一種新型灸療煙霧凈化設備的開發及其性能分析

摘" 要：艾灸作為一種傳統的中醫療養手段，在各大醫院、養生館甚至居民自家都得到應用廣泛，然而灸療燃燒艾柱等產生的濃烈煙霧卻是一個難以解決的問題，這類煙霧化學成分極其復雜，含有上百種化合物，其中許多諸如苯酚、氮氧化物、一氧化碳、多環芳烴、焦油等有毒有害物質。那么施灸過程中擴散出來的煙霧處理就顯得尤為重要，在保證正常灸療的前提下，針對擴散出來的煙霧開發出一套集成燃燒加熱系統、反應系統、散熱系統、進排氣系統及控制系統的新型凈化設備，通過物理吸附、燃燒化學反應、氧化還原催化反應的手段，將艾煙氣體導入設備回型流動燃燒、高溫催化處理并達到室內外排放標準，也解決為煙霧處理提供400 ℃以上高溫環境的升溫保溫問題、高溫排氣降溫到45 ℃以下的安全防燙問題，讓設備同時滿足排放環保需求及安全需求。該集成方案機械結構緊湊、設備小巧，可以拓展靈活應用于更廣泛的領域，主要是針對有排放擴散有毒、有害氣體的環境，都可以起到凈化效果。

關鍵詞：艾煙；催化反應；機械方案布局；設備集成；性能分析

中圖分類號：TB427""""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0118-05

Abstract： As a traditional Chinese medicine recuperation method， moxibustion has been widely used in major hospitals， health centers and even residents' homes. However， the strong smoke produced by moxibustion burning mugwort pillars is a difficult problem. The chemical composition of this kind of smoke is extremely complex and contains hundreds of compounds， many of which are toxic and harmful substances such as phenol， nitrogen oxides， carbon monoxide， polycyclic aromatic hydrocarbons， tar， etc. Then the treatment of the smoke that diffuses during the moxibustion process is particularly important. On the premise of ensuring normal moxibustion treatment， an integrated combustion heating system， reaction system， heat dissipation system， intake and exhaust system and control system have been developed for the diffused smoke. The new purification equipment of the system uses physical adsorption， combustion chemical reactions， and oxidation-reduction catalytic reactions to introduce mugwort gas into the equipment for recycled flow combustion， high-temperature catalytic treatment and meet indoor and outdoor emission standards. It also solves the problem of heating and insulation of a high temperature environment above 400 ℃ for smoke treatment， and the safety and anti-scalding problem of cooling high-temperature exhaust to below 45 ℃， allowing the equipment to meet both emission environmental protection requirements and safety requirements. The integrated solution has a compact mechanical structure and small equipment， and can be expanded and flexibly applied to a wider range of fields， mainly aimed at environments where toxic and harmful gases are emitted and diffused， thereby achieving a purification effect.

Keywords： mugwort; catalytic reaction; mechanical plan layout; equipment integration; performance analysis

市場現有各種對灸療煙霧的處理設備，大部分以新風系統或者強制排氣直接引導氣體排放室外空氣中，小部分裝置是應用過濾液吸附、紫外線燈除味[1]或者多層過濾棉活性炭吸附[2]的方式。燃燒艾條艾柱煙霧中含有部分毒性物質：苯酚屬于腐蝕性化合物，有強烈的刺激性，在煙霧中很易被呼吸吸入，因此，具有很大的危害性；鄰苯二酚是高毒性物質；N-甲基哌啶、2，5-二甲基苯酚、4-氨基吡啶、2-甲基苯酚、苯乙腈、萘、間苯二酚、糠醛、3-氨基苯酚和苯并呋喃-2-酮等也都是高毒化合物[3]。隨著社會的發展環保法律的健全，直接將該煙霧超標排放到空氣中是不符合環保要求的，且風機葉輪旋轉工作時因負壓會低于環境溫度，煙霧經過極容易造成焦油凝結堵塞鼓風機；而濾芯吸附方式對煙氣的凈化效果不佳、維護成本高，為解決上述問題，提出一種新型灸療煙霧凈化系統的開發方案，并對設備凈化效果進行大量實驗驗證，對設備結構進行集成優化，保證了設備的功能性、低功耗、安全環保性、便攜性及可拓展性。相比傳統排煙管道式和濾芯吸附式裝置[4]，該設備結構集成度高，以高效凈化有害氣體為目的，解決了該領域困擾用戶的難題，由此可見該新型設備具有廣闊的應用前景。

1" 設計方案及工作原理

設備對煙氣處理分為4個階段：反應載體預熱階段、氣流加熱燃燒反應階段、氣體催化反應階段、反應完氣體散熱排氣階段。基于此方案流程，首先需要設計好煙霧導入設備到凈化完排出設備過程中氣體的流向，以盡可能小的氣流動力損失保證氣體在設備中的暢通和穩定流速；灸療煙霧中含有大量焦油，那么給氣流導入排出提供動力的風機就不能布置在焦油被處理前端，避免焦油吸附在風機葉片上，造成煙霧處理不完全同時還可能會堵塞風機，最終以設備系統末端布置鼓風機的方案，在管路中形成負壓，引導煙霧氣體經過設備中的各個處理環節。考慮到設備對于煙霧負壓吸力不能太大，避免將灸療所需的藥理活性物質[5]帶走，控制電路板對應開發PWM調速模塊，在設備運行過程中，通過控制鼓風機[6]轉速動態調整設備吸力，滿足不同階段氣流需求，正常工作時要求設備進氣口氣流速度為1～2 m/s。艾煙中含有未充分燃燒的碳氫化合物、碳氧化合物及各種烴類苯類有機化合物[7]，需要先將這類成分通過燃燒方式轉化成二氧化碳、水及難以氧化反應成分，再將該混合氣通過高溫催化劑載體催化氧化反應，轉化成可排放氣體，配備的催化劑載體規格，在高溫條件下，通過的氣流速度低于2.5 m/s時，載體催化能力達到上限。到此有毒有害的煙霧處理階段完成，接下來需要對高溫的反應完氣體降溫達到安全排放范圍排除設備。

2" 新型灸療凈煙設備的結構

如圖1—圖2所示，開發的設備外觀簡潔，內部布局緊湊，線路布置做到了強弱電分離。

圖3展示的是設備的4個核心模塊：自上向下分別是控制模塊、預熱反應模塊、散熱模塊、排氣模塊，其中預熱反應模塊需要提供220 V交流電，用來對模塊里的加熱芯加熱到紅熱狀態，電源和繼電器都是220 V轉24 V的，其他用電元器件都是24 V狀態：鼓風機、散熱風扇、熔斷器、控制電路板和穩壓控制板。控制電路板通過熱電偶傳感器反饋的溫度電信號判斷工作狀態，并作出相應的控制。穩壓控制板是給鼓風機調壓穩壓用，因為設備在不同工作階段，需求不同大小的氣流，比如在設備預熱階段，需要大氣流快速升溫進入正常工作階段，隨后需要微弱小氣流，保證灸療的藥性物質不被風力帶走，設備使用結束關機階段，又需要大氣流快速降溫，如此可以做到設備工作中氣流的動態調整。保溫隔熱層里填充的是硅酸鋁陶瓷纖維含鋯毯，耐火隔熱保溫，可以承受1 300 ℃高溫，在保證設備高溫穩定反應、保溫節能的需求，極大提升了設備防燙的安全系數；控制模塊熔斷器是65 ℃常閉開關，當機箱內溫度超過65 ℃，熔斷器就會斷開，設備強電斷開并且蜂鳴器報警，這是該高溫反應設備的又一項安全保護措施；因為散熱模塊是對超過400 ℃高溫氣體的強制快速降溫，其散熱風扇吹出來的熱風溫度也會持續達到45 ℃以上，為保證散熱器散熱性能的最大化，對該散熱風扇加裝密封罩，讓經散熱翅片下來的熱流全部由風扇葉片鼓動吹向地面，同時機箱散熱風扇分別向機箱外排風，保證機箱內部氣流快速循環，這樣機箱內部溫度可以穩定在55 ℃以下，機箱表面溫度低于45 ℃。

如圖4剖視示意的氣體在進入設備后的整體流向，最終排氣吹向設備底部，鋁翅片散熱器的散熱風扇也是將熱量帶走吹向地面。鼓風機前端盒內有過濾芯，過濾最終排出氣體顆粒物。

圖5是對散熱模塊的簡化模型，輸入450 ℃的高溫氣體，以及低流速、散熱風扇的強制散熱，模擬仿真得到散熱排出端氣體溫度穩定在43 ℃左右（圖6為散熱分析結果），理論分析可以滿足設計需求。

基于設備功能性要求：進風口氣流速度在1～2 m/s、反應載體部分氣流速度小于2.5 m/s，對設備氣流做流體分析。基于方案布局首先簡化流道模型如圖7所示，標注有進氣方向和排氣方向。對模型進行條件設置，入口初始平均流速定為2 m/s，圖8分析結果顯示載體段氣流速度低于1.6 m/s，滿足設備需求。同時還能看出氣流在加熱段和散熱器段產生渦流，這也是氣流動力損失的重要因素，給下一步的流道優化設計提供了依據。

3" 新型灸療凈煙設備的性能測試

3.1" 測試條件及準備

該實驗測試是對艾煙進入設備處理后排放結果的檢測，需要在相對密閉無風的常溫測試間進行，避免測試數據的失真。實驗器材準備：明火灸療儀一臺、4 cm直徑艾柱、點火用打火機、BLATN四合一檢測儀（PM2.5、PM10、HCHO、TVOC）、新開發的灸療煙霧凈化設備、記錄數據分析數據用計算機一臺。為了能夠實時監控設備相關狀態，研發階段同步開發了一套Windows調試程序，通過485串口連接控制電路板，設備上電后可以調試初裝設備相關參數，并且記錄測試相關數據。

測試方法：優先對設備通電，并用485轉USB數據線連接計算機，調試好各項預設參數后，開機預熱設備并開始記錄過程數據，同時開啟四合一檢測儀放置通風處等待。①待設備結束預熱進入正常工作階段，將檢測儀放置在設備0.2 m范圍類，連續檢測數據30 min并錄視頻記錄下來；②完成初期環境檢測后，安裝好艾柱并將灸療儀管路連接到設備進氣口，點燃艾柱同時再次開始連續檢測數據30 min并錄視頻；③等艾柱完全燃燒完后，將凈化設備關機進入散熱階段，直至完全停止，斷開灸療儀管路與設備的連接，灸療儀再次安裝艾柱并點燃，將檢測儀放置在灸療儀0.2 m范圍類連續檢測數據30 min并錄視頻。

測試結束，整理計算機記錄的設備狀態數據和3次測試數據視頻，統計匯總到表格并作分析，如果數據有較大誤差，檢查實驗儀器管路密封如何、實驗環境條件是否滿足要求，并作出調整重新測試，保證得到準確、可靠的測試數據，給該系列設備開發優化提供充足依據。

3.2" 測試結果及分析

先對測試過程中凈化設備狀態監控的數據進行分析，主要是設備熱電偶傳感器的反饋結果。從溫度時間曲線結果圖9可以看出，開機75 min前，設備預熱快速升溫到正常工作階段后，溫度一直穩定在350～400 ℃，為設備催化處理反應做準備；設備開始處理進入的煙霧后，傳感器反饋的溫度逐漸上升到400～500 ℃，這樣就能滿足設備催化處理的溫度需求。這階段因為煙霧經過了燃燒及催化氧化反應，會釋放能量導致溫度上升；煙霧處理結束后，反應段溫度又會逐漸下降穩定到400 ℃左右；最后設備關機散熱階段，該溫度會快速下降到指定安全溫度后完全斷電。整個過程實測與控制理論設計完全一致。

然后對四合一檢測儀測試結果匯總整理，制作了四個環境參數曲線、煙霧處理后參數曲線以及煙霧未處理的參數曲線，如圖10—13測試對比結果。實測在沒有煙霧的環境下PM2.5、PM10、TVOC 3個參數（圖表中a線條）均在室內空氣質量國家標準以下：PM2.5＜50 μg/m3、PM10＜100 μg/m3、TVOC＜0.6 mg/m3[8]，HCHO含量在0.16 mg/m3左右，略微高于國家標準的0.08 mg/m3；而煙霧未經處理排放室內，4個參數（圖表中b線條）全都爆表：PM2.5＞999 μg/m3、PM10＞999 μg/m3、HCHO＞9.999 mg/m3、TVOC＞9.999 mg/m3；將灸療煙霧導入設備處理后再排放室內，4個參數（圖表中c線條）測試結果顯示全都低于沒有煙霧的環境下參數曲線，而且HCHO含量穩定后在0.001 mg/m3左右、TVOC含量穩定后在0.05 mg/m3以下，遠低于國家標準，相對于煙霧未經處理排放室內，該凈化設備的煙霧處理效果顯著且能達到室內排放國家標準，結果完全符合設備開發預期。

4" 結束語

從原理分析到方案開發再到性能測試，該新型灸療煙霧凈化處理設備可以填補這個領域煙霧處理困難的空缺。基于設備煙霧處理原理，其可以拓展應用于有煙霧或者氣體凈化比如電焊錫焊煙霧環境，而且設備集成度高、維護簡單成本低、推廣容易。還可以對核心模塊進行并聯組裝形式，衍生大功率大處理量的設備機組，以滿足大量煙霧處理需求。

參考文獻：

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[8] 國家市場監督管理總局國家標準化管理委員會.室內空氣質量標準：GBT18883—2022[S].