V型活性炭过滤器在食品加工环境挥发性有机物治理中的实践案例

概述

食品加工车间在烘烤、发酵、蒸煮、清洗消毒与包装等工序中持续释放醇类、醛类、酮类与油烟气溶胶，叠加清洗剂与油墨稀释剂挥发，形成成分复杂、随班次波动的挥发性有机物背景。车间为维持正压与温湿度常用较高回风比，气相污染物难以靠稀释通风及时排出，易在冷却间与包装间累积，并带来异味投诉与串味风险。

V型活性炭过滤器把颗粒活性炭装填于连续折叠的V形滤芯单元，作为组合式空调机组或排风净化段的气相净化部件，与初效、中效过滤器串联工作。本文依据 GB/T 14295-2008、GB 14881-2013、GB 50687-2011，参照 ISO 10121-1:2014、ISO 10121-2:2013 与 ASHRAE 145.1，结合某烘焙食品企业冷却包装车间的工程实测，说明产品参数、配置方法、穿透特性、卫生控制与更换周期。

表 1 V型活性炭过滤器基本信息栏

项目	内容	项目	内容
中文名称	V型活性炭过滤器	外文名称	V-bank activated carbon gas-phase filter
类别	气相空气过滤装置	安装位置	组合式空调机组气相段、排风净化箱
滤料	煤质或椰壳颗粒活性炭、浸渍改性炭	结构形式	4～6 组V形折叠炭层单元
控制对象	醇醛酮酯、苯系物、油烟异味、甲醛	核心指标	穿透时间、吸附容量、初阻力、装炭量
配套部件	G4 初效、F7 中效、压差变送器、采样口	更换方式	抽屉式整体抽出更换

1 产品定义与结构形式

滤芯由若干组V字形折叠炭层单元并列排布，相邻褶片之间以注塑隔筋或镀锌护网保持气流通道。与同尺寸平板炭盒相比，该布置把有效过风面积扩展到迎风面积的两至四倍，炭层迎面速度下降，气体分子停留与扩散条件改善，床层阻力亦控制在通风机组可承受范围。

外框多用阻燃ABS、镀锌钢板或铝合金，端面以聚氨酯胶灌封，法兰贴EPDM密封垫阻断旁通，滤料为粒径零点八至一点五毫米的颗粒炭。蔡杰《空气过滤器原理与应用》指出，褶距与褶高决定气流均匀性，通道过窄会使该处提前穿透；食品车间还要求框体可擦拭、不积尘、不析出挥发物。

表 2 V型活性炭过滤器典型结构组成

部件	常用材料	功能要求	常见失效形式
V形炭层单元	颗粒活性炭＋双面护网	提供吸附床层与气流通道	炭粒磨损、局部板结
外框	阻燃ABS、镀锌钢板、铝合金	尺寸稳定、表面可擦拭	法兰翘曲、卡扣松脱
灌封端面	双组分聚氨酯密封胶	阻断滤料边缘旁通	转角胶缝开裂
密封垫	EPDM发泡胶条	安装面周向密封	压缩残余变形
分隔与护网	注塑筋条、镀锌冲孔网	保持褶距、约束炭层	网面变形、通道收窄

表 3 V型活性炭过滤器主要技术参数示例（工程样本整理值）

项目	规格一	规格二	规格三
外形尺寸（mm）	592×592×292	592×592×400	592×287×292
V形单元数	4	6	3
有效过风面积（m²）	约 3.8	约 5.6	约 1.9
炭层厚度（mm）	30	40	30
活性炭装填量（kg）	6.5～7.5	9.0～11.0	3.2～4.0
额定风量（m³/h）	2500	3400	1250
整机迎面风速（m/s）	2.0	2.1	2.0
初阻力（Pa）	115～140	125～150	120～150
终阻力建议值（Pa）	300	300	300
整机质量（kg）	12～14	16～19	6～8
使用温度／湿度	≤60 ℃／≤70% RH	≤60 ℃／≤70% RH	≤60 ℃／≤70% RH
预过滤配套	G4 初效＋F7 中效	G4 初效＋F7 中效	G4 初效＋F7 中效

图 1 阻燃塑料框与多组V形颗粒炭层单元构成的V型活性炭过滤器单体

2 食品加工环境挥发性有机物来源与组分特征

烘烤工序产生的美拉德反应产物以吡嗪类、呋喃类、醛类与短链醇为主，油脂受热裂解伴随油烟气溶胶；发酵与酱料工序释放乙醇、乙酸乙酯与有机酸；包装工序的复合膜印刷残留溶剂以甲苯、丁酮与乙酸乙酯居多；清洗消毒环节的过氧乙酸与乙醇构成间歇性浓度抬升。

这些组分分子量分布宽、极性差异大，单一物理吸附炭对低分子醛类与醇类的保持能力有限，工程上常以浸渍炭或复合炭层应对。HJ 644-2013 的吸附管采样与气相色谱质谱法适用于车间组分定性定量，ISO 16000-6 给出室内环境总挥发性有机物测定口径，两者可覆盖浓度监测与溯源。

表 4 食品加工工序挥发性有机物来源与代表组分

工序	主要释放物	代表组分	排放节律
烘烤与焙炒	美拉德产物、油脂裂解物	吡嗪、糠醛、己醛、丙烯醛	随炉温与投料连续释放
发酵与熟化	代谢挥发物	乙醇、乙酸、乙酸乙酯	缓慢持续、温度相关
蒸煮与油炸	水汽与油烟气溶胶	长链醛、酮类、脂肪酸	与锅次同步的短时抬升
包装与印刷	油墨残留溶剂	甲苯、丁酮、乙酸乙酯、异丙醇	换卷与调机时段偏高
清洗与消毒	消毒剂挥发物	乙醇、过氧乙酸、次氯酸分解产物	交接班集中释放
制冷与仓储	冷媒与包装材料释放	微量烃类、苯乙烯	低浓度长期背景

表 5 案例车间空气污染物浓度区间（连续监测整理值）

污染物	冷却间（mg/m³）	包装间（mg/m³）	时段特征
总挥发性有机物	0.60～2.10	0.35～1.45	烘烤出料后一小时抬升
乙醇	0.12～0.85	0.05～0.40	消毒作业后短时上升
甲醛	0.02～0.09	0.02～0.07	新包装材料入库时偏高
甲苯	0.01～0.08	0.03～0.18	印刷换卷时段出现小峰
乙酸乙酯	0.03～0.22	0.06～0.35	包装机运行时持续
油烟颗粒物	0.08～0.30	痕量～0.06	与油炸锅次同步
二氧化碳（ppm）	600～1100	550～950	人员密集时段上升

3 法规标准与限值口径

食品加工车间的空气质量控制需同时满足卫生规范与洁净用房要求。GB 14881-2013 对厂房通风、空气净化与异味防控提出原则性要求，GB 50687-2011 规定洁净用房的换气次数、压差与空气洁净度分级，GB/T 18883-2022 与 GB 3095-2012 分别用于室内空气与新风口本底比对，排口则参照 GB 37822-2019 与 GB 16297-1996 管控无组织与有组织排放。

需要说明的是，现行标准尚未对食品车间气相过滤装置给出单一效率限值，工程验收多采用供需双方约定的入口浓度、出口目标浓度与穿透时间作为判据。ISO 10121-1:2014 与 ASHRAE 145.1 提供气相过滤介质的稳态台架试验方法，ISO 10121-2:2013 面向整装装置，便于把实验室数据换算到实际风量与浓度条件。

表 6 相关标准与适用范围对照（以标准文本为准）

标准编号	名称或主题	本文引用用途
GB 14881-2013	食品生产通用卫生规范	通风、清洁与异味防控原则
GB 50687-2011	食品工业洁净用房建筑技术规范	换气次数、压差、洁净度分级
GB 50243-2016	通风与空调工程施工质量验收规范	过滤器安装严密性与漏风检查
GB 50019-2015	工业建筑供暖通风与空气调节设计规范	功能段组合与管网阻力平衡
GB/T 14295-2008	空气过滤器	过滤器分类、阻力与容尘量口径
GB/T 18883-2022	室内空气质量标准	甲醛、总挥发性有机物参考值
GB 37822-2019	挥发性有机物无组织排放控制标准	厂界与车间外排口比对
ISO 10121-1:2014	气相过滤介质性能测定	介质稳态容量与穿透试验
ISO 10121-2:2013	气相过滤装置台架试验	整装装置负荷与判据设置
ASHRAE 145.1	气相空气过滤装置试验方法	效率与压降测试程序

表 7 案例采用的出口目标浓度与检测方法

项目	入口设计值	出口目标值	检测方法
总挥发性有机物	2.0 mg/m³	≤0.30 mg/m³	HJ 644-2013／在线光离子化检测
甲醛	0.10 mg/m³	≤0.03 mg/m³	ISO 16000-3 酚试剂法
甲苯	0.20 mg/m³	≤0.04 mg/m³	吸附管采样—气相色谱
乙酸乙酯	0.35 mg/m³	≤0.08 mg/m³	吸附管采样—气相色谱
油烟颗粒物	0.30 mg/m³	≤0.05 mg/m³	重量法与在线浊度比对
异味强度	3 级左右	≤1 级	嗅辨小组三点比较式臭袋法

4 活性炭滤料理化指标与改性选择

滤料以煤质或椰壳颗粒活性炭为主，碘吸附值、四氯化碳吸附率与BET比表面积共同表征孔结构。GB/T 7701.1-2008 与 GB/T 12496 系列给出气相用颗粒炭的试验方法，装填密度与炭层厚度决定单位迎风面积的炭量与床层阻力。R.T. Yang 在《Adsorbents: Fundamentals and Applications》中把微孔填充与毛细凝聚视为中低浓度有机物捕集的两种主导机制。

针对甲醛、氨与硫化氢等极性小分子，工程上采用磷酸、高锰酸钾或金属盐浸渍改性炭，以化学吸附与催化氧化延长穿透时间，但会降低着火点并增加吸湿性。D.D. Do 的吸附动力学专著与《Carbon》期刊综述提示，浸渍量需在容量、阻力与安全性之间取平衡，食品车间还应核对浸出物检测报告。

表 8 颗粒活性炭滤料理化指标（依据 GB/T 7701.1-2008、GB/T 12496 整理）

指标	单位	典型区间	对吸附性能的意义
碘吸附值	mg/g	900～1050	表征微孔发达程度
四氯化碳吸附率	%	55～75	反映气相吸附容量
亚甲蓝吸附值	mg/g	150～210	表征中孔比例
BET 比表面积	m²/g	850～1150	决定可利用吸附位点数量
总孔容积	cm³/g	0.45～0.65	影响毛细凝聚容量
粒径	mm	0.8～1.5	影响床层阻力与传质速率
装填密度	g/cm³	0.45～0.55	决定单位体积炭量
灰分	%	≤12	灰分偏高削弱有效孔容
水分	%	≤5	影响高湿工况可用容量
着火点	℃	≥350	关乎厨房邻近区域的防火安全
丁烷活性	g/100 mL	参考 ASTM D5742 口径	用于批次一致性比对

表 9 浸渍改性炭类型与适用对象

改性类型	主要作用对象	作用机理	使用注意
未浸渍物理炭	苯系物、酯类、长链醛	微孔物理吸附	高湿下容量下降
磷酸浸渍炭	氨、胺类碱性气体	酸碱中和	吸湿性增强
高锰酸钾浸渍炭	甲醛、硫化氢、烯烃	催化氧化	着火点下降，需控温
金属盐复合浸渍炭	硫醇、二氧化硫	络合与化学吸附	需核对浸出物报告
分层复合装填	混合组分车间	物理炭前置、浸渍炭后置	分层界面需防混料

5 系统配置与工艺布置

典型配置为G4初效滤网、F7中效袋式过滤器、V型活性炭段与送风机依次串联，前置过滤把颗粒物与油雾拦截，避免炭孔被粉尘与油脂堵塞。GB 50243-2016 要求过滤器安装严密、边框无渗漏，压差监测点宜跨接在活性炭段两侧；当车间存在油烟时，前置段还需加装金属网除油器并设定清洗周期。

V型段宜布置在送风侧正压区或独立排风净化箱内，便于抽屉式抽出更换，检修空间按滤芯深度的一点二倍预留。GB 50019-2015 关于空气处理机组功能段组合的原则同样适用，机组内相对湿度宜控制在百分之七十以下，避免高湿气流长期冲刷炭层造成容量衰减与微生物滋生。

表 10 空气处理机组各级功能配置与安装要求

功能段	配置	作用	安装与检修要点
新风与回风混合段	电动调节阀、过滤网	调节新风比、拦截大颗粒	阀门行程与压差联锁
G4 初效段	板式可清洗滤网	拦截毛絮与粗尘	每两周检查，压差超 80 Pa 清洗
金属网除油器	不锈钢多层网	捕集油烟液滴	每月拆洗，防止油雾进入炭层
F7 中效段	化纤袋式过滤器	拦截细颗粒物	压差超 180 Pa 更换
V型活性炭段	6 台并联，总装炭约 62 kg	吸附气相有机物与异味	法兰压紧均匀，四周不得旁通
送风机段	变频离心风机	克服管网与滤段阻力	按压差反馈调节转速
监测与采样	压差变送器、采样口	记录阻力与出入口浓度	采样口设于气流充分混合处

6 实践案例工程概况

案例取自华东地区某烘焙企业冷却包装车间，面积约 1400 m²，净高 4.2 m，换气次数 12 次/h，额定送风量 34000 m³/h。车间设两条隧道炉冷却线与三条包装线，班制两班，烘烤与包装时段浓度呈双峰，夏季回风含湿量偏高。改造前仅设G4初效与F7中效，冷却间异味反馈集中于开班后两小时。

改造在两台组合式空调机组内各增设一组V型活性炭段，每组六台 592×592×400 mm 滤芯并联，迎面风速 2.1 m/s，活性炭段前后设压差变送器与采样口。系统自三月投入连续运行，按周记录出入口 TVOC、甲醛、温湿度与压差，累计取得 26 组有效数据，并保留同期批次记录以便回溯。

表 11 案例工程基本参数

项目	数值	项目	数值
车间面积	约 1400 m²	净高	4.2 m
设计换气次数	12 次/h	额定送风量	34000 m³/h
空调机组数量	2 台	每组滤芯数量	6 台并联
滤芯规格	592×592×400 mm	总装炭量	约 62 kg
设计迎面风速	2.1 m/s	炭层厚度	40 mm
车间温度	22～28 ℃	相对湿度	45～75% RH
新风比	20～30%	车间压差	≥5 Pa（相对邻区）
连续运行时长	6 个月	有效采样组数	26 组

图 2 设有组合式空气处理机组与顶部送风管道的食品加工洁净车间

7 动态吸附试验与穿透曲线

动态吸附试验在额定风量下以车间实际气流为介质，以在线光离子化检测器与吸附管采样并行记录，以出口浓度达到入口浓度百分之五定义为穿透点，百分之五十视为床层基本饱和。ISO 10121-2:2013 的整装装置试验判据用作台架换算参照，试验期间入口 TVOC 稳定在 1.2～1.6 mg/m³。

实测穿透曲线呈典型的S形，前段出口浓度长期低于检出限，中段快速上升，末段趋于入口值。以 Bohart-Adams 与 Yoon-Nelson 模型对曲线拟合，相关系数均高于零点九七，拟合的 50% 穿透时间约 940 h，与现场累计小时推得的更换窗口接近，说明台架数据可用于排程修订。

表 12 动态吸附试验条件

参数	设定值	参数	设定值
试验风量	3400 m³/h（单组）	迎面风速	2.1 m/s
入口 TVOC	1.2～1.6 mg/m³	示踪组分	甲苯、乙酸乙酯
入口温度	24±2 ℃	相对湿度	55±5% RH
穿透点判据	出口／入口＝5%	饱和判据	出口／入口＝50%
采样间隔	在线连续＋每 8 h 吸附管	阻力记录	每小时一次

表 13 穿透曲线关键节点实测数据（单组滤芯）

累计运行时间（h）	出口／入口（%）	出口 TVOC（mg/m³）	炭段阻力（Pa）
0	＜1	＜0.02	132
240	1.4	0.02	148
480	2.8	0.04	171
720	4.6	0.06	195
910	6.9	0.10	212
1080	18.5	0.26	224
1260	42.0	0.59	231
1440	71.0	1.00	236

表 14 动力学模型拟合结果

模型	拟合参数	五十百分比穿透时间（h）	相关系数
Bohart-Adams	速率常数与床层容量	约 930	0.978
Yoon-Nelson	速率常数与半穿透时间	约 948	0.984
Thomas 模型	速率常数与平衡容量	约 936	0.971
现场实测	累计运行小时折算	约 940	—

8 温湿度与竞争吸附影响

相对湿度上升时，水分子在炭表面微孔内形成竞争吸附与毛细凝聚，可用容量随之下降。案例数据显示，相对湿度由 45% 升至 75%，甲苯穿透时间缩短约三成，乙醇与甲醛类小分子受影响更大。K.S.W. Sing 的等温线分类工作与《Adsorption》湿空气共吸附研究亦给出类似趋势。

温度升高对物理吸附不利，但对浸渍炭的化学吸附反应有一定促进作用。案例在 22～34 ℃ 区间测得 TVOC 平衡容量下降约 9%，幅度小于湿度影响。工程上因此把除湿与温控前置，把炭段入口湿度稳定在 65% RH 以内，夏季高湿时段缩短检测间隔，避免容量估计偏于乐观。

表 15 相对湿度对穿透时间的影响（入口 TVOC 1.4 mg/m³，24 ℃）

相对湿度（% RH）	甲苯穿透时间（h）	相对 45% RH 变化	乙醇出口抬升时点
45	792	基准	约 300 h
55	735	下降约 7%	约 260 h
65	648	下降约 18%	约 210 h
75	552	下降约 30%	约 160 h

表 16 入口温度对平衡吸附容量的影响（55% RH）

入口温度（℃）	平衡吸附容量（mg/g）	相对 22 ℃ 变化	说明
22	148	基准	物理吸附占主导
26	143	下降约 3%	容量缓降
30	138	下降约 7%	脱附倾向增强
34	135	下降约 9%	浸渍炭化学吸附相对稳定

9 卫生安全与微生物控制

食品车间对过滤器本身提出卫生要求：框体表面应平整可擦拭、不脱落纤维，密封垫与灌封胶不宜析出可挥发物，炭层不得成为微生物滋生基质。GB 14881-2013 与 GB 50687-2011 强调空气净化装置应便于清洁与检查，滤芯宜采用一次性整体更换设计，避免现场倒炭产生粉尘污染与批次混淆。

运行期间按月度在炭段下游做沉降菌与浮游菌抽检，案例数据的菌落总数始终处于车间控制限内，未出现因炭段引入的微生物波动。Foo 与 Hameed 在《Chemical Engineering Journal》的活性炭表面化学综述指出，含氧官能团与灰分会改变亲水性，选材时应核对灰分、水分与浸出物指标，防止新装滤芯初期释气。

表 17 卫生安全控制项目与核查方式

控制项目	要求	核查方式	频次
框体表面	平整、可湿擦、无纤维脱落	目视与擦拭取样	安装前、每季度
密封垫与灌封胶	低挥发、无异味析出	核对材质报告与嗅辨	每批到货
滤料粉尘	装填后预吹扫，出风无炭粉	下游白布擦拭比对	更换后
浮游菌	处于车间内控限以内	撞击法采样培养	每月
沉降菌	处于车间内控限以内	平皿暴露法	每月
着火点与防火	远离热源，机组设超温联锁	核对报告与联锁试验	投运前、每半年
批次追溯	滤芯批号与生产批次对应归档	记录表格核对	每次更换

10 阻力、能耗与风机匹配

V型布置以扩展过风面积换取较低阻力，案例滤芯初阻力约 130 Pa，运行六个月升至 220 Pa，低于设定终阻力 300 Pa。活性炭段阻力增长主要来自前置过滤逃逸的细尘与油雾在护网表面的沉积，而非炭粒本身变化，因此前置段的密封与更换质量直接影响炭段寿命。

按机组风机曲线核算，阻力每增 50 Pa，风量下降约 4%，年增电耗约 1900 kW·h。孙一坚《工业通风》与 ASHRAE Handbook 的系统效应分析提示，气相过滤段应纳入管网阻力平衡计算，不能仅按初阻力选型；采用变频风机并按压差调节转速，可把风量波动控制在较小范围。

表 18 阻力与能耗实测（单台机组）

运行时点	炭段阻力（Pa）	机组总阻力（Pa）	实测风量（m³/h）	风机功率（kW）
投运初	132	610	17100	11.2
第 2 个月	168	646	16800	11.5
第 4 个月	198	676	16500	11.8
第 6 个月	220	698	16300	12.0
更换滤芯后	134	612	17080	11.3

表 19 阻力增量对应的年运行电耗估算

阻力增量（Pa）	风量降幅	功率增量（kW）	年增电耗（kW·h，按 6000 h）
50	约 4%	约 0.32	约 1900
100	约 7%	约 0.61	约 3700
150	约 10%	约 0.89	约 5300

11 更换周期、再生方式与经济性

更换判据宜采用出口浓度、累计运行小时与压差三重条件并联，任一触发即安排更换。案例中 TVOC 出口在 910 h 后缓慢抬升，压差仍处于中段，若仅凭压差判断会延后更换；按出口浓度限值设定的周期约五个月，与浸渍炭甲醛容量衰减曲线走向一致。

经济性核算把滤芯采购、更换人工、阻力增量电耗与停机损失合并计入，案例年化费用约 3.1 万元，折合每万立方米送风约 1.1 元。热再生在食品车间需评估脱附尾气处理与炭层衰减，Bansal 与 Goyal《Activated Carbon Adsorption》及《Filtration + Separation》工程评述认为，中小风量场合一次性更换更便于卫生管理与批次追溯。

表 20 更换判据与触发情况

判据	设定阈值	案例触发时间	说明
出口 TVOC	≥0.30 mg/m³	约 1080 h 达到	本案主导判据
穿透率	出口／入口 ≥5%	约 910 h 达到	提前预警
累计运行小时	≥1200 h	未先于浓度触发	兜底条款
炭段压差	≥300 Pa	未触发（末段 236 Pa）	不宜单独作为判据
异味嗅辨	≥2 级	约 1000 h 出现	人工复核

表 21 年化费用构成（两台机组合计）

费用项	计算口径	年化金额（元）	占比
滤芯采购	12 台／次 × 2.4 次／年	约 21600	约 70%
更换人工	2 人 × 4 h × 2.4 次／年	约 2900	约 9%
阻力增量电耗	按 0.8 元／kW·h 折算	约 3600	约 12%
检测与采样	第三方季度复测	约 2400	约 8%
停机与处置	计划内更换、废炭清运	约 500	约 1%
合计	—	约 31000	100%

12 运行维护与验收检测

日常维护包括每周记录压差与温湿度、每月核对采样口密封与旁通、每季度做出口浓度复测与箱体内部检查，检修后须复核法兰压紧量与密封垫压缩状态。记录表格宜与批次生产记录同期归档，便于在异味反馈或抽检异常时回溯过滤段运行状态、滤芯批号与更换时间。

验收阶段按 GB 50243-2016 检查安装严密性与漏风，按 ISO 10121-1:2014 或供需约定方法核验介质样本容量，并在额定风量下复测初阻力与出口浓度。《Indoor Air》《Building and Environment》与《暖通空调》的多项研究提示，气相过滤装置的实际表现对安装旁通与气流分布较为敏感，投运后的现场复测比单台样件数据更能反映长期效果。

表 22 运行维护计划

周期	维护项目	记录内容	责任人
每周	压差、温湿度、风量抄录	数值与趋势曲线	设备运行岗
每月	采样口密封、旁通检查、浮游菌抽检	检查表与培养结果	设备＋品控
每季度	出口浓度复测、箱体内部清洁	检测报告、清洁记录	设备＋第三方
每半年	超温联锁试验、风机曲线复核	试验记录、风量偏差	设备工程师
触发更换时	整体抽出更换、批号登记	更换单、滤芯批号	设备＋仓储

表 23 验收检测项目与合格判据

项目	方法依据	合格判据	案例结果
安装严密性	GB 50243-2016	边框无渗漏、法兰压紧均匀	合格
额定风量	风管法实测	偏差在设计值 ±10% 内	17080 m³/h，合格
初阻力	压差变送器	与样本值偏差 ≤15%	132 Pa，合格
出口 TVOC	HJ 644-2013	≤0.30 mg/m³	＜0.02 mg/m³，合格
出口甲醛	ISO 16000-3	≤0.03 mg/m³	0.012 mg/m³，合格
介质样本容量	ISO 10121-1:2014	不低于供货约定值	合格
异味嗅辨	三点比较式臭袋法	≤1 级	1 级，合格