一種新型灸療煙霧凈化設(shè)備的開發(fā)及其性能分析

摘" 要：艾灸作為一種傳統(tǒng)的中醫(yī)療養(yǎng)手段，在各大醫(yī)院、養(yǎng)生館甚至居民自家都得到應(yīng)用廣泛，然而灸療燃燒艾柱等產(chǎn)生的濃烈煙霧卻是一個(gè)難以解決的問題，這類煙霧化學(xué)成分極其復(fù)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(huán)芳烴、焦油等有毒有害物質(zhì)。那么施灸過程中擴(kuò)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(kuò)散出來的煙霧開發(fā)出一套集成燃燒加熱系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的新型凈化設(shè)備，通過物理吸附、燃燒化學(xué)反應(yīng)、氧化還原催化反應(yīng)的手段，將艾煙氣體導(dǎo)入設(shè)備回型流動(dòng)燃燒、高溫催化處理并達(dá)到室內(nèi)外排放標(biāo)準(zhǔn)，也解決為煙霧處理提供400 ℃以上高溫環(huán)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(shè)備同時(shí)滿足排放環(huán)保需求及安全需求。該集成方案機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備小巧，可以拓展靈活應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，主要是針對有排放擴(kuò)散有毒、有害氣體的環(huán)境，都可以起到凈化效果。

關(guān)鍵詞：艾煙；催化反應(yīng)；機(jī)械方案布局；設(shè)備集成；性能分析

中圖分類號(hào)：TB427""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""" 文章編號(hào)：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(xiàn)有各種對灸療煙霧的處理設(shè)備，大部分以新風(fēng)系統(tǒng)或者強(qiáng)制排氣直接引導(dǎo)氣體排放室外空氣中，小部分裝置是應(yīng)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(zhì)：苯酚屬于腐蝕性化合物，有強(qiáng)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(zhì)；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(huì)的發(fā)展環(huán)保法律的健全，直接將該煙霧超標(biāo)排放到空氣中是不符合環(huán)保要求的，且風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)因負(fù)壓會(huì)低于環(huán)境溫度，煙霧經(jīng)過極容易造成焦油凝結(jié)堵塞鼓風(fēng)機(jī)；而濾芯吸附方式對煙氣的凈化效果不佳、維護(hù)成本高，為解決上述問題，提出一種新型灸療煙霧凈化系統(tǒng)的開發(fā)方案，并對設(shè)備凈化效果進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成優(yōu)化，保證了設(shè)備的功能性、低功耗、安全環(huán)保性、便攜性及可拓展性。相比傳統(tǒng)排煙管道式和濾芯吸附式裝置[4]，該設(shè)備結(jié)構(gòu)集成度高，以高效凈化有害氣體為目的，解決了該領(lǐng)域困擾用戶的難題，由此可見該新型設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景。

1" 設(shè)計(jì)方案及工作原理

設(shè)備對煙氣處理分為4個(gè)階段：反應(yīng)載體預(yù)熱階段、氣流加熱燃燒反應(yīng)階段、氣體催化反應(yīng)階段、反應(yīng)完氣體散熱排氣階段。基于此方案流程，首先需要設(shè)計(jì)好煙霧導(dǎo)入設(shè)備到凈化完排出設(shè)備過程中氣體的流向，以盡可能小的氣流動(dòng)力損失保證氣體在設(shè)備中的暢通和穩(wěn)定流速；灸療煙霧中含有大量焦油，那么給氣流導(dǎo)入排出提供動(dòng)力的風(fēng)機(jī)就不能布置在焦油被處理前端，避免焦油吸附在風(fēng)機(jī)葉片上，造成煙霧處理不完全同時(shí)還可能會(huì)堵塞風(fēng)機(jī)，最終以設(shè)備系統(tǒng)末端布置鼓風(fēng)機(jī)的方案，在管路中形成負(fù)壓，引導(dǎo)煙霧氣體經(jīng)過設(shè)備中的各個(gè)處理環(huán)節(jié)?？紤]到設(shè)備對于煙霧負(fù)壓吸力不能太大，避免將灸療所需的藥理活性物質(zhì)[5]帶走，控制電路板對應(yīng)開發(fā)PWM調(diào)速模塊，在設(shè)備運(yùn)行過程中，通過控制鼓風(fēng)機(jī)[6]轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備吸力，滿足不同階段氣流需求，正常工作時(shí)要求設(shè)備進(jìn)氣口氣流速度為1～2 m/s。艾煙中含有未充分燃燒的碳?xì)浠衔?、碳氧化合物及各種烴類苯類有機(jī)化合物[7]，需要先將這類成分通過燃燒方式轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水及難以氧化反應(yīng)成分，再將該混合氣通過高溫催化劑載體催化氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成可排放氣體，配備的催化劑載體規(guī)格，在高溫條件下，通過的氣流速度低于2.5 m/s時(shí)，載體催化能力達(dá)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(yīng)完氣體降溫達(dá)到安全排放范圍排除設(shè)備。

2" 新型灸療凈煙設(shè)備的結(jié)構(gòu)

如圖1—圖2所示，開發(fā)的設(shè)備外觀簡潔，內(nèi)部布局緊湊，線路布置做到了強(qiáng)弱電分離。

圖3展示的是設(shè)備的4個(gè)核心模塊：自上向下分別是控制模塊、預(yù)熱反應(yīng)模塊、散熱模塊、排氣模塊，其中預(yù)熱反應(yīng)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(tài)，電源和繼電器都是220 V轉(zhuǎn)24 V的，其他用電元器件都是24 V狀態(tài)：鼓風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)扇、熔斷器、控制電路板和穩(wěn)壓控制板?？刂齐娐钒逋ㄟ^熱電偶傳感器反饋的溫度電信號(hào)判斷工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)的控制。穩(wěn)壓控制板是給鼓風(fēng)機(jī)調(diào)壓穩(wěn)壓用，因?yàn)樵O(shè)備在不同工作階段，需求不同大小的氣流，比如在設(shè)備預(yù)熱階段，需要大氣流快速升溫進(jìn)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(zhì)不被風(fēng)力帶走，設(shè)備使用結(jié)束關(guān)機(jī)階段，又需要大氣流快速降溫，如此可以做到設(shè)備工作中氣流的動(dòng)態(tài)調(diào)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(shè)備高溫穩(wěn)定反應(yīng)、保溫節(jié)能的需求，極大提升了設(shè)備防燙的安全系數(shù)；控制模塊熔斷器是65 ℃常閉開關(guān)，當(dāng)機(jī)箱內(nèi)溫度超過65 ℃，熔斷器就會(huì)斷開，設(shè)備強(qiáng)電斷開并且蜂鳴器報(bào)警，這是該高溫反應(yīng)設(shè)備的又一項(xiàng)安全保護(hù)措施；因?yàn)樯崮K是對超過400 ℃高溫氣體的強(qiáng)制快速降溫，其散熱風(fēng)扇吹出來的熱風(fēng)溫度也會(huì)持續(xù)達(dá)到45 ℃以上，為保證散熱器散熱性能的最大化，對該散熱風(fēng)扇加裝密封罩，讓經(jīng)散熱翅片下來的熱流全部由風(fēng)扇葉片鼓動(dòng)吹向地面，同時(shí)機(jī)箱散熱風(fēng)扇分別向機(jī)箱外排風(fēng)，保證機(jī)箱內(nèi)部氣流快速循環(huán)，這樣機(jī)箱內(nèi)部溫度可以穩(wěn)定在55 ℃以下，機(jī)箱表面溫度低于45 ℃。

如圖4剖視示意的氣體在進(jìn)入設(shè)備后的整體流向，最終排氣吹向設(shè)備底部，鋁翅片散熱器的散熱風(fēng)扇也是將熱量帶走吹向地面。鼓風(fēng)機(jī)前端盒內(nèi)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(fēng)扇的強(qiáng)制散熱，模擬仿真得到散熱排出端氣體溫度穩(wěn)定在43 ℃左右（圖6為散熱分析結(jié)果），理論分析可以滿足設(shè)計(jì)需求。

基于設(shè)備功能性要求：進(jìn)風(fēng)口氣流速度在1～2 m/s、反應(yīng)載體部分氣流速度小于2.5 m/s，對設(shè)備氣流做流體分析?；诜桨覆季质紫群喕鞯滥Ｐ腿鐖D7所示，標(biāo)注有進(jìn)氣方向和排氣方向。對模型進(jìn)行條件設(shè)置，入口初始平均流速定為2 m/s，圖8分析結(jié)果顯示載體段氣流速度低于1.6 m/s，滿足設(shè)備需求。同時(shí)還能看出氣流在加熱段和散熱器段產(chǎn)生渦流，這也是氣流動(dòng)力損失的重要因素，給下一步的流道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3" 新型灸療凈煙設(shè)備的性能測試

3.1" 測試條件及準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)測試是對艾煙進(jìn)入設(shè)備處理后排放結(jié)果的檢測，需要在相對密閉無風(fēng)的常溫測試間進(jìn)行，避免測試數(shù)據(jù)的失真。實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：明火灸療儀一臺(tái)、4 cm直徑艾柱、點(diǎn)火用打火機(jī)、BLATN四合一檢測儀（PM2.5、PM10、HCHO、TVOC）、新開發(fā)的灸療煙霧凈化設(shè)備、記錄數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)一臺(tái)。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備相關(guān)狀態(tài)，研發(fā)階段同步開發(fā)了一套Windows調(diào)試程序，通過485串口連接控制電路板，設(shè)備上電后可以調(diào)試初裝設(shè)備相關(guān)參數(shù)，并且記錄測試相關(guān)數(shù)據(jù)。

測試方法：優(yōu)先對設(shè)備通電，并用485轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)，調(diào)試好各項(xiàng)預(yù)設(shè)參數(shù)后，開機(jī)預(yù)熱設(shè)備并開始記錄過程數(shù)據(jù)，同時(shí)開啟四合一檢測儀放置通風(fēng)處等待。①待設(shè)備結(jié)束預(yù)熱進(jìn)入正常工作階段，將檢測儀放置在設(shè)備0.2 m范圍類，連續(xù)檢測數(shù)據(jù)30 min并錄視頻記錄下來；②完成初期環(huán)境檢測后，安裝好艾柱并將灸療儀管路連接到設(shè)備進(jìn)氣口，點(diǎn)燃艾柱同時(shí)再次開始連續(xù)檢測數(shù)據(jù)30 min并錄視頻；③等艾柱完全燃燒完后，將凈化設(shè)備關(guān)機(jī)進(jìn)入散熱階段，直至完全停止，斷開灸療儀管路與設(shè)備的連接，灸療儀再次安裝艾柱并點(diǎn)燃，將檢測儀放置在灸療儀0.2 m范圍類連續(xù)檢測數(shù)據(jù)30 min并錄視頻。

測試結(jié)束，整理計(jì)算機(jī)記錄的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和3次測試數(shù)據(jù)視頻，統(tǒng)計(jì)匯總到表格并作分析，如果數(shù)據(jù)有較大誤差，檢查實(shí)驗(yàn)儀器管路密封如何、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件是否滿足要求，并作出調(diào)整重新測試，保證得到準(zhǔn)確、可靠的測試數(shù)據(jù)，給該系列設(shè)備開發(fā)優(yōu)化提供充足依據(jù)。

3.2" 測試結(jié)果及分析

先對測試過程中凈化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是設(shè)備熱電偶傳感器的反饋結(jié)果。從溫度時(shí)間曲線結(jié)果圖9可以看出，開機(jī)75 min前，設(shè)備預(yù)熱快速升溫到正常工作階段后，溫度一直穩(wěn)定在350～400 ℃，為設(shè)備催化處理反應(yīng)做準(zhǔn)備；設(shè)備開始處理進(jìn)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(shè)備催化處理的溫度需求。這階段因?yàn)闊熿F經(jīng)過了燃燒及催化氧化反應(yīng)，會(huì)釋放能量導(dǎo)致溫度上升；煙霧處理結(jié)束后，反應(yīng)段溫度又會(huì)逐漸下降穩(wěn)定到400 ℃左右；最后設(shè)備關(guān)機(jī)散熱階段，該溫度會(huì)快速下降到指定安全溫度后完全斷電。整個(gè)過程實(shí)測與控制理論設(shè)計(jì)完全一致。

然后對四合一檢測儀測試結(jié)果匯總整理，制作了四個(gè)環(huán)境參數(shù)曲線、煙霧處理后參數(shù)曲線以及煙霧未處理的參數(shù)曲線，如圖10—13測試對比結(jié)果。實(shí)測在沒有煙霧的環(huán)境下PM2.5、PM10、TVOC 3個(gè)參數(shù)（圖表中a線條）均在室內(nèi)空氣質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的0.08 mg/m3；而煙霧未經(jīng)處理排放室內(nèi)，4個(gè)參數(shù)（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(dǎo)入設(shè)備處理后再排放室內(nèi)，4個(gè)參數(shù)（圖表中c線條）測試結(jié)果顯示全都低于沒有煙霧的環(huán)境下參數(shù)曲線，而且HCHO含量穩(wěn)定后在0.001 mg/m3左右、TVOC含量穩(wěn)定后在0.05 mg/m3以下，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，相對于煙霧未經(jīng)處理排放室內(nèi)，該凈化設(shè)備的煙霧處理效果顯著且能達(dá)到室內(nèi)排放國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果完全符合設(shè)備開發(fā)預(yù)期。

4" 結(jié)束語

從原理分析到方案開發(fā)再到性能測試，該新型灸療煙霧凈化處理設(shè)備可以填補(bǔ)這個(gè)領(lǐng)域煙霧處理困難的空缺?；谠O(shè)備煙霧處理原理，其可以拓展應(yīng)用于有煙霧或者氣體凈化比如電焊錫焊煙霧環(huán)境，而且設(shè)備集成度高、維護(hù)簡單成本低、推廣容易。還可以對核心模塊進(jìn)行并聯(lián)組裝形式，衍生大功率大處理量的設(shè)備機(jī)組，以滿足大量煙霧處理需求。

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