1.1 绪 论
环境与人类的生存、发展息息相关，其中大气圈是维持生命的第一要素。据统计，每人每天吸入空气量为1万多升，约为每天所需食物和饮水量的10倍，燃烧一吨煤要消耗空气约12吨[1]，离开了空气，人类的生存和社会的活动就无法维持下去。因此，大气污染问题日益成为人们倍加关注的环境问题之一。目前公认的大气污染物主要有锅炉烟气、机动车排放尾气、悬浮在大气中的粉尘颗粒等等。
随着改革开放的深入，经济飞跃发展，人们的生活水平和消费水平得到很大提高，以往简单、纯朴的生活模式被现代化生活模式取代，饮食烹饪行业开始显现其特有的生命力。近十年来，各种规模的饭店、餐馆如雨后春笋出现在市区、乡镇的角角落落，全国饮食业网点成倍增长，仅北京市，1992年，据不完全统计，市饮食业网点已发展到9655家，年耗食用油近5000吨[2]。
而在全世界有60%的人口集中生活在城市环境中[3]，饮食业也随之不断增长。但是，它在为人们奉献出美味佳肴的同时，却散发着污染物。我国人民的饮食习惯多以煎、炸、烧、烤为主，使用的燃料多为煤气、天燃气、液化石油气、蜂窝煤、柴碳等等，灶具的先进性也不够，并且一般餐饮业灶间大都只装直排式排油烟机。未进行净化的油烟中含有的食用油等在高温下产生有害的过氧化物及其裂解后的产物严重污染大气环境。随着国家对城市的环境质量提出了更严格的要求，尤其把大气污染治理放在突出的位置，人们已意识到大气污染不但恶化了周围的环境，给人的身心造成危害，而且对整个城市的形象影响亦很大。饮食业又多位于闹市或居民区内，油烟的污染已越来越受到人们的重视，并逐步成为居民对若干项环境污染投拆的热点，可以说油烟是与锅炉烟气、汽车尾气等并重的又一大气污染源，油烟的污染已形成一种亟待解决的公害问题。李鹏总理在《1994年环境保护工作要点》中就明确指出：开展饮食服务行业等第三产业的污染调查和排污申报调查、登记工作，加强对第三产业的环境管理。1996年颁布的《大气污染防治法》中的第二十六条规定：城市饮食服务行业的经营者必须采取措施防止油烟对附近居民居住环境的污染。2000年3月，国家环保总局“环发[2000]47号文件”关于发布《饮食业油烟排放标准（试行）》通知中又进一步明确提出排放油烟的饮食业单位必须安装油烟净化设施，并保证操作期间按要求运行，油烟无组织排放视同超标。由此可见研究油烟净化技术及其相关设备的必要性。
1.2 油烟及其危害
1.2.1 油烟的定义及分类
1.2.1.1 油烟的定义
油烟指食物在烹饪、加工过程中挥发的油脂、有机质及其加热分解或裂解产物。[4]更为全面的定义为食用油及油脂在高温状态下产生的挥发物及冷凝水汽和室内含尘气体、灶具燃烧器产生废气和高温气体、炭黑等多种成分的混合体。
1.2.1.2 油烟的分类
由于食物的种类多种多样，其产生的油烟的途径也有所区别。大致可以归纳为三种类型：一是按工艺分类；二是按菜系分类；三是灶具烟气。
1.按工艺可分为煎、煮、炒、烧、烤等。
a.煎：所加工的食物及食物中的水份比容器中的油多数倍或更多，排出物主要有水蒸汽、油雾粒子及微量油烟。产生的机理主要是煎食物时水汽在锅中产生微爆。
b.煮：主要是汤类菜。油脂在摄氏100°C时与水结合乳化，油粒子与水同时产生。所以它的产物主要是以水为主，掺杂一些油雾粒子，烟的成份几乎没有。
c.炸：用油炸制食物时，将油加热至沸腾状，然后将食物缓慢放入锅中，待食物熟透或满足其它条件时捞出。油烟主要是高温状态的油蒸发、分解、裂解作用和食物水份爆炸，油粒子与水蒸汽同时产生，其特点是具有连续性。
d.炒：炒与炸近似，油烟量的大小区别不大，但油烟的特性有所不同。炒菜时的油烟是将油加热至沸腾状态，然后猛的同时将准备好的菜及配料放入锅中，此时锅内呈爆炸状产生水蒸汽及油雾烟雾，紧接着是厨师将锅内菜物抛起，在掂起的瞬间锅离开0.2-0.5秒左右，此时800°C以上的火焰迅速穿过被掂起的菜物，与菜物混在一起的油脂便在此瞬间蒸发、分解、碳化。如此反复数次便完成一次炒菜过程。然后停止数分钟再继续炒菜，炒菜的特点是油烟量大而且是间歇性的。在此期间，水与油乳化呈油包水形，微小的水滴外有一层油脂，瞬间高温水突变蒸汽炸开。
e.烧：是炸、炒二种工艺结合方法。先将食物炸到一定火候，然后将油倒出，放入其它的调料，翻炒而成。其油烟特性是两者兼而有之。
f.烤：烤型多数是用明火直接加热肉类食品。常见的有烤羊肉串，烤鸭（鸡）型及韩式烧烤型。由于烧烤燃料是碳，所以在烧烤中碳烟成份较大。其次是油脂和调料落在碳火上，产生较大的油烟，由于浓度较大，烟尘粒径很小，能小于10微米。所以一般烤类食品加工油烟污染是较大的。
2.按菜系来分，可分为川、鲁、粤、家常菜，烤鸭、烤串、韩式烧烤、职工食堂、西餐等。按产生油烟量大小把菜系分为4级（a、b、c、d）。
a.（最大）川菜、烤鸭、烤串、家常
b.（中大）鲁菜、粤菜、上海、韩式
c.食堂
d.西式
3.灶具烟气：灶具也是组成油烟成份不可忽略的一个组成部分。灶具的型式很多，产生的烟或油烟的大小也不尽相同。不产生油烟污染的只有电灶，其次是燃气、燃煤、燃油。天然气及煤气灶燃烧不好，可产生碳黑及其它碳氢化合物。燃煤主要是烟和尘的成份较大，燃油主要是没有燃净的杂油、碳黑及其它碳氢化合物。产生油烟量大的灶具是柴油灶。由于油的品质和灶头燃烧技术，使油质不能100%燃烧而产生碳黑和油雾或其它裂解的物质。
1.2.2 油烟粒子的物理特性
我们平时炒菜散发出的油烟是食用油和食物在高温条件下产生的大量热氧化分解产物。烹调时，油脂受热，当温度达到食用油的发烟点170°C时，出现初期分解的蓝烟雾，随着温度继续升高，分解速度加快，当温度达250°C时，出现大量油烟，并伴有刺鼻的气味，油烟粒度多在0.01μm-10μm。油烟中含有油脂、粉尘颗粒物和水蒸气等。颗粒物粒径较小，又可分为固体颗粒物与液体颗粒物两种，由于液体颗粒物大多为油脂冷凝物，所以粘稠度较大，极易与固体颗粒物结合，形成具有较大粘稠度的胶体粘附在管道或设备表面或者排到大气中，进而与空气中的悬浮物结合，在大气中形成不易扩散的污染物。
1.油烟粒子的油性和粘度
油烟粒子的最重要的特性之一，就是油性，即形成润滑薄膜的能力。
粘度即流动液体粘滞程度，是分子之间内摩擦的一个量度。油脂之所以有较高的粘度，主要由于其甘油脂中长链分子间的吸引力所致。表示方法有动力粘度、运动粘度和相对粘度三种。动力粘度以Pa•S为单位，通常用“mPa•S”表示，运动粘度的单位为m2/s，食用油脂以运动粘度来表示。粘度与油脂的不饱和度有关，与油脂中脂肪酸的分子量的关系更大。植物油脂粘度高低顺序为：蓖麻油>菜籽油>棉籽油>葵花籽油>大豆油>亚麻油>椰子油。对同一种油脂而言，随着温度升高，其粘度也增大。
2.油烟粒子的溶解性
油烟粒子在水中的溶解性很差，据报道，当温度在-8～92°C时，油酯在水中的溶解度不超过10%。随着温度和压力的升高，油烟粒子在水中的溶解性也相应增大。
3.介电常数
干燥的油脂并不是良好的导体，介电常数一般为3.0～3.2。当氧化引入极性基团，油脂的介电常数会有所增加，如在低温下吹入空气，油脂的介电常数可达到5.2以上。
4.油烟粒子的润湿性
油烟粒子能否和液体相互附着或附着难易的性质称为粒子的润湿性。当粒子与液体接触时，如果接触面能扩大而相互附着，就是能润湿；如果接触面趋于缩小而不能附着，则是不能润湿。粒子的润湿性与粒子的性质，如粒径、生成条件、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性等有关，也与粒子和液体之间的粘附力及相对运动速度有关。油烟粒子的粒径一般小于5μm，很难被水润湿。这是由于细小的粒子与水滴表面均存在着一层气膜，只有在粒子与水滴具有较高的相对运动速度的情况下，水滴冲破这层气膜，才能使之相互附着并凝结。这也是某些高效能湿式净化器如文丘里洗涤器净化的主要机制。此外，粒子的润湿性还随压力的增加而增加，随温度的上升而下降，随液体表面张力的减少而增强。
1.2.3 油烟的化学特性
食物在烹饪过程中产生的油烟含有几百种污染物，化学成分十分复杂。七十年代末期，国外曾有人模拟油煎食物的条件，用冷阱收集了玉米油、亚油酸甘油酯的挥发物，作了气相、红外和质谱分析，共检测到220多种化合物[5]。近年来，国内对食用油烟雾的化学成分研究也有零星报道。鲍子平等从菜籽油冷凝物中鉴定出巴豆醛，从豆油冷凝物中测出微量的2-甲基丙烯醛[6]。厉曙光等在265±50加热的菜籽油、精制菜油和豆油的油烟冷凝物中，采用纸层析—荧光分光光度法检测到了苯并芘和二苯并蒽[7]。卫煜英等报道从油烟机冷凝物中鉴定出十余种降解物，均为烃类、醛及烯醛等对人体有害的化合物[8]。综合各类资料显示，油烟中主要有醛、酮、烃、脂肪酸、醇、芳香族化合物、酯、内酯、杂环化合物等。产生的有害物种类也很多，包括CO、SO2、CO2、NO、NO2、丙烷、丙烯、丁烯、戊烷、硫化氢、烟尘、臭气、热气、多环芳烃及强致癌物（如苯并蓖、氡等[9]）。
1.2.4 油烟的危害
众所周知，中国人喜欢用高温食用油炒菜，除餐饮业之外，普通居民家中亦都采用高温煎炒，油锅温度一般都在270～280°C以上，比西方家庭灶台温度高出50%。因为食用油在高温催化下会释放出含丁二烯的烟雾，油烟飘尘粒径大多分布在3μm以下，它们易进入支气管和肺部，约有80%沉积下来。人的一生有70%在室内度过，可见大部分时光都在呼吸着这些严重污染的空气，尤其是对婴儿、孕妇、老年人及心血管系统、呼吸道系统、皮肤过敏疾病患者危害就更大。油烟的污染与癌症等恶性肿瘤致病率和死亡率之间也有相关性[10][11][12][13]。有关资料显示，在烹调油烟中发现挥发性亚硝胺等已知突变致癌物，在致肺癌因素中，烹调油烟是仅次于“深度吸烟”烟雾到达呼吸道深部的危险因素。如果消除吸烟和烹调油烟的危害，可使肺癌减少85%。油烟气被人体吸入后使呼吸道粘膜损伤，并降低人体免疫功能（表现为PEFR，V75，V50，V25均显著下降，慢支组FVC和FEV1也明显减低），吸入者出现咳嗽，胸闷气短等症状。油烟刺激人们的眼睛，诱发心血管疾病。长期大量吸入这种物质，会损害人的免疫功能，易致肺癌。据美国国家癌症研究所皮特教授报告，菜籽油比花生油的致癌危险更大，因为高温下的菜籽油比花生油释放的丁二烯成分高22倍。菜油中含有较多的亚麻酸、亚油酸等不饱和脂肪酸。当油温升高到60°C时，就开始氧化，升到130°C时氧化物开始分解，形成多种化合物，这些化合物中有些是致癌物。油温越高，不饱和脂肪酸含量越多，氧化物的分解就越快，使人体患肺癌的可能性也就越大。据调查，经常处在油烟腾腾的厨房中的人们，患肺癌的危险性比不受或少受油烟熏者高60%，儿童急性呼吸道感染与烹调油烟有关，2岁以下死于急性呼吸道感染的婴儿也多因于此。
1.2.5 国内外油烟污染现状
我们知道，大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象，称为大气污染。大气污染物主要分为有害气体（二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化物、光化学烟雾和卤族元素等）及颗粒物（粉尘和酸雾、气溶胶）等。它们的主要来源是燃料的燃烧和工业生产过程。而油烟为城市大气有机浮尘的主要来源。油烟中的一些挥发性有机物与大气中的二氧化氮发生光化学反应，对大气产生一定的污染。有调查称，洛杉矶周围80km2油烟浮尘约占有机物总量的20%。对这些有机分子作为主要成分的受体模型进行分析，显示油烟占洛杉矶周围大气悬浮物的7%[14]。而在北京市区大气中二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物日均值分别为0.080、0.140和0.364， Weisbugor等报道，在烹调方式中，油煎、烤、烧等加工方法可形成较大量的致突变物，且随着温度升高挥发性烟气中的致突变活性也相应增强[15][16][17][18]。由于国内多采用高温烹饪，其产生的油烟在大气中的比率明显高于国外，对环境污染的贡献率及对环境安全的威胁也大得多。
据新闻报导，目前全国仅星级饭店就有6000多家，到年末还要增加2000多家，就目前现状来看其中大部份为无组织排放，直接将烟管穿过窗洞外排，不但有交叉污染或二次污染，而且排气口周围墙面挂灰挂油，建筑外观被严重损坏。这都是历史遗留下来的问题，“生米煮成熟饭”，改造起来困难很大。目前，在新住宅厨房设计或公共建筑厨房（如饭店、饭馆、宾馆的厨房）设计中，基本上都采用了有组织机械通风的形式，有的还进一步研究出送风气幕排油烟罩、变压式共享排气管道系统等等。就机械排风而言，其主要形式是利用垂直竖井将各层用户的烟抽出后排放，但其中仍存在“串味”、“串声”等问题。
1.3 本文研究内容及其意义
由以上各小节对油烟及污染的基本状况描述，可以看出，油烟污染不仅危害到生态环境，而且还会使人类的身心健康受到威胁。表1-1中列举了部分单位部分菜系的油烟初始排放浓度实测资料，均存在着不同程度的超标。油烟控制势在必行，研究油烟净化技术已迫在眉睫。厨房抽油烟机的问世就是一个重要标志。但是它并未解决根本问题，抽油烟机的作用只是将污染物简单地从室内排到室外，而污染物质并未消除。随着国家对餐饮业的有关政策与要求不断提高，现有的油烟净化方法与设备更加不能适应需要，这就促使科学工作者不断改进抽油烟机的结构，努力去寻求一种新的有效的净化方法与设备，这也即是本文要研究的主要内容。本文首先提出油烟粒子即是气溶胶粒子的一种，所以油烟净化可以借鉴除尘技术基础。在除尘技术中，是通过一些技术措施，捕集分离气溶胶中固态或液态颗粒。本文通过对一般尘粒的净化方法的总结，提出了一套全新的油烟净化分离方法，并由此而设计出以必要的设备—风机为主体的油烟净化技术与装置。本文的研究内容要点：
1.根据油烟粒子的特性，利用机械乳化方法。
2.完成机械乳化及净化过程的新型风机在结构上的改进及突破。
3.影响油烟净化系统效率的研究。
4.油烟净化技术及成套设备性能试验及在工程领域中的应用。
实践证明：风机除了能为空气提供动力外，它还能使经过风机的空气中比重较大的颗粒物与空气分离，从而达到除尘的目的并能使液体雾化，与空气混合，用于使高温气体降温和气体吸收。
由于饮食业油烟排放单位数量多，而且饮食业单位分布范围极广，且大部分饮食业单位的油烟排放未进行净化处理，油烟净化设备的市场需求量很大。可以说，此新型油烟净化装置研制成功，一经投放市场，不仅能带来巨大的社会效益和环境效益，还必能带来可观的经济效益。因此，无论从技术上还是从市场上说，研究油烟净化技术与设备都有着非常重要的现实意义。
表1-1 部分饮食业单位油烟初始排放浓度实测资料简表
|
序
号
|
所属
菜系
|
灶头
数(个)
|
风机排风量*103m3/h
|
满负荷初始排放浓度mg/m3
|
序
号
|
所属
菜系
|
灶头
数（个）
|
风机排风量*103m3/h
|
满负荷初始排放浓度mg/m3
|
|
1
|
潮
|
5
|
8.99
|
3.36
|
29
|
粤
|
8
|
20.2
|
5.68
|
|
2
|
粤
|
9
|
32.5
|
6.39
|
30
|
粤
|
5
|
26.0
|
3.10
|
|
3
|
混
|
5
|
13.5
|
14.4
|
31
|
西
|
9
|
4.09
|
11.2
|
|
4
|
粤
|
5
|
13.1
|
3.90
|
32
|
西
|
11
|
8.13
|
7.10
|
|
5
|
川
|
4
|
5.34
|
7.60
|
33
|
客
|
4
|
4.52
|
13.6
|
|
6
|
苏
|
5
|
4.99
|
10.6
|
34
|
混
|
4
|
8.38
|
3.43
|
|
7
|
粤
|
11
|
26.7
|
8.77
|
35
|
粤
|
5
|
9.47
|
9.37
|
|
8
|
粤
|
11
|
27.8
|
8.18
|
36
|
京
|
3
|
4.61
|
5.86
|
|
9
|
混
|
7
|
28.9
|
8.31
|
37
|
京
|
6
|
8.98
|
6.52
|
|
10
|
川
|
7
|
1.97
|
31.9
|
38
|
东北
|
4
|
7.8
|
5.08
|
|
11
|
湘
|
6
|
28.6
|
13.1
|
39
|
混
|
8
|
6.2
|
20
|
|
12
|
混
|
7
|
7.52
|
9.19
|
40
|
混
|
1
|
1.06
|
1.91
|
|
13
|
沪
|
4
|
3.46
|
8.16
|
41
|
粤
|
2
|
2.61
|
1.78
|
|
14
|
沪
|
8
|
8.99
|
12.2
|
42
|
潮
|
2
|
2.9
|
1.89
|
|
15
|
湘
|
9
|
21.8
|
14.8
|
43
|
粤
|
3
|
3.31
|
2.76
|
|
16
|
沪
|
8
|
10.4
|
11.2
|
44
|
混
|
3
|
3.15
|
3.78
|
|
17
|
川
|
5
|
12.2
|
10.4
|
45
|
混
|
3
|
2.82
|
4.69
|
|
18
|
粤
|
5
|
9.84
|
3.70
|
46
|
湘
|
2
|
2.33
|
3.85
|
|
19
|
陕
|
4
|
6.77
|
10.2
|
47
|
湘
|
3
|
3.29
|
4.68
|
|
20
|
粤
|
4
|
12.1
|
3.20
|
48
|
川
|
2
|
1.98
|
4.15
|
|
21
|
湘
|
4
|
5.70
|
7.04
|
49
|
混
|
3
|
4.17
|
5.26
|
|
22
|
湘
|
4
|
16.5
|
7.47
|
50
|
客
|
2
|
2.84
|
4.36
|
|
23
|
川
|
6
|
12.0
|
11.5
|
51
|
客
|
1
|
1.03
|
2.84
|
|
24
|
潮
|
4
|
6.76
|
2.84
|
52
|
粤
|
2
|
2.58
|
1.68
|
|
25
|
潮
|
8
|
23.0
|
5.60
|
53
|
混
|
2
|
2.39
|
3.19
|
|
26
|
客
|
5
|
6.21
|
19.0
|
54
|
混
|
1
|
1.15
|
2.64
|
|
27
|
川
|
6
|
23.1
|
12.5
|
55
|
东北
|
6
|
10.5
|
5.48
|
|
28
|
粤
|
4
|
7.49
|
2.60
|
56
|
粤
|
7
|
22.1
|
4.6
|
