烟草行业实验室废气治理工程的技术讨论

文_宋瑞霖 瀚沃环境技术（上海）有限公司

1 实验楼群的现有情况及园区现有条件

某烟草公司实验室废气处理项目共有各种类型实验室356个，分布在8幢实验楼。因是增项工程，故保温层采用聚氨酯材料已经完备，原有楼面防水已经完好，而且还做了相应的美化，楼面承重有限，不具备通过膨胀方式固定设备及管道的条件；项目废气收集已做完，且排风管都已按环保要求进行排放口的延长处理，楼顶已被空调室外机组、消防用设备、天沟排水路径和外墙清洗用水箱等占用了大部分面积，导致每一幢实验楼的楼顶平面无管道走向空间，无废气处理设备的安置空间；项目原有各个实验室的排气管道管径大小不一，不在同一水平面，连接主管开口位置高度不统一，导致不能在厂内预制接驳口，只能现场进行开口焊接；项目园区货运电梯有效开口宽度不足1500mm，另工作日期间不得采用吊车作业，导致实际工作量加大。

2 实验楼废气治理工程的设计方案

2.1 治理工艺选择

烟草燃烧时释放的烟雾中含有3800多种已知的化学物质，绝大部分对人体有害，包括一氧化碳、尼古丁等生物碱、胺类、腈类、醇类、酚类、烷烃、醛类、氮氧化物，多环芳烃、杂环族化合物、羟基化合物等，且各成份浓度较低风量相对较大。处理实验室废气的常见组合工艺有“碱液吸收法+活性炭吸附”“碱液吸收法+光催化”“光催化+活性炭吸附”“碱液吸收法+低温等离子”“低温等离子+光催化”等，其治理思路是首先除去废气中的酸雾或长链化学分子，然后采用吸附、光催化或等离子法治理余下的废气，最终实现达标排放。

结合本项目现有屋面防水情况、承重能力等条件，确定为分散式处理形式，即每一个实验室的排风管配一套废气处理设备进行废气处理，独立做为一个小的废气处理系统，将若干个实验室的治理之后的废气汇总排放。分散式处理面对的每个实验的处理能力相对较小。这种情况下，液洗法的工艺不适用本项目，最终通过与客户，设计院共同研究讨论，采用“低温等离子+光催化”组合式工艺。

低温等离子体产生过程中，电子能量级可以达到1～20eV(11600～250000K)，具有较高的化学断键反应活性。低温等离子体在废气处理时的化学反应过程从时间角度可划分为4个步骤流程：①皮秒级的电子跃迁，电子从基态跃迁到激发态。②发生在纳秒级尺度，不同能量温度状态的电子通过旋转激发、振动激发、离解和电离等非弹性碰撞形式将内能传递给气体分子后，一部分以热量的形式散发掉，另一部分则用于产生自由基等活性离子。③在形成自由基活性离子后，自由基及正负离子间会引发线性或非线性链反应，该反应发生在微秒级尺度。④由链反应导致的毫秒到秒量级的分子间发生热化学反应。

光催化作用主要是紫外光在发生中，利用二氧化钛作为催化剂的全称。反应条件温和，光解迅速，产物为CO2和H2O等其它更小分子，主要原理是光催化剂吸收光最，与表面的水反应产生羟基或其它活性氧以及更多的强氧化离子，其中羟基的反应能具有120kJ/mol，高于有机物的各类化学键能，再加上其它活性氧化特的协同作用，可以更好的处理各类型化学分子废气。

确定“低温等离子+光催化”组合式工艺后，光催化弥补了等离子的氧化性的短板，而等离子可以弥补光催化这部分的断键能力，协同作用后，可以处理范围较为广泛的废气成分。

市面上等离子发生管的材质有三种，不同的材质对应产生的等离子量也不尽相同，对三种不同等离子发生管的材质进行了实验选取，目的是为了选取等离子发生量最大的材质，保证本项目的废气有效处理。在实验过程中，技术人员对三种不同材质的等离子管性能也进行了测试与选择。具体离子发生量如图一不同材质的离子发生量比较图。三种不同材质的离子管在相同时间内，产生正负离子数量如图1不同材质的离子发生量。横坐标为时间：s，纵坐标为产生离子数量：万个/cm3/s。

图1 不同材质的离子发生量

随着开机时间的加长，到稳定状态下得到结论：①单纯石墨烯离子管产生的电子能量比较稳定，但其电子和等离子数量有限。②单纯镀银质离子管所产生电子数与等离子数较石墨烯离子管有了长足的进步，但电子能量相对较小，不如石墨烯材质的稳定。③复合式石墨镀银质等离子管结合了石墨烯与银质离子管的优势，对废气可实现99%的处理覆盖率。由于其在不同废气处理过程中表现出众，成为本实验等离子管材质的优选。

确定好离子管的材质选择后，结合现场的情况，设计废气处理设备的结构，设备箱体采用SUS304不锈钢加工而成，内置可调18～100W复合式石墨镀银质等离子管，内置184.9nm波长UV光解装置。

2.2 处理废气安装形式选择

考虑到每个实验室在实验过程中，有可能引入一些易燃易爆材料进行实验，故废气处理设备采用注入式，将等离子及臭氧分子通过末端风机负压引入管道之中进行处理。因此，本设备采用注入式，新风的湿度与温度会影响等离子的发生数量，在新风进风口处做了防水通气格栅，并加装聚四氟乙烯疏水性的过滤膜组件（聚四氟乙烯疏水性膜片多用于空气过滤，疏水型具有透气不透水的效果，空气过滤时阻隔空气中的水滴和灰尘等，可用于气体传感器保护过滤等）及无纺布组合装置，过滤膜组件内结构筋，保证其结构的稳固性。避免出现湿度过高的空气进入注入型离子设备箱体内，影响等离子实际产生的应用数量与断键效率。同时在设备组件的开合处，都做一次性成型注胶密封工艺，避免雨水天气时因负压状态时，设备箱体内可能进入水气。

2.3 净化后气体汇集方式

将原有出风口的45°弯头拆除，在风机出风口位置，加装止回阀，最终汇入总管，由一台风机将就近的若干实验室的排气统一汇总排出。风管走向采用就近集合，就近汇总，就近排放的原则。排风管道的优化设计，按实验室排风口点位，屋顶面积、立面高度等进行整体优化设计，系统管路优化设计合理、路径合理，满足GB/T16157对采样位置的要求，以及满足GB/T16157-1996 固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法。

采样位置优先选择在垂直管段，应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径和距上述部件上游方向不小于3倍直径处（即上3下6)。由于混合比较均匀，其采样位置可不受上述规定限制，但应避开涡流区。如果同时测定排气流量，采样位置仍按上述选取。为了避免出现多个实验室的排气管汇总在一起时产生串气现象，需要对每一个实验室的排气风机排气口进行处理，加入止回阀。因考虑到部分风机风量与风压相对较小，最小的风量为800m3/h，风压仅243Pa，常用无动力止回阀无法通过风机风力打开，为避免电力消耗，线路增多，桥架也需加大带来的投资成本过高，以及后期的维护更换不便的原因暂不考虑电动止回阀。这类小风量风压小的采用0.3mm的铝合金多段片定制，既能解决排风串烟的可能，又可以及时打开保证排烟通畅。

2.4 设备自控

气体排放处理设备包含自带的电气控制，每栋建筑楼各配置1套独立控制系统，可通过ProFiNet方式将每个气体处理设备的运转状态和故障报警等相关信号送至BA控制系统。

每套废气处理设备自带的电控系统具备的功能：①每套系统都设置手动、自动、禁止三种模式。手动模式下可以在触摸屏上单独对每个离子管和风机进行启停操作，自动模式下设备启停由BA系统给出信号，禁止模式下该系统所有设备无论通过现场触摸屏或远程BA系统都不能启动。②每个离子管和风机的运行及故障状态触摸屏必须实时显示并记录。③设计的系统风机的启停及变频控制应符合实验室实际使用频率和实际排放量。

自控系统配备压差传感器在线监测风管内负压数据，实时传输到PLC内进行PID程序运算,来控制变频器，实时调整排风机频率和控制排气管内负压差；来实现精准排放节能环保目的。气体处理设备通过由BA系统给出的无源触点信号自动开启和关闭，避免各控制室对各个楼面的所有废气处理设备实时控制。

3 安装过程

本项目需要在规定的时间内完成作业，要求每一个步骤都需要紧凑，所有管道及连接件的供应不能出现错误，以及安装过程中不能出现返工情况，才能按时保质保量的完工。

3.1 注意事项

在安装过程中，风机就地控制变频器因楼面露天户外安装，尽管采用了户外型不锈钢电控箱，为避免炎热天气，因散热不良而导致的变频器过热出现宕机的可能，影响整个系统的运转，为此特别设计了一套通风导热流通器，基于的原由，来自于实验室需要常年保持25℃室温的状态，将排出的净化后的温度在27℃气体再次过滤引入汇总风机电控箱内，将循环后的热气，再通过管道引入总管汇总排出，可保持电控箱内的温度保持在30℃以下。

此种结构形式，可使得实验室的恒温恒湿气体，在经过净化处理以及除湿过滤器后，通过风管外循环进入风机电控箱内，最大限度的保证变频器的温度不超过40℃。经最终运行时，实际测得的的温度介于27～30℃之间。

3.2 与原有方案相比具有的优势（表1）

表1 材质比较

3.3 工程调试与移交

本项目整个调试过程包含电气系统调试、风机单机试运转、废气处理系统单机调试、风管漏光漏风测试以及所有设备联动测试以及并网与BA测试。

3.3.1 电气系统调试

主要检测防雷接地、低压配电柜（箱）及配电线路、照明、电动机和各种弱电系统等。

3.3.2 风机调试

风机经一次启动立即停止运转，检查叶轮与机壳有无摩擦和不正常的声响；风机的旋转方向应与机壳上箭头所示方向一致；风机启动后，如发现机内有异物时，应立即停机，设法取出异物。风机启动时，应用钳型电流表测量电动机的启动电流，待风机正常运转后再测量电动机的运转电流。如运转电流值超过电机额定电流值时，应将总风量调节阀逐渐关小，直到回降到额定电流值。在风机运转过程中，应以金属棒或长柄螺丝刀，仔细监听轴承内有无噪声，以判定轴承是否有损坏或润滑油中是否混入杂物。风机运转一段时间后，用表面温度计测量轴承温度，所测量温度值不应超过设备说明书中的规定。

3.3.3 废气处理系统调试

①准备工序。检查废气处理系统和附属系统的部件是否齐全；检查废气处理设备各紧固连接部位不得松动； 调整废气处理设备所在管道相应的功率。②运行。检查电路是否通电，显示开关是否正常；所有等离子放电状态；UV光解装置照度状态； 开关旋钮是否有卡滞。

经过一系列的调试与试运行，可以达到验收合格后，报请第三方做排放指标检测，废气排放符合《大气污染物综合排放标准》DB31-933-2015相关标准。实现正式竣工，并移交业主方。

4 结语

烟草实验室废气处理项目的产品设计取得的成果总结与思考：①分散式废气治理，可以有针对性的对每个试验室所产生的废气进行不同工艺的选择，同时可以有效避免楼面承重问题，更加有效的管理运营，节约运营成本。②分散处理之后，净化后的排气管道汇总在一处，为环保检测人员降低检测工作量，同时也可以减少后期检测方面的后期费用。③要做好止回阀的材质选择与形式选择，废气净化后的排气管道的规划设计，可以有效控制废气单向运行，也可避免非同时开启的实验室废气倒灌、串气。另外，采用此分散性废气处理汇总收集的方式将原来的356个取样口直接减少为19个，大大减少了后期环保取样的工作量及按点收费的费用。④此种方法与工艺不仅适用于老旧实验楼群的改造，也可纳入新实验楼总体规划设计方案中。