复合式处理塔在高校实验楼废气处理中的应用

2020-10-09张孝中

实验技术与管理 2020年9期

张孝中

（中国药科大学基建后勤处，江苏南京 211198）

高校实验楼的废气种类多、成分复杂。大部分高校实验室仍以直排和补风换气作为主要的处理方式，废气处理设施有待提升[1-2]。目前国内外废气处理研究较为成熟，但大多是针对工业废气和特定污染物的有机废气处理工艺研究。主要有燃烧法、吸附法、吸收法、生物法、低温等离子体技术、光催化[3-10]等工艺。①燃烧法：通过加热，利用有机物可燃性，将废气氧化分解成 H2O、CO2。分为直接、蓄热式、催化以及蓄热式催化燃烧法，燃烧温度均在450 ℃以上。燃烧法在高校实验楼应用存在安全隐患，不宜使用。②吸附法：物理吸附为主的方法，利用分子筛、膨润土、活性炭、硅胶及氧化铝等吸附剂对污染物进行吸附，吸附剂比表面积越大、孔径越多，吸附效果越好。③吸收法：利用相似相溶、选择性化学反应去除废气中水溶性、酸碱性污染物，水是理想吸收剂，通过增加助剂可提高有机物的吸收效果。④生物法：通过附着在填料上的微生物消耗污染物，并将其最终降解成H2O、CO2和中性盐。生物法能耗低、投资少、效率高，但受限于微生物对环境的要求。⑤低温等离子：利用高能电子、自由基等活性粒子的激发，破坏原子间化学键，使有机物分解为原子和小基团，最终降解为H2O、CO2等。此技术虽然有较高的脱除效率，但氧化不彻底、副产物较多、能耗较大、选择性较强。⑥光催化：利用特定波长紫外光照射催化剂，进行的一系列“电子-空穴”对激发、有机物氧化化学反应，从而降解污染物，光催化剂主要为 TiO2。此法受到广泛关注，但在催化剂特定光源、降解机理、催化剂失活等方面还有待加强研究。

高校实验室废气治理研究，主要以“三废”及废气污染治理体系建设为主，实体治理设施应用文献数量较少。目前高校废气治理设施上，除补风直排外，多采用吸收、吸附、光催化工艺，但多为单一分体式处理方式，部分企业对于高校实验室废气的研究重点主要集中在通风柜顶部碱洗预处理上，但此法对于楼层净高有较高要求，限制了已有实验楼的废气治理改造。文章针对高校实验楼风量大、浓度低、同时含有无机物和有机物、间歇性排放等废气特点，系统提出了碱洗、活性炭复合式处理塔废气处理装置，并对其处理效果及设施优势进行了分析研究。

1 高校实验楼废气治理的特点

（1）废气呈间歇性排放。废气主要利用通风柜和集气罩收集，各个实验室的通风系统开启时间不固定，使用时长不一，废气排放不稳定。

（2）废气风量大浓度低。为满足师生对于室内空气的感受及废气高效收集效果，废气收集设备风速取值较高，一个实验室通常设置 2～8 个通风柜，单个通风柜风量约为2 000 m3/h，单个实验室废气风量约为4 000～16 000 m3/h。而高校实验室使用药剂量较小，相较于生产型企业来说，生产企业的药剂年使用总量单位以t 为计量单位，而高校年使用总量以kg 为计量单位，高校实验楼废气呈现风量大浓度低的特点[11]。

（3）废气产生点源分散，废气处理设施数量多。实验楼多为多层建筑，实验室分布于各个楼层，废气产生点源较为分散，呈立体型污染，结合实验楼建筑规模及实验室纵向分布的风井位置，屋面存在数个至数10 个废气处理设施。

（4）废气处理场地受限。根据建筑外立面效果及废气排放标准要求，废气处理设施一般设置在屋面层，而屋面往往还涉及太阳能光伏板、水机组或多联机空调相关设备，加上消防高位水箱、设备机房、暖通机房、风井、管井等设施及构筑物，废气处理系统不仅占地面积有限，而且受限于既有风井收集系统的点位布局。

2 实验楼废气净化处理系统的总体设计

2.1 系统总体设计

废气净化处理系统[12]主要分为室内废气的收集系统、自动控制系统、废气净化处理系统。废气净化处理系统流程见图1。

2.2 废气治理设施

复合式处理塔采用填料型结构形式，处理工艺为“吸收+除雾+吸附”，复合式处理塔示意见图2，其中吸收工艺去除废气中的酸性无机废气（如 HCl、H2S及酸雾等），少量不溶性无机气体及大部分的挥发性有机物VOCs 等在吸附段被吸附剂多孔壁面捕集去除。在吸附与吸收段之间设置除雾段，去除气相中夹带的液滴，降低水分对吸附工艺的影响。

图1 废气净化处理系统流程图

图2 复合式处理塔示意图

2.2.1 碱洗喷淋段

实验室废气经收集管网由风机增压输送至复合式处理塔，由进气管进入塔底部，经挡板、气体分布装置、格栅均布气流后，穿过格栅上部的球形填料层。填料层上部设置有多组螺旋喷嘴，釜底循环液经水泵增压后输送至螺旋喷嘴，并在螺旋形喷嘴剪切力作用下雾化，均匀喷洒在填料层上部表面。由下至上的气相与从上往下流动的液相在填料表面接触，发生扩散、反应、扩散等一系列过程，气相中的水溶性污染物转移至液相主体。

应用较多的散堆填料主要有拉西环、鲍尔环、金属环矩鞍，传质效率高。而规整填料主要是金属丝网波纹填料、板波纹填料及相应衍生品种。规整填料压降较小、不易堵塞，但造价比散堆填料高。为提高传质效果及废气吸收效率，降低工程造价，选用φ50 mm散堆填料鲍尔环，堆积密度87.5 kg/m3、空隙率90%、比表面积106.5 m2/m3，填料高度40 cm。

为提高酸性废气的吸收效果，吸收剂选择反应迅速、吸收效果较好的2%～6%浓度的氢氧化钠碱液。实验室废气源强较小，喷淋塔的液气比按照1 L/m3计，则循环水泵流量为 Q=10 m3/h，扬程取 20 m，功率2.2 kW。同时设置自动添加碱液的控制系统，加药泵由循环水箱内的 pH 值来控制，当循环箱的 pH 值低于设定值时，加药计量泵会自动工作，对循环箱内进行加药。当 pH 值达到设定值时，加药泵自动停止工作。存储吸收剂的循环液箱自动补充水分、药剂，并外排饱和的吸收剂循环液。

碱洗喷淋段尺寸根据选定的操作气速来确定。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。由 Ecket 等人提出的泛点、压降和各种因素之间的关系曲线[13-14]，可确定碱洗段的泛点气速为2 m/s。

以处理风量10 000 m3/h 为例，空塔气速取泛点气速70%，即1.4 m/s，则单套废气处理量10 000 m3/h的碱洗过流面积为1.98 m2，则塔径为φ1600 mm。取废气停留时间1 s，则碱洗喷淋流程长度为L=1.4 m。

2.2.2 除雾段

除雾段中，设置金属丝网及φ25 mm 散堆填料鲍尔环，堆积密度 101 kg/m3、空隙率 87%、比表面积194m2/ m3。不溶性组分随气相主体继续沿塔体向上流动，气相中的雾滴在除雾段与分布密集的丝网及鲍尔环发生惯性碰撞、破碎及汇集等复杂过程，液滴最终在壁面停留并积累至足以克服壁面作用后坠落，进而去除气相中液滴。除雾段高度30 cm。

2.2.3 吸附段

通过喷淋段和除雾段去除酸性无机污染物及液沫后，废气进入吸附段，气相中的不溶性分子受到固体壁面吸引，有机废气停留在吸附剂表面，并逐渐扩散至孔道内，实现有机废气的净化。洁净的气流由塔体排气接管排出，经排气筒排空。通过塔体顶部的检修口对吸附饱和后的活性炭进行更换。

活性炭纤维、沸石分子筛、颗粒活性炭、蜂窝活性炭、硅胶、活性氧化铝等是常用的有机废气吸附剂，其中颗粒炭和蜂窝炭应用最早也最为广泛，比表面积通常在700～1500 m2/g。为了降低喷淋段湿度对活性炭效果的影响，选用了防水型蜂窝活性炭，比表面积1050 m2/g、碘值＞850 mg/g、静态吸苯量＞32%，不但具有较好的吸附效果和较低的阻力，也便于装填及更换。根据建筑外立面效果要求，塔体高度不得超过外立面建筑格栅，吸附段的过流气速适当取大，同喷淋段的气速，取1.4 m/s，则防水性蜂窝活性炭装填面积为1.98 m2，由于实验室废气有机物浓度极低，前段喷淋段也起到了去除部分水溶性有机物的预处理效果，防水性蜂窝炭装填高度取100 mm，装填量为0.198 m3。

3 应用实例及测试方法

3.1 工程应用实例

学校某实验楼建筑面积 36 500 m2，建筑高度23.6 m，地上 5 层，层高4.5 m，柱网间距为7.8 m×9.9 m，单层建筑面积约6000 m2，建筑平面布局见图3。一个实验单元模块约200 m2，根据进驻院部实验性质，结合竖向风井设置需求，将实验组团根据实验废气排放量由大到小按楼层从高到低进行排布，实验废气排放较多的单元模块中通风柜约8 台，通风柜分布见图4。结合室内管线综合及竖向通风管道的排布，屋面合计布置69 套废气处理设施。

图3 建筑平面布局图

图4 通风柜分布图

3.1.1 室内废气的收集系统

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》《建筑设计防火规范》《科学实验室建筑设计规范》要求，实验楼内设置独立机械排风系统，并确保房间负压，通过竖向排风井道与屋面净化处理设备连接。排风机采用变频控制，补风系统采用机械补风与无动力压差补风相结合，通过气压梯度控制，确保房间负压。实验室废气收集主要源于试剂柜、集气罩、通风柜。根据实验室布局，按照风井风速小于10 m/s 的要求布置通风井道，实验室废气通过室内风井的无机玻璃钢风管收集至屋面废气净化处理系统中。

3.1.2 自动控制系统

室内废气与屋面废气处理系统依靠执行机构和自动化智能控制系统联动。在实验室内设置自动控制箱，箱内设置 DDC 模块、变频器，通讯模块采集各执行机构传输信号，PLC 智能控制器根据收集到的信号和数据及时通过控制和调整变频器的频率输出，改变屋面风机转速，达到调节风量的目的。在每台通风柜上方的废气收集管上安装有智能自动变风量风阀，通过交互式面板调整变风量风阀的开启度，信号传输给DDC，经控制系统智能整合处理，变频器传输信号调整屋面风机的转速和风量。有废气排出时，电动风阀打开，废气的吸入量和吸入速度由控制模块统一调节；无废气排出时，电动风阀则保持关闭状态，以避免无废气空排和废气倒灌，从而实现屋面废气进气的数字化调节。当废气处理系统活性炭需要更换时，活性炭阻力超出预估值，反馈压力信号，自动控制系统及时报警[15]。

3.1.3 风机选型

计算风量时：通风系统干管内风速取8～10 m/s，支管内风速取 5～8 m/s。1800 mm×850 mm×2350 mm通风柜风量约 1500～1800 m3/h，排风百叶风量约300～500 m3/h，排风罩排风量约350～500 m3/h，万向排风罩排风量约160～300 m3/h，一般实验室整体排风的换气数约 6～12 次/h。根据实验室通风柜等设备数量及相应通风井道的布局，设置了19 套5000 m3/h、18 套 7500 m3/h、10 套 10000 m3/h、2 套 12500m3/h、2 套 13000 m3/h、5 套 15000 m3/h、1 套 16000 m3/h、12 套17500 m3/h 风量的复合式处理塔，分布在各个点位。

计算风压时，通风柜阻力约70～80 Pa，万向排风罩阻力约100 Pa，顶部排风百叶阻力约40 Pa[16]。电动风阀等标准部件阻力根据所选型号查询。风管（包括管道、弯头、三通等）阻力按6～8 Pa/m 计算。复合式处理塔的阻力一般为600～800 Pa，其中，碱洗吸收段阻力约350 Pa，吸附段约400 Pa。系统局部与沿程压力损失约450 Pa。预留部分活性炭受潮后的终阻力，这样，根据压阻与风量选取防腐防爆离心风机，风机全压选择在1400～1900 Pa，功率3～11 kW。

3.1.4 汇流排气筒

根据复合式处理塔的布局及纵向实验室性质，将屋面处理设备划分为8 个区域，将区域内复合式处理塔的排气合并至一根排气筒，排气筒流速控制在10～15 m/s 之间，汇流排气筒分析表见表1。汇流风管实体图如图5 所示。

表1 汇流排气筒分析表

图5 汇流风管实体图

3.1.5 其余污染处理

复合式处理塔正常运行时，吸收段会产生废气碱洗废液，吸附段会产生饱和活性炭。通过屋面的废水管道将碱洗废水有组织排放至相应的废水处理系统，委托有资质的第三方危险废物处置单位处理更换的饱和活性炭。在废气风管与风机之间加装消音器，同时在风机外围整体设置隔音箱，将风机置于隔音箱内，以降低屋面风机噪声，不影响师生的正常科研及教学活动。

3.2 测试方法

按照《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）规定的方法，选取非甲烷总烃、氮氧化物、氯化氢、硫酸雾、苯、甲苯、二甲苯、氨等指标，对该设施污染物浓度及排放量进行监测。检测采样点为8 个排气口顶部（距离地面高度为25 m），在工作日每天采集3次，采集2 天，共6 次，取其平均测定值为最终测定值。

4 复合式处理塔应用分析讨论

4.1 复合式处理塔处理效果

根据环保验收监测数据结果显示，经复合式处理塔治理后，非甲烷总烃、氮氧化物、氯化氢、硫酸雾、苯、甲苯、二甲苯、氨等各项指标均满足《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）规定的限值（排气筒高度25 m 标准限值），各排风口处理后恶臭污染物浓度见表2，各排风口处理后恶臭污染物排放量见表3。

表2 各排风口处理后恶臭污染物浓度（mg·m-3）

表3 各排风口处理后恶臭污染物排放量

4.2 复合式处理塔占地面积

按照碱洗、吸附分段法常规组合工艺，一个10 000 m3/h风量废气治理设备尺寸约8.4 m×2.6 m，常规碱洗塔设备布置见图6，占地面积约21.84 m2。整合两端式处理工艺后，复合式处理塔装置布置见图 7，设备尺寸为4.2 m×2.65 m，占地面积约11 m2，相比常规工艺，复合式处理塔节约了50%的占地空间。

在项目中，按照节能设计要求，太阳能光伏系统占据了屋面中庭钢结构天窗，水机组空调主机占用了连廊部位，多联机空调、部分设备用房占据了连廊右侧角部屋面空间。结合室内暖通规范，建筑设计院处理设备只能在实验区屋面空间布点，约合 1200 m2。采用常规工艺则需要 69 m×21.84 m 约合 1500 m2空间，仅设备就已超出界限，无法满足工程需要。采用复合式处理塔后，设备占地约760 m2，不仅满足了建筑设计需求，同时节约了800 m2空间，方便了设备调整、施工和未来设备检修通道的预留。

4.3 复合式处理塔汇流转接空间

图6 常规碱洗塔设备布置图

图7 复合式处理塔装置布置图

按照分段法常规组合工艺来看，通常吸附段为避免气体短流，进气与出气口分别设置在吸附段箱体两侧上下侧，常规活性炭吸附箱气流组织见图 8，如考虑合并排气口，则需要增加出气段汇流弯管，按照《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2016）规定，焊接弯头的弯曲半径不应小于管道直径的 1.5倍，10 000 m3/h 风量出气口直径约60 cm，则转接口最少占用90 cm 长，直径60 cm 的立体空间，投影面积为0.6 m×0.9 m，浪费占地面积约0.55 m2。而复合式塔采用下进上出的气流组织方式，出气口上方可直接接入上端汇流管，利于紧凑布局屋面的汇流管接入，节约占地空间。

图8 常规活性炭吸附箱气流组织

4.4 复合式处理塔汇流的优势

大气污染防治法要求企业事业单位应当按照国家有关规定和监测规范，对其排放的有毒有害大气污染物进行监测，并保存原始监测记录。根据《排污单位自行监测技术指南总则》（HJ 819-2017），市、省、国家及重点污染企业等相应的环保监测频次分别有季度监测、半年和全年监测等，即高校废气排放的例行环保监测最少是一年一次。在生态环保的国家经济战略发展理念下，环保监测频次未来也可能会增加。按照常规监测内容及监测因子，1 个排气筒的监测报价大致在0.6 万元，若实验楼复合式处理塔独立排放，排气筒数量将达到69 个，不仅不便于管理，环保例行监测费用也高达40 万元，项目处理塔汇流排气筒后，排气筒数量合并为8 个，每年最少节约36.6 万元，经济效益明显。

4.5 复合式处理塔安装方式

建筑屋面防水的质保一般是5 年，结合各施工措施及养护的因素，屋面刚性保护层及防水卷材定期需要更换维修，设备若直接落在屋面刚性面层上，风机的震动、设备的运行、不均匀布置及活性炭更换时的污染均会对屋面防水产生影响，设备数量多且自重大，而上人屋面的荷载仅为 2 kN/m2，通过在屋面增加80 cm 结构框架，并满铺钢板，将设备放置在钢板上，不仅便利了整个设备的施工安装，也有利于部分屋面设备给排水管的隐蔽和维护，更为楼宇的防水定期维修提供了有效施工空间，保障了设备的正常运行。