扭線刷耦合多孔塑料塊去除模擬餐飲油煙的研究

劉海弟，岳仁亮,2，李偉曼，陳運法，關麗

(1.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；2.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司，江蘇鹽城 224001；3.中國人民大學，北京 100872)

扭線刷耦合多孔塑料塊去除模擬餐飲油煙的研究

劉海弟1，岳仁亮1,2，李偉曼1，陳運法1，關麗3

(1.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；2.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司，江蘇鹽城 224001；3.中國人民大學，北京 100872)

利用不同長度的扭線毛刷和多孔塑料塊構建了餐飲油煙的凈化模塊，研究了不同刷毛長度下模塊的流量壓降關系，發現在模塊截面積為755 cm2、刷毛長度為3 cm、5 cm和7 cm的條件下，模塊在750 m3/h的流量下對應的壓降分別在80 Pa、130 Pa和160 Pa左右。在油煙發生裝置上研究了該模塊對油煙的去除效果，結果表明：三種模塊對油煙均有較高去除能力，去除效率在80%左右。出于耐久性高、壓降低的考慮，模塊中扭線刷的刷毛長度以3～5 cm為最佳。

油煙；扭線刷；油滴；餐飲廢氣

餐飲油煙對于室內空氣和環境大氣污染的貢獻逐漸為社會所認識和重視[1-4]。煎、炒、炸等中國特色的烹飪模式能夠產生大量含油滴的氣溶膠，一部分彌散于居室內部造成家庭主婦肺部疾病，另一部分則被油煙機抽向室外造成環境大氣短時間高強度的氣溶膠排放，由于這種排放多發生于人口稠密區域，所以對短時間內局部空氣質量惡化具有相當大的作用[5-6]。因此，隨著我國重點區域大氣環境治理的迫切需要，餐飲廢氣的凈化和處理已經表現出強烈的技術需求[7-10]。

餐飲廢氣中的油滴常常為油水混合物，具有粘度大、易粘結成膜的特點，所以當采用常用的過濾膜(如活性炭纖維氈、纖維織物、低效、中效和高效空氣顆粒物過濾膜等)去除油煙中油滴時，會在短時間內在過濾材料表面產生連續油膜而迅速將膜材料堵死。因此，采用濕法處理方案或者采用靜電除塵方案一度被認為是餐飲油煙治理的技術首選。但是，濕法處理(如水簾幕)存在廢水治理的問題，而且一次投資大、操作費用高，只能用于大型餐飲企業廢氣集中治理，很難在普通家庭取得應用；靜電除塵器凈化油煙的方法氣體壓降小、去除效果良好，且模塊可大可小、靈活方便，但積累在收塵極板上的粘稠油煙很難清洗，當油污積累較多時還有因為電火花而發生火災的隱患。可見餐飲油煙治理亟需耐久性好、容油量高、壓降小的新型凈化技術方案。

將扭線刷和多孔陶瓷結合的體系是已經被證明的高效除塵模塊[11]，本研究在其基礎上將扭線刷填塞于多孔塑料泡沫當中，制備了具有較低壓降和較高油滴去除性能的新型功能模塊。研究了不同毛刷長度下模塊的流量壓降曲線，并在自行搭建的油煙發生平臺上表征了模塊的油煙去除性能。研究表明：該油煙去除模塊壓降較低，且對油煙中的油滴具有較好的捕捉能力，有望作為新型油煙凈化手段應用于家用抽油煙機的渦扇前端，可以在顯著減少油滴濃度的基礎上降低渦扇上的油污積累并提高其使用壽命。

1 實驗部分

1.1儀器、試劑、平臺和材料

實驗中所使用的扭線刷由蘇州昊樂制刷有限公司制作，刷體直徑為2 cm，刷毛為直徑0.1 mm的聚酰胺絲，中間扭結的金屬絲為直徑0.4 mm的不銹鋼絲，刷毛長度有三個水平；3 cm、5 cm和7 cm；實驗中所使用的多孔塑料模塊為長寬高分別為30 cm、24 cm和8 cm的發泡聚乙烯塊，其上開17列孔，每列12個孔，孔道呈正三角形排列，如圖1所示。將填塞長度3 cm、5 cm和7 cm毛刷的模塊分別稱為B-3、B-5和B-7。

圖1 毛刷和多孔塑料塊的結構圖Fig.1 Sketch-up of twisted wire bushes and porous plastic block

圖2 油煙發生和模塊壓降測試裝置圖Fig.2 Setup for cooking fume generation and model pressure drop measure

在自行搭建的油煙發生平臺上進行模塊性能的測試，該平臺的結構如圖2所示，使用ROBAM 7B13型灶具和抽油煙機，將渦扇前端的集油罩拆除，使用直徑30 cm的平底炒鍋，在抽油煙機出口安置尺寸為25 cm×30 cm的水平煙道，其中設置寬度10 cm、高度30 cm的窗口，并附帶封蓋，以便將B-3～B-7模塊填入煙道中獲得其流量-壓降曲線，在模塊前后的管道安裝引壓管用于測量模塊壓降。在抽煙煙氣煙道尾部安置一臺抽風機，以便煙道內風速在較寬范圍內可調，采用TESTO-512型壓差計測量模塊前后的壓降，采用SENTRY-ST732型風速儀測量管道出口的風速。當檢測B-3～B-7模塊的油煙去除性能時，將模塊從水平煙道中取出并安置在抽油煙機已拆除集油罩的進風口，采用福臨門一級大豆油(1.8L包裝)來發生油煙。

1.2實驗過程

1.2.1流量壓降曲線獲取

將B-3～B-7模塊分別安置在抽油煙機和抽風機之間的煙道上，在不同的氣體流量下讀取模塊兩側的壓降，不同的氣體流量通過在抽油煙機進口處設置阻擋的方式獲得，同時在風機出口處利用風速儀檢測氣體流速并根據風道面積計算氣體流量，并繪制流量壓降關系圖線。

1.2.2油煙去除性能表征

首先將四周用海綿封邊且尺寸為30 cm×25 cm的高效空氣顆粒物過濾膜塊(High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA)稱重后緊密填塞于抽油煙機拆除集油罩的進風口處，打開抽油煙機和煙道末端的抽風機，準確稱取20 g大豆油，置于炒鍋中加熱，在油鍋旁設置噴水裝置，該裝置包括放置在油鍋中的熱電偶和噴水器，當油溫高于200℃時噴水器向鍋中噴水，每10 s噴水兩次，每次噴水3 mL。當水不斷噴入熱油中時，油鍋產生大量油煙，直至將鍋中的油熗干，再將HEPA模塊取下稱重，相比實驗前的增重量視為實驗中產生油煙的總量W0。

在將B-3～B-7三種模塊分別稱重后緊密填塞于抽油煙機拆除集油罩的進風口處，其他實驗步驟同上，實驗結束后將模塊取下并稱重，其增重視為所捕捉的油煙重量Wx，和使用HEPA時的結果相比則獲得油煙的去除效率 =Wx/W0×100%。

2 結果和討論

2.1模塊的流量壓降曲線

圖3給出了不同長度毛刷構成的模塊的流量-壓降圖線，可知B-3、B-5和B-7分別在700～950 m3/h、550～800 m3/h和575～750 m3/h的范圍內呈現出線性的流量/壓降關系，其對應壓降范圍分別在80 ～120 Pa、80～150 Pa和100～170 Pa之間。將三條線進行線性回歸，而后外推至風量為420 m3/h下的壓降分別為B-3: 20 Pa；B-5:36 Pa；B-7: 47 Pa。依據此時抽油煙機風壓約為300 Pa(行業標準)來看，B-3和B-5的壓降較低(6.7%和12%)，而B-7壓降略高15.7%。

圖3 不同毛刷長度的模塊的流量壓降關系Fig.3 The relationships between flow-rate and pressure drop of modules with various brush lengths

2.2模塊的油煙去除能力分析

研究發現，20 g大豆油徹底熗干后產生的油煙可以使HEPA模塊增重約16.83 g(少量大豆油因為熗鍋過程中四處飛濺而損失)。而使用B-3、B-5和B-7模塊進行相同條件實驗時，其平均增重分別為13.04 g、13.15 g和13.69 g，按照16.83 g油煙為100%計算，三種模塊的油煙去除率分別為77.5%、78.1%和81.3%。從結果可知，三種刷毛長度的模塊在油煙的去除率方面相差不大，都在80%左右，如圖4所示。

圖4 不同模塊在實驗后的增重情況Fig.4 Weight increase of various modules after the experiments

三種模塊處理油煙后毛刷的徑向和軸向的照片如圖4所示，其中圖5A、C、E分別為3 cm、5 cm和7 cm毛刷處理油煙后的軸向照片，圖5B、D、F分別為3 cm、5 cm和7 cm毛刷處理油煙后的徑向照片，從軸向照片可知，在毛刷的進氣側可清楚觀察到油滴累積在刷毛上；而從毛刷的徑向照片可知，油滴均聚集在毛刷氣流上游的前1.5 cm的長度內，在后面的刷毛上觀察不到明顯的油滴積累。從這些結果可以推斷，在當前的油煙去除條件下，油滴的捕捉和去除主要發生在扭線刷上游1.5 cm長度內的刷毛上，經過1.5 cm長度刷毛后煙氣中大部分油滴已經被去除，剩余的油滴很可能粒徑非常小，僅有少量油滴通過與后邊扭線刷的刷毛相互碰撞而被捕捉，因此B-3、B-5和B-7的油煙去除效率雖然略有增加但差別不大。

注：A、C、E分別為B-3、B-5和B-7的軸向照片，B、D、F分別為B3、B-5和B-7的徑向照片。圖5 不同長度毛刷在處理油煙后的軸向和徑向照片Fig.5 The photos in axial and radial directions of brushes with various lengths after the experiment (A,C,E corresponding to axial-direction photos of B-3, B-5 and B-7; B,D,F corresponding to radial-direction photos of B-3, B-5 and B-7)

該除霧模塊可能的除霧機理如圖6所示：當含油滴氣流通過扭線刷和蜂窩陶瓷組成的復雜三維螺旋流道時，穿越螺旋刷毛的氣流中大部分霧滴被密布的刷毛所捕捉，另外一部分氣體則因為螺旋刷毛的作用而螺旋通過模塊，這使其中的霧滴因離心作用而被甩至蜂窩陶瓷孔道的內壁面，從而完成霧滴的捕捉。不同于濾布過濾，模塊中沒有強制氣流通過微小的孔道或狹窄的縫隙，所以模塊的壓降較小。另外，由于孔道中眾多的刷毛的表面都可以起到除霧和分散油滴的作用，所以該模塊不會象濾膜過濾那樣：因為積累一薄層油污而使過濾孔隙完全阻塞，這使該模塊非常適于處理含有粘稠油滴的餐飲廢氣。

圖6 扭線刷-多孔塑料塊復合模塊的除油滴機理圖Fig.6 Mechanism diagram of oil-drop removal by unit combined with twisted wire brushes and porous plastic block

2.3扭線刷最佳長度的選擇和提高模塊油污容量的思考

從2.2的結果可知，在當前的油煙去除條件下，毛刷長度超過5cm的部分對油滴去除貢獻不大，且會帶來多余的壓降，同時，扭線刷的長度不應低于1.5 cm，為了保證模塊的耐久性和穩定性，扭線刷的長度應控制在3 cm到5 cm之間，以防止在氣流沖刷之下有油滴擺脫毛刷的束縛而離開模塊并粘附在油煙機渦扇上。

圖7 扭線刷-多孔塑料塊復合模塊的除油滴機理圖Fig.7 Mechanism diagram of oil-drop removal by unit combined with twisted wire brushes and porous plastic block

雖然扭線刷稠密的刷毛可以承載模塊所去除的油滴，但是在扭線刷長度小于5 cm的情況下能夠容納的油污量有限。進一步提高模塊容納油污的限度需要對多孔塑料快加以利用。由于為了防止油煙短路逃逸，多孔塑料塊的孔徑略小于扭線刷的直徑，因此扭線刷的刷毛在模塊的孔道內是傾斜的，因此在刷毛傾斜方向不變的情況下氣流方向將對于刷毛上沉積的油滴產生不同方向的作用力，如圖7所示。當氣流方向如圖7A所示時(氣流方向與毛刷插入方向相同)，由于氣流曳力和刷毛粘性曳力的共同作用，沉積在刷毛上的油滴會逐漸向刷毛中心移動，并最終在毛刷中心的扭線絲上集中，當油煙積累過多時，較大的油滴很可能因為氣流的推動力而逐漸向氣流下游爬行，最終有可能到達毛刷末端而逃逸。當氣流方向如圖7B所示時(氣流方向與毛刷插入方向相反)，氣流曳力和刷毛粘性曳力的共同作用將推動油滴向刷毛末端運動，最終到達多孔塑料塊的內部孔壁上，因此如果采用能夠大量吸附油滴的海綿類材料制作多孔載體，則可以將順著刷毛輸送到內部孔壁上的油滴迅速吸入海綿塊內部，從而實現扭線刷的清潔，因此應當按照圖7B的方式設置氣流方向，并采用能夠大量吸附油滴的海綿材料制作多孔塊體材料，這樣扭線刷的作用是捕捉油煙液滴并輸送至多孔海綿塊體表面，而多孔海綿塊體則作為吸納油煙的材料賦予該模塊極大的油煙容量。

3 結論

通過將扭線毛刷填塞于多孔塑料塊孔道內獲得了一種具有較低壓降和較高油滴去除能力的新型油煙凈化模塊。當扭線刷直徑為2 cm，多孔塑料孔道直徑1.5 cm時，所獲得的模塊可以對油煙獲得80%左右的去除效率，研究了毛刷長度和油煙去除效果的關系，毛刷長度越長則油煙去除效果越好，但當毛刷直徑大于3～5 cm時，去除效果隨長度的變化不再明顯。從模塊的流量壓降曲線可知，刷毛長度為3 cm、5 cm和7 cm的條件下，模塊在750 m3/h的流量下對應的壓降分別在80 Pa、130 Pa和160 Pa左右。通過分析負載油煙液滴的刷毛的油滴沉積情況，提出了氣流方向應逆向于毛刷插入方向的結論，同時指出使用能夠吸納油滴的海綿材料制備多孔塑料塊有望大大提高模塊的油煙容量。該技術的進一步推進有望降低我國長期被民眾忽視的烹飪和餐飲業對人口稠密地區大氣污染的貢獻。

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InvestigationuponOilAerosolRemovalfromSimulatedRestaurantCookingFumeExhaustbyTwistedWireBrushesCoupledwithPorousPlasticBlock

LIU Hai-di1, YUE Ren-liang1,2, LI Wei-man1, CHEN Yun-fa1, GUAN Li3

(1.State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.Jiangsu Zhongke Ruisai Pollution Control Engineering Co., Ltd., Yancheng 224001, China; 3.Renmin University of China, Beijing 100872, China)

Twisted wire brushes with various brush lengths and porous plastic block were used to prepare a module for restaurant cooking fume exhaust treatment. The relationship between the flow-rate and the pressure drop of the module with different brush lengths was investigated. It was revealed by the results that when the brush lengths were 3 cm, 5 cm and 7 cm, the pressure drop of the corresponding module were 80 Pa, 130 Pa and 160 Pa respectively with flow-rate at 750 m3/h (gas flow area of the module=755 cm2). The oil drop removal abilities of the as-made modules were assessed on a restaurant cooking fume exhaust generating appliance. It was illustrated by the results that all the three modules exhibited good oil drop removal ability with nearly 80% efficiency. Due to the consideration of longer duration time and lower pressure drop, the module with 3-5 cm brush length was regarded as the best choice.

cooking fumes; twisted wire brushe; oil aerosol; restaurant cooking fume exhaust

2017-11-01

中國科學院先導專項B(XDB05050000)

劉海弟(1976—)，男，研究員，主要研究方向為新型環境凈化功能材料、功能納米顆粒制備等，E-mail：liuhaidi@ipe.ac.cn

10.14068/j.ceia.2017.06.017

X51

A

2095-6444(2017)06-0070-05