化学实验室通风及废气治理工程设计

42中国环保产业2008.6技术与工程应用Technology&EngineeringApplication化学实验室通风及废气治理工程设计丁智军，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。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。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。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，湿法表1化学实验室空气主要污染物分类组成成分有机气体四氯化碳、甲烷、乙醚、乙硫醇、苯、醛类无机气体二氧化碳、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43CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2008.6技术与工程应用Technology&EngineeringApplication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。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44中国环保产业2008.6技术与工程应用Technology&EngineeringApplication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。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u0一般根据填料塔的泛点气速ut确定。根据生产经验，操作气速按泛点气速的50%～85%选用，取u0=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u0求得：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：令图1净化处理工艺流程图2Ecket填料塔泛点和压降通用关系45CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2008.6技术与工程应用Technology&EngineeringApplication则式中：HOG—传质单元（m）；NOG—传质单元数；V—气体流量（kg·mol/h）；KY—吸收总系数（kg·mol/m2·h）；αt—填料比表面积（m2/m3）；DT—填料直径（m）；Y1、Y2—气体入口、出口浓度（g/m3）。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）；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