油烟在线监测系统中气体传感器的应用

随着餐饮业的迅猛发展，产生的环境污染问题日益突出：油烟投诉案件近年来已成为环保投诉的热点；餐饮业油烟也是PM2.5的主要成因之一；餐饮业油烟废气正和工业废气、机动车尾气一起，被视为大气中的三大“污染杀手”，对人体身心健康危害极大。 国家环保部严令要求全国各省、市、自治区。直辖市环境保护局（厅）和环境保护重点城市环境保护局将油烟污染问题列入正常环境管理工作范围。按照《饮食业油烟排放标准》，限制餐饮企业的油烟最高允许排放浓度和油烟净化设施的最低去除效率。 众所周知，油烟是指食物烹饪、加工过程中挥发的油脂、有机质及其加热分解或裂解产物。烹调时，食用油和食物在高温条件下，产生的大量热氧化分解产物，主要由细颗粒物和气态物质(挥发性和半挥发性有机化合物)组成，其中部分分解产物以烟雾形式散发到空气中，形成油烟。当温度达到食用油的发烟点170℃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℃时，出现大量油烟，并伴有刺鼻的气味。 污染源主要来自燃料的燃烧和炒菜锅内的油烟气，产生的有害物种类多，毒性大，像CO、SO2、CO2、NOx、丙烷、丙烯、丁烷、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），即使用些电炊具，也会产生大量的氮氧化。这些有害物的浓度大大超过国家规定的居民区大气卫生标准，少则3-5倍，多则100倍之多。 油烟污染物成分比较复杂，既有油脂、蛋白质和原料等在受热条件下进行物理化学反应产生的有机烟气，也有加热操作过程中，油料物料液滴溅裂所分解、氧化、聚合的高分子化合物，再与燃烧烟气混合，形成气态、液态和固态的三类污染。 研究表明，油烟气组成化合物至少有300多种，其中含有多种有害化合物。油烟中主要有脂肪酸、烷烃、烯烃、醛、酮、醇、酯、芳香化合物和杂环化合物等，具体随所选用的烹调油种类、操作条件、操作规模及操作温度等的不同有很大差异。除此之外，厨房燃料在燃烧或不完全燃烧时也会产生大量的有害气体，如CO、CO2、NOx、SO2及颗粒物等。 油烟浓度在线监控系统原理 在油烟的传感器测量方面，和多家国外专业气体传感器厂家进行了深入合作。根据提供的研究数据，对相关气体传感器的参数配置提出了特别的要求，生产厂家对气体传感器的参数配置进行了优化设计。同时，采用多个气体传感器一起协同工作，而每个气体传感器都针对油烟的一部分特性做了特别优化，当多个传感器一起协同工作时，就能有效测量油烟内包含的各种成分，从而保证了油烟浓度测量结果的准确可靠。RTU模块对油烟浓度探测仪采集到的各种油烟信号进行综合计算和分析，并根据国标测量结果进行校准后得到最终油烟浓度，结果准确可靠。 根据研究结果，各种不同菜系所生成的油烟浓度范围各不相同，油烟成分有很大区别，为了能够有效的测量油烟浓度，需要采用多个气体传感器进行协同工作，通过对多个气体传感器的采样结果进行综合分析，建立相对应的数学模型，才能够比较准确的计算出油烟浓度。实际应用中，需要根据不同的地域特色，针对不同的典型油烟特点，选用不同的传感器组合，以及对传感器的参数做不同的调校配置，配以不同的分析方法和数学模型，才能够得到最准确的计算结果。 根据GB 18483-2001《饮食业油烟排放标准》，油烟浓度的标准测量方法为红外分光光度法。此标准规定了油烟的含量测量方法主要是监测油烟中的有机成分，油烟浓度在线监控系统对油烟的研究都是以此标准为依据。 图 4-1为示意图，以蓝色代表实际油烟各种成分和综合总量，红色代表标准油烟测量方法能够测量的范围，红色与蓝色的交集代表了标准测量方法的测量结果，绿色和黄色分别代表气体传感器，绿色和黄色各覆盖一部分蓝色，表示各能测量一部分油烟成分，同时也各与红色有一部分交集，表示各自的测量结果都与标准测量结果有相关性。最终得到的油烟浓度才能够更准确。 图 4-1很容易看出，使用单个气体传感器测量油烟浓度的误差会比较大，测量结果有很大的不确定性。即使在浓度相同的情况下，不同条件下产生的油烟成分区别也很大，而每一种气体传感器都有特定的气体种类探测范围，对每种可探测气体又有不同的敏感度和特征系数。这样，测量结果就会有比较大的分散性，对比标准油烟测量方法，就会出现对某些情况下产生的油烟测量比较准确，对另一些情况下产生的油烟测量结果出现较大差别，从而产生较大的误差。 由于气体传感器的测量通常与环境温度和湿度有关，因而在具体测量时常需要同时监测气体温度和湿度。为了准确计算浓度和油烟排放总量，还可能需要测量气压、风速、风量等参数。 油烟浓度关键气体传感器技术的应用 目前市场上可以选择的用于测量气体浓度的传感器型号、种类繁多，测量原理也多种多样，这就需要进行大量的实验进行测试研究。如美国Baseline的pid气体传感器和英国alphasense 的PID气体传感器，其测量原理是：传感器主要由紫外线发光管和传感部件组成，气体进入传感器后，被紫外线照射并发生电离，电离后的气体成分被传感单元监测并转换成电压信号输出，电压值与VOC气体浓度总量（TVOC）成线性正比关系。又如英国city的MICROpeL 75 可燃气体传感器，采用化学催化方法监测可燃气体。电化学气体传感器的工作原理是：采用具有催化活性的金属，如铂涂覆在一层透气但憎水的薄膜上作为电极，被测气体扩散透过多孔膜在其上进行电化学氧化或还原反应，通过电极的热力学电位与参考电极上的热力学电位之间产生电位差，对此电位差进行测量可以得到气体浓度。又如日本Figaro的TGS2600 gas sensor，其测量原理是：传感器主要由传感部件和加热部件构成，传感部件是一种金属氧化物半导体材料。加热部件在特定的电压和电流条件下，将传感部件加热到一定的高温，一般在300℃ - 500℃。这样，在特定的高温条件以及在有氧气作为介质的情况下，传感部件与气体发生作用，一般是气体从传感部件表面吸收氧离子并发生氧化，传感部件由于失去氧从而导致电阻值发生变化，一般是电阻值减小，通过测量此电阻值的变化，从而可以得知气体浓度。