化学实验室通风及废气治理工程设计

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技术与工程应用

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丁智军,李家泉

(广州市中绿环保有限公司,广州 510030)

摘要:目前化学实验室的废气绝大多数都是直接排放,基本上未作废气处理。集中直接排放虽在某种程度上改善了操作人员的工作环境,但直接对大气造成了污染,严重地影响了周边地区的环境。本文介绍了一种高效率、低成本的将通风设计与实验室废气治理技术有机结合的方法。

关键词:化学实验室;废气治理;通风;工程设计

中图分类号:X701.7 文献标志码:B 文章编号:1006-5377(2008)06-0042-05

在化学实验室进行实验时会大量使用化学药品,实验过程中发生的化学反应会产生有害气体,对环境造成污染。近年来,随着人们环保意识和法律意识的增强,化学实验室的污染问题已开始受到关注。2004年2月,国家环保总局发出的《关于加强实验室类污染环境监管的通知》中指出,对于废气、废液、固体废物、噪声、放射性等污染物排放频繁、超出排放标准的实验室,要安装符合环境保护要求的污染治理设施,保证达标排放;严禁把废气、废液、废渣和废弃化学品等污染物直接向外界排放。

来说虽然很小,但是累积后产生的效应不容小视。人如果吸入过多的H2S,轻者会头疼恶心,重者则会休克。另外这些废气中有很多都是含硫化合物、含氮化合物、氮氧化合物及卤素化合物,这些气体直接排放到大气中,会加剧酸雨的形成,构成严重的社会公害。1.3 化学实验室废气排放的现状

目前化学实验室废气排放绝大多数采用的是直接排放的方式,一般实验室均采用管道集中到楼顶,用风机直接排放的方式,也有的实验室采用分散式排风扇直接排放,基本上都未对废气进行处理,只有少数国家重点实验室对废气进行处理后排放。集中直接排放虽在某种程度上局部改善了操作人员的工作环境,但直接对大气造成了污染,严重地影响了周边地区的生态环境。

因此,寻求一种高效率、低成本的将通风设计与实验室废气治理技术有机结合的方法,是很有实际意义的事情。

1 实验室废气污染源分析

1.1 化学实验室废气的组成

化学实验室室内空气污染物的种类很多,废气排放具有浓度较低、分散、成分复杂、排放具间歇性等特点,主要空气污染物如表1所示。

表1 化学实验室空气主要污染物

分类有机气体无机气体

组成成分

四氯化碳、甲烷、乙醚、乙硫醇、苯、醛类

二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、二氧化氮、

一氧化氮、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氯气、溴蒸气、氨气

2 化学实验室废气处理工艺

目前对气态污染物的处理方法一般可分为湿法和干法两大类,具体需要根据化学实验室废气的特点来选择高效率、低成本的方法。 2.1 湿法

湿法应用时间较早,在化工行业中应用较多。该方法在净化有害气体的同时也可以有效地处理高温、高湿的含尘气体以及粘性较大的尘粒。从方法上来讲,湿法

从表1可以看出,化学实验室主要空气污染物来源于两类试剂的使用:一类是无机酸,如盐酸、硝酸、氢氟酸等;另一类是有机溶剂,如苯、甲苯、三氯甲烷等。1.2 化学实验室废气的危害

进行化学实验时排放的污染物的量相对工业排污量

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属于吸收净化的范畴,是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度的不同,或者与吸收剂发生选择性化学反应,从而将有害组分从气流中分离出来的过程。此种方法具有捕集效率高、设备结构较为简单、一次性投资低、占地面积少、安装调试方便等特点,因而广泛应用于对气态污染物的处理,特别是对无机类气态污染物的控制。例如含HCl、HF、SO2、HClO等污染物的废气,都可以采用湿法进行吸收净化。具体而言即采用稀碱液或者水做吸收剂,利用喷雾系统将吸收剂充分雾化后与废气在容器内均匀混合反应,从而达到良好的吸收效果。湿法常用的设备有填料塔、板式塔、喷雾塔、文丘里洗涤器及旋转喷雾塔等。2.2 干法

从方法上来讲,干式吸收法属于吸附净化的范畴,而吸附净化是指气体混合物与适当的多孔性固体接触时,利用固体表面存在的未平衡的分子引力或者化学键力,把混合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上的过程。具有吸附作用的固体称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。该方法的优点是能回收有用组分,设备简单,操作方便,易于实现自动控制。但是因吸附剂的物化性能不同,具有较强的针对性,所以处理含不同有害物质的废气须配置不同理化性能的吸附剂,才能起到良好的气体净化作用;由于废气在通过吸附剂时的时间较短,这就要求吸附剂具有非常强的吸附能力;而且对废气中有害物质的含量有一定的要求,废气中有害物质的含量过高,废气净化的效果就会不理想;在废气通过吸附介质时,由于气流受固体介质的阻挡作用,须增加风机的功率才能保证通风系统的正常风速。吸附容量一般不高(约40%),吸附剂需要定期更换或作再生处理才能保证吸收装置的正常运行。所以该方法在实际应用中需要投入一定的费用和人力,更换下来的吸附剂或对吸附剂作再生处理时均易造成二次污染。此种方法一般用于废气中有害物质的种类相对稳定且含量较低的废气处理,这样便于采用一种有针对性的吸附剂。

设计看作一个有机整体同时进行。通风系统如何收集废气,并有效地排出废气是整体设计的第一步。实验室的通风系统应该由两部分组成:(1)大部分化学实验都在通风柜内进行,会产生较高浓度的废气,这一部分废气是主要的处理对象;(2)由于实验室内存放的不少化学药品具有挥发性,易散逸出来,还有部分实验虽不在通风柜内进行,但也会排出少量废气,所以还应该考虑实验室的整体通风,这样才能真正改善实验室的环境。3.1.1 通风系统设计

(1)实验室换气量的计算

根据以往的工程经验以及实验中有害气体的性质,换气速度可在10~20次/h之间选取。在废气对人体危害程度不高且散逸不严重的情况下,一般取下限即10次/h,如低于10次,则不能有效排除室内废气。而对于产生废气对人体危害程度较高且散逸较严重的实验室,则换气速度一般取15次/h以上。针对该化学实验室的废气产生特点,设计选用的换气速度为18次/h。该实验室的室内有效空间体积为300m3(室内体积减去室内设施体积)。

换气量计算方法为:室内有效空间体积×换气速度。 则该化学实验室的换气量为:300(m3)×18(次/h)=5400(m3/h)。即每小时排出的空气量为5400m3。

(2)高浓度废气量的估算

每个实验室内都设置一个通风柜,通风柜工作口敞开面积A=H×L=0.6(m)×3.2(m)=1.92(m2);通风柜工作口风速V=0.7m/s,泄漏安全系统取1.1,则通风量Q=V×A×3600×1.1=0.7(m/s)×1.92(m2)×3600×1.1=5322(m3/h),需要处理的废气量取5400m3/h。

计算出的换气量,可以作为通风系统的总体设计以及排气管道、风机选用的依据。

(3)室内气流方向的确定

有了足够的换气量,并不一定能有效排除室内有害气体,在室内还必须保证正确的气流方向,才能使新鲜空气进入、有害气体排出。也就是说,室内气流方向如不正确,就可能造成换气气流短路,进入室内的新鲜空气被排出了,而有害气体却仍滞留在室内,无法达到换气的目的。

一般室内气流方向的形成,取决于出风口和进风口的位置,因此应根据出风口的位置来确定进风口的位置。该化学实验室的出风口有两处,一处为室内整体排风管道,各排风口均匀布置在房间上部;另一处为通风

3 工程实例

广州某大学改建实验楼工程,主体为 1 栋 5 层建筑,总建筑高度22.4米,共有大小实验室43个。本文取其中的单个化学实验室为研究对象。3.1 方案设计

化学实验室通风系统的设计应该与废气处理系统的

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罩口,靠墙布置。因此,考虑直接以窗户作为进气区域,这就保证了室内气流方向是自下而上、由四周集中流向出风口的走向。合理的气流方向,可以确保有效地更换室内空气。

(4)通风管道的设计

该项目属于改建工程,由于实验室原有的碳钢制风管锈蚀严重,因此需要依据实验室新的布局重新进行管道设计。化学实验室位于2楼,外排废气大多为刺激性腐蚀性较强的气体,所以风管不宜选取常用的镀锌板材质,而应考虑耐腐蚀的材质。经过对比,选用了白色聚丙烯管材,聚丙烯产品具有质轻、无毒、耐腐蚀、绝缘、耐磨、易加工及良好的机械和耐温性能、整体性强、表面平整平滑、有光泽等特点。

通风管道口径的大小,直接影响通风量能否达到设计要求,也是影响管道噪声的因素之一。所选用的管道口径大小,根据通风量计算如下:

室内整体通风量与高浓度废气量均为5400m3/h =1.5m3/s,通风时内部风速取12m/s,则管道直径=[(1.5×4)/(12×3.14)]×1/2 = 399(mm)≈400(mm)。

因此在该化学实验室的设计中采用了两条400mm直径的管道,一条用于室内整体通风,上面均匀布置排风口;另一条作为通风柜排风用,两条管道由实验室穿出沿墙壁通往屋顶,然后合并进入吸收塔。3.1.2 净化系统设计

该工程的净化处理工艺流程见图1。

比表面积和良好的润湿性;较高的空隙率;气流阻力小;耐腐蚀、机械强度大、稳定性好、质量轻、造价低。填料的典型结构有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍形等。该项目选择改进型塑料鲍尔环,其比表面积大,有利于气液交换过程的充分进行。

(2)塔径

填料塔塔径的设计是根据选定的操作气速来确定的。填料塔的气速不能任意提高,当气速达到一定值时,塔的压降会陡然升高,气体夹带液沫严重,塔的正常运行状态被破坏,此时的气速称为泛点气速。不同的填料和物系具有不同的泛点气速。由Ecket等人提出的泛点、压降和各种因素之间的关系曲线见图2。

图2 Ecket 填料塔泛点和压降通用关系

图2中:横坐标 ;纵坐标 

其中:ρG 、ρL —气体、液体密度(kg/m3);

μL —液体粘度(Pa·s);Φ—填料因子(m-1);ψ—水与液体的密度之比;u —空塔速度(m/s);g — 重力加速度(9.81m/s2)。

根据曲线图可确定泛点气速ut =2.5m/s。

操作气速u 0一般根据填料塔的泛点气速u t 确定。根据生产经验,操作气速按泛点气速的50%~85%选用,取

u 0=1.5m/s。在气体处理量Q一定时,塔径D可根据选用的空塔气速u 0求得:

图1 净化处理工艺流程

上式计算结果根据公称直径圆整,取D=1600mm。(3)塔高度

填料层高度按下式计算:

由于废气中的污染物大部分为易溶于水的硫酸雾和部分盐酸雾,其水溶液呈酸性,故选用湿法(喷淋填料塔)工艺作为本项目的处理工艺。酸雾废气和吸收液在吸收塔内充分接触反应,将污染物转化为其它物质从废气中去除。

湿法(喷淋填料塔)吸收塔设计如下:(1)填料

填料的选择应满足以下几个基本要求:具有较大的

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式中:H OG —传质单元(m);N OG —传质单元数;V —气体流量(kg·mol/h);K Y —吸收总系数(kg·mol/m2·h);

喷淋管支撑

1/2″PVC螺旋喷嘴,0.15MPa

压力下流量92L/min,共5个。

喷淋干管

αt —填料比表面积(m2/m3);D T —填料直径(m);Y 1、Y 2—气体入口、出口浓度(g/m)。

计算得填料层高Z=1200mm。

整个填料塔的高度包括填料层、填料段间隙、塔顶和塔底等各部分的高度,一般填料段间隙为0.25~1.0m。鉴于该实验室废气颗粒物较少,无需另设沉淀槽,只需在塔体下部保持一定液位,作为循环液槽使用,形成塔槽合一的整体结构。

(4)填料层压力降

为尽量减少计算误差,满足工程设计的需要,填料层压力降一般采用较为实用的公式核算:

式中:ΔP —压降(Pa);Z —填料层高度(m);

3

喷淋支管

图3 喷嘴布置

喷淋覆盖率是指喷淋层覆盖的重叠度,由喷淋覆盖高度、喷淋角来确定。工程设计时通常要求塔内喷淋覆盖率为200%~300%,覆盖比较均匀。覆盖高度是指液膜离开喷嘴后至破碎前的垂直高度,取0.6m。

当喷嘴覆盖高度确定以后,就可以计算单个喷嘴的覆盖面积,即A 0=πH2tg 2(θ/2)

式中:θ—喷雾角(°);H —覆盖高度(m)。取H =0.6m,θ=90°,经计算得:A 0=1.13m 2。另塔径D =1.6m,则A =0.25πD2=2m2。喷淋覆盖率的计算公式如下:

L 、V —液体和气体质量流率(kg/m2·h);ρL 、ρG —液体和气体密度(kg/m3);α、β—实验常数。

一般填料每米压降为300~700Pa。(5)喷嘴

选择合适的喷嘴和对喷嘴进行合理布置对于保证吸收系统性能与可靠运行至关重要。喷嘴的特性参数主要有喷嘴压降、喷雾角、喷嘴流量等。选择喷嘴要首先确定喷嘴形式,然后再选定喷嘴入口工作压力、喷雾角、喷嘴流量。

1)根据工程实际情况确定喷嘴类型与材料。该工程选用螺纹喷嘴,用耐腐蚀的PVC材料制造,喷雾模式为实心锥形。这种结构紧凑的喷嘴有着畅通的流道设计,可以最大程度地减少液体阻塞,使液体在给定尺寸的管道上达到最大流量。

2)喷嘴流量通常按工艺计算确定,然后再根据喷嘴流量来确定喷嘴入口工作压力。一般来说,对于某一喷嘴品牌,喷嘴的流量与喷嘴入口的工作压力都是相对应的。

3)在选定喷嘴雾化角度时,必须与喷嘴在塔内布置相结合,以保证吸收塔内的覆盖率和覆盖均匀度。该工程的喷嘴雾化角度设计选为90°。喷嘴在塔内的布置非常重要,只有进行合理、优化的喷嘴布置设计,才能达到系统设计要求,使吸收系统达到高去除率。该项目喷嘴布置见图3。

式中:α—覆盖率(%);n —单层喷嘴数量;A 0—单个喷嘴的覆盖面积(m2);A —吸收塔的截面积(m2)。

α=[5×1.13(m2)/2m2]×100%=281%∈[200%,300%](6)结构设计

因废气主要成分为酸性废气,塔体整体结构设计与管道设计一致,均采用聚丙烯板材制作,厚度加厚,以保证结构强度。填料层下部设气流分布装置,喷淋系统上部设除水装置。塔壁上设检修观察口。

(7)吸收剂

吸收液的选择应根据废气中有毒有害成分及工程具体情况、经济效益等因素综合考虑。在低浓度废气污染治理中,水是最常用的洗涤剂,为了提高效率,常在水中添加一定比例的吸收剂作为吸收液。

本设计采用5%氢氧化钠水溶液作为吸收液。吸收剂用量主要取决于液气比,液气比的大小由设备投资和运行费用两个因素决定。该项目选取的液气比为2.5,由于系统设计风量为10,800m3/h,则循环用水量为10800×2.5/1000=27m3/h。3.1.3 风机的选型

(1)风量计算

系统设计风量Q=10,800m3/h,管网漏风附加率为15%,因此风机的风量计算值 Q f

=Q×(1+15%)

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=10,800(m3/h)×1.15=12,420m3/h。

(2)风压计算

通风系统的压力损失在300Pa左右,取管网压力损失附加率为15%;而吸收塔的压力损失一般在500Pa左右;风机全压负差系数取1.05,由此,风机的全压计算值Pf =[300(Pa)×1.15+500(Pa)]×1.05=888(Pa)。

由以上分析计算,主要设备选型及技术参数见表2。

表2 主要设备选型及技术参数

废气吸收塔空塔气速:1.5m/s

3

测试结果表明:

(1)采用水做吸收剂时,盐酸雾吸收效率在85%左右,硫酸雾吸收效率在65%左右,都取得了较良好的吸收效果,说明该吸收塔的结构及设计参数的选择较为合理;

(2)采用5%的NaOH溶液做吸收剂时,盐酸雾吸收效率在95%左右,硫酸雾吸收效率在75%左右,说明采用稀碱液做吸收剂,效率有明显增强;

(3)两种吸收剂均可使酸雾达标排放。

循环水泵

风机型号:F4-72-6C

3

4 总结

(1)整套废气净化装置成本较低,结构较简单,操作维护使用方便。

(2)由于实验室的使用是不定时的,在自动控制上采用风机与水泵联动,并在风机的控制中添加变频器进行调节,以在保证处理废气的同时,更好地平衡室内的风量风压。

(3)对于吸收剂的选择,从吸收效果的角度考虑,以选择稀碱液为宜。但实验室在正常用酸情况下,生成的废气含酸雾浓度一般较小,以自来水为吸收剂即可满足处理要求。

(4)可以将化学实验室的废气处理与室内通风有机结合起来,在进行废气处理的同时,有效改善室内的通风环境,可避免重复建设、节约项目成本。参考文献:

[1] 曹洪玉,张晔.绿色化学与实验室污染[N].赤峰学院学报(自然科学版).2007,

2(23).

型号:TD&STD40SK-3

流量:27m/h扬程:24m功率:3HP材质:FRPP数量:1台

——

3

处理风量:10,800m/h流量:8288~16,576m/h尺寸:φ1600×4500mm

材质:PP填料层厚度:1200mm压力损失:550mmH2O

重量:3.5t数量:1座

压力:1760~1116Pa

功率:7.5kW材质:玻璃钢数量:1台

——

3.2 工程效果

为测试吸收塔的吸收效率,在模拟实验室正常用酸的条件下进行测试,即在通风柜内放入20个烧杯,分别加入盐酸、硫酸,总盐酸用量300mL,硫酸用量60mL,依次序加热至发烟,吸收塔的吸收液分别采用水和5%的NaOH溶液。然后分别在吸收塔前、后位置同时采样进行测试。测试结果见表3。

表3 主要污染物及排放标准

净化后浓度

废气排风量

3

类型(m/h)

净化前浓度

3

(mg/m) 29.0300.0

吸收率

3

(mg/m)

吸收剂吸收剂吸收剂吸收剂

33

(mg/m) (mg/m) (%)(%)7.315.0

10.245.0

7595

6585

35100

[2] 郝吉明,马广大,等.大气污染控制工程[M].北京:高等教育出版社.1989. [3] 田春林.实验室通风系统的设计与测试[J].高校实验室工作研究,2007,09. [4] 周兴求主编.环保设备设计手册-大气污染控制设备[Z].2004,2.

[5] 张力,钟毅,施平平.湿法烟气脱硫系统喷淋塔喷嘴特性与布置研究[J].湖南

电力,2007,5.备,2004,11.

[6] 韩旭,韩增山.石灰石-石膏湿法FGD中喷嘴的选择及布置设计[J].电力设 [7] 张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

硫酸雾盐酸雾

10,800

注:排放标准按《广东省大气污染物排放限值标准》(DB44 27-2001)第二时段二级标准。

Engineering Design of Ventilation and Waste Gas Pollution Control in Chemical Laboratory

DING Zhi-jun, LI Jia-quan

(Sino Environment Engineering Co., LTD,Guangzhou 510030, China)

Abstract: Waste gas pollution in chemical laboratory is very severe. In many cases, waste gas in chemical laboratory was emitted directly without treatment. Although direct concentrated emission has improved the working condition for the operators, but it causes pollution to environment. The article introduces a high-efficiency and low cost method that integrates ventilation design with waste gas pollution control in laboratory.

Keywords: chemistry laboratory; waste gas pollution control ; ventilation; engineering design

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