人工清洗油烟净化器导致急性砷化氢中毒事故时有发生[12]，因此开发可自动清洗的装置至关重要。

油烟净化系统中第三段为净化器自动清洗装置，该装置采用高压蒸汽微泡清洗技术，可根据净化器自身运行情况设置定期自动清洗程序；基于“相似相溶”原理，采用生物酶油烟清洗剂，具有高效去除油污且废水对环境无害的特点；同时该装置具备自动加热功能，使清洗管内流出的是具有一定温度的水和清洗剂泡沫，提升清洗效果，最终实现高效定时免拆卸、自动清洗去除净化设备内部黏附的油烟的功能，解决了因油烟残留导致的去除率下降的“顽疾”，使净化系统可以长期高效运行。

3.4 第四段：油烟在线监测仪

第四段的油烟在线监测仪可对油烟浓度和净化器工况进行在线监控，有效解决了执法部门“监管难”的问题，减少人力，提高效率，真正实现油烟净化。油烟在线监测仪由采集器主机和油烟探头两部分组成，釆集器通过控制探头采集油烟原始数据，并由采集器主机进行综合计算，最终得到油烟污染物浓度值，再由GPRS无线通信模块(可选CDMA)实时在线、自动上报至云平台。

由于油烟成分复杂，探头容易受污染，所以油烟在线监测仪的探头的设计，不仅需满足对多种油烟成分进行综合分析，得到最准确的油烟排放数据，而且能有效及时地自动清洁探头内传感器，使其能有效抵抗油烟污染，延长探头的使用寿命。针对餐饮业油烟排放时烟道的实际情况，以及实时采样的要求，探头的设计必须安装方便，稳定可靠。此外，探头带有智能检测风机和净化器开关信号，采集器带有扩展的开关量输入和继电器输出接口，可用于监控风机和净化器的工作状态，并可根据油烟浓度状态自动控制净化器和风机的开停机，从而达到自动控制目的。

3.5 第五段：“智慧监管”云平台

第五段“智慧监管”云平台，集数据监测、采集、传输、存储、应用为一体，从底层向上分为污染源在线监测、网络传输、云中心和智能应用4个层次，如图2所示。

图2 “智慧监管”云平台总体框架

(1)污染源在线监测：对油烟、非甲烷总烃污染源实时排放数据、设备运行状态、报警和巡检等指标信息进行在线监控。

(2)网络传输：采集的数据经过编码和打包处理，使之成为能够传输的数据包，传输网络将污染源在线监测数据传输到数据中心。

(3)云中心：数据包可通过公有云、私有云等途径传输至数据云平台，以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段，实现海量数据实时处理、深度挖掘和模型分析。

(4)智能应用：经过数据监控、统计、分析后，对数据、业务进行集成，形成完整的软件集成系统，在应用层体现出监控管理、数据管理、运维管理、报警管理、执法管理、征信管理等功能，为行政主管部门等提供监管、决策、执法依据。

“智慧监管”云平台可实现系统设备云监控、监测数据云分析、设备故障云报警、实时维保云派工、软件升级云推送。管理人员可利用电脑、手机、数据中心大屏等终端监控管理系统运行实况。

4 油烟净化效果评价

参照《饮食业油烟排放标准》(GB 18483—2001)附录C：油烟去除效率的测定方法中规定的安装在油烟排烟管道中的油烟净化设施，通过同时测定净化前后油烟排放浓度与风量，并按照下式计算净化效率。

油烟去除效率：

在本次检测中，分别在油烟净化设备的前端、后端各装1台油烟浓度在线监控仪，进行实时监控。参照《河南餐饮业油烟污染物排放标准》(DB 41/1604—2018)中5.2规定的污染物监测要求，选取餐饮作业高峰期时典型油烟数据进行分析计算，采样次数为连续采样3次，每次10 min。3次采样分析结果之间，其中任何1个数据与最大值比较，若该数据小于最大值的25%，则该数据为无效值，不能参与平均值计算。

选取汤阴一中安装点上午10:51—11:21时餐饮作业高峰期。采集安装在油烟净化设备的前端、后端的油烟在线监测实时监控的数据(油烟在线监测仪每1 min左右监测1次数据)，见表1和图3。

表1 汤阴一中安装点餐饮作业高峰期时典型油烟数据

图3 五段式一体化餐饮油烟净化系统应用案例

表1中数据为连续采样3次，每次10 min，设备前端均值分别为1.548、1.176、2.021 mg/m3，3次均值为1.596 mg/m3。设备后端均值分别为0.042、0.027、0.065 mg/m3，3次均值为0.045 mg/m3，小于1 mg/m3，符合DB 41/1604—2018排放要求。

净化设备前、后端烟道截面积相同，均为0.32 m2，前、后端风速分别为12、16 m/s，计算得净化效率为96.24%，大于95%，符合DB 41/1604—2018中大型餐饮服务单位油烟去除效率要求。

5 结语

五段式餐饮油烟净化系统可实现餐饮油烟污染物的高效去除，污染物排放满足相关国家标准和地方标准要求；通过自动清洗技术，可确保净化设施的稳定运行，大幅度降低净化设施的运行维护工作量和成本；依靠在线监测系统和“智慧监管”云平台，实现餐饮油烟排放的远程监控，极大的提高环保执法的便利性，降低监管成本。