化学实验室通风及废气治理工程设计研究

2024-05-28汪生华

大科技 2024年21期

王钊，孟杰，汪生华

（1.杭州众达实验设备有限公司，浙江杭州 311107；2.浙江协恒科技有限公司，浙江衢州 324000；3.杭州环保成套工程有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

实验室污染物常被人忽视，比如高校实验室，科技创新能力的提升带来了更加频繁的科研活动，作为严重污染源之一，滞后、不够规范的废气治理与通风系统不仅会伤害到实验室使用人员的身体健康，还会带来环境污染事故，影响人和自然的和谐发展。本文以高校化学实验室为例，分析通风机废气治理工程设计，提高化学实验室的安全与能效。

1 化学实验室废气概述

化学实验室废气构成复杂，可分为两种，分别为有机废气与无机废气。其中，前者以四氯化碳、乙硫醇、甲烷、醛类、乙醚、苯为主；后者以二氧化碳/硫、氮、硫化氢、氨气、一氧化氮、氯气、溴化氢等为主。与工业生产期间产生的废气不同，化学实验室废气体量、浓度均相对较小，但成分复杂、分散，排放具有间歇性，若是废气累积也会产生不容小视的恶劣效应[1]。尤其在人体危害方面，以硫化氢为例，若实验室通风系统较为老旧，废气治理效果不佳，导致实验室使用者吸入较多硫化氢，轻则头疼恶心，重则休克。对于环境来说，若废气未经规范处理便排出，将加剧酸雨等现象，影响大气、水体、土壤环境，由此带来严重社会公害。

2 研究化学实验室通风及废气治理工程设计要点

现阶段，应用于化学实验室废气的治理手段有干、湿之分，为强化本文研究结果的真实可靠性，故引入某高校化学实验室。

2.1 通风设计

2.1.1 气量计算

为使化学实验室通风系统顺利发挥作用，需计算实验室换气量与废气量。

（1）换气量计算。根据此类实验室常见的有害气体，换气速度区间在10～20 次/h。一般情况下，10 次/h主要用于散逸程度低、废气危害程度小的场景，反之则取15 次/h 以上。由于案例实验室为改建工程，逸散方面无法得到保证，外加实验室有效空间体积较大（300m2），故设计换气速度为18 次/h。由此可得到案例实验室换气量（室内有效空间体积×换气速度）为5400m2/h。

（2）废气量估算。室内设有通风柜，根据其工作口敞开面积、工作风速、泄露安全系数（取1.1），可计算得到废气量。公式如下：

式中：Q——实验室废气量，m3/h；V——通风柜工作风速，m/s，案例实验室为0.7m/s；A——通风柜工作状态下的敞口面积，m2，案例实验室为1.92m2。

通过将数值一一代入，案例实验室废气量在5400m3/h 左右。

2.1.2 气流方向

正确气流方向的明确，有助于提高室内有害气体排除效率，故在设计化学实验室通风系统时，需确定室内气流方向，避免换气气流短路[2]。一般情况下，室内气流方向与进风口、出风口的位置有关，案例实验室出风口分别位于房间上部和靠墙位置，进风口以窗户为主，这意味着室内气流的循环往复方向为至下而上，从四周集中流向出风口。

2.1.3 通风管道

由于案例实验室建造时间较早，故风管以碳钢制为主，为提高实验室通风性能，本次项目需要根据布局方案重新设计管道。案例实验室位于整幢楼的二层，根据实验室使用需求，其废气以刺激性气体为主，故优选耐腐蚀管道。在管道规格设计方面，为保证管道口径满足通风量需求，同时避免噪声产生，需根据通风量估算管道直径，根据上述数值，管道直径设计为40cm 左右。案例实验室选用两条管道，分别用于整体通风和通风柜排风，沿墙壁设计使用，合并进入吸收塔。

2.1.4 定/变排风系统设计

相较于以往“定风量排风+自然补风”系统，案例实验室调整为“定风量+变风量”排风设计。其中，排风柜为定风量排风柜，排风系统风阀为手动调节，风量整定后不作调节。当排风柜处于开启状态时，搭配设计空调新风换气。同时，为使实验室总排风量稳定，定风量柜门上方设置旁通百叶，当柜门降低时，旁通排风量增大。

在变风量排风系统设计方面，排风管上的变风量调节阀保证排风柜门启闭时面风速满足控制要求，阀门开度通过面风速信号或柜门位移信号控制。其他需保持稳定排风量的排风设施如药品柜等的排风管可采用压力无关定风量阀，维持排风量恒定。其中，排风机可采用定静压法或总风量法实现变频控制。

2.1.5 补风系统设计

受建筑室内风平衡影响，一般化学实验室需保持微负压，根据《科研建筑设计标准》（JGJ 91—2019）文件，设置机械送排风的实验室建筑应进行风平衡及热平衡的分析计算，在排风量较大时应设置机械补风系统。案例实验室主要根据门窗渗透量确定补风量，以自然进风为主。另外，设计使用分散式变风量补风系统，通过单个实验室风机变频的方式即可实现风量调节。

2.1.6 风机选型

案例实验室系统设计风量（Q）为10800m3/h，管网漏风附加率15%，在该情况下，风量计算公式如下：

式中：Q——实验室系统设计风量，m3/h；Qf——风机风量，m3/h。

根据式（2），案例实验室风机风量为12420m3/h。

由于现场检测得到系统压力损失在300Pa 左右，同时存在管网压力损失（取值15%），外加废气处理期间喊声的压力损失（取值500Pa），在风机全压负差系数为1.05 的情况下，风机风压为888Pa。根据风压及上述数据选择合适的风机设备，案例实验室所选设备规格为：流量在8288～16576m3/h；压力在1116～1760Pa；功率为7.5kW。

2.2 废气处理设计

由于案例实验室废气以硫酸雾、盐酸雾为主，均易溶于水，故设计选用湿法（喷淋填料塔）吸收塔治理废气，治理流程如图1 所示。从湿法（喷淋填料塔）吸收塔进行废气治理设计时，应从塔径、填料、喷嘴、压降、塔高5 个方面入手。

图1 废气治理流程

2.2.1 塔径

从废气治理角度设计喷淋填料塔时，应以操作气速为依据设计塔径。结合设计来看，喷淋填料塔操作气速不可一味提升，当该参数达到特定程度后，将会引发喷淋填料塔压降骤然升高现象，破坏喷淋填料塔原有的运行状态，出现上述现象时的操作气速又被称之为泛点气速[3]。不同物系、不同填料的泛点气速各有不同。结合现有研究来看，泛点气速与密度、粘度、填料因子、空塔速度、重力加速度等指标进行确定，通常情况下，喷淋填料塔的泛点气速为2.5m/s。确定泛点气速后，则可按照泛点气速数值确定喷淋填料塔的操作气速，结合实践经验来看，1/2～3/4 的泛点气速则为操作气速，若泛点气速为2.5m/s，则操作气速通常为1.5m/s。随后则可充分考虑气体处理量、操作气速而明确喷淋填料塔塔径。

2.2.2 填料

喷淋填料塔填料应具备优异湿润性及较好比表面积，同时具备良好稳定性、机械强度，且要求质量低、气流阻力低，当满足上述要求后，进一步控制填料成本即可。在化学实验室废气治理设计期间，可原则阶梯环、鲍尔环、拉西环等结构的填料。

2.2.3 喷嘴

喷嘴性能可影响喷淋填料塔运行效果，化学实验室废气治理设计时可选择螺纹喷嘴，材料为PVC，耐腐蚀性较强，此外，要求喷嘴流道通畅，降低喷嘴液体阻塞问题的出现概率。完成喷嘴材料及结构选择后，以工艺为依据确定喷嘴流量及雾化角度。一般情况下，完成喷嘴选择后，其喷嘴流量已基本固定。从雾化角度来看的，为确保喷嘴能够充分覆盖喷淋填料塔内部区域，应将雾化角度设计为90°，并将喷嘴设置于特定位置，最大限度地去除废气。采用喷淋填料塔方式治理废气时，喷嘴的喷淋覆盖率应控制在200%左右，并实现均匀覆盖。

2.2.4 压降

喷淋填料塔填料层压降主要结合气体密度、气体质量流率、液体，密度、液体质量流率、填料层高度进行合理设计。但通常情况下，化学实验室进行废气治理设计时，所运用的喷淋填料塔填料层压降多为300～700Pa/m[4]。

2.2.5 塔高

填料层高度应根据传质单元数、调料直径、填料比表面积、吸收总共系数、气体流量、气体出入口浓度进行确定。此外，设计喷淋填料塔高度时，还应同时确定填料段间隙，而填料段间隙通常情况下处于25～100cm。化学实验室以废气治理为目标设计喷淋填料塔时，因废气内的颗粒物成分相对较少，故无须在喷淋填料塔内部额外增设沉淀槽，可直接于喷淋填料塔下部维持一定液位，将其作为液槽结构即可。

2.2.6 结构设计

由于案例实验室每日产生的废气以酸性废气为主，故塔体结构选用聚丙烯板材，为保证结构强度，加大厚度，结构设计与管道设计相统一。将气流分布装置设置在填料层下部，将除水装置设置在喷淋系统上部，为给后续检修、维护提供便利，将检修观察口设置在塔壁上。

2.2.7 吸收剂设计选用

综合考虑实验室废气主要成分、工程效益目标后，案例实验室设计选用5%氢氧化钠水溶液作为吸收液。同时，设计应用27m3/h 的循环用水量。

2.3 设计效益

模拟化学实验室通风系统及废气处理工程测试效果，发现盐酸雾吸收效率在95%左右，硫酸雾吸收效率在75%左右，室内空气质量达标。由此可见，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，同时，可有效改善室内的通风环境，避免重复建设、节约项目成本。

3 化学实验室通风及废气治理工程设计展望

在当前时代背景下，化学实验室通风机废气治理工程愈发注重环境保护与节能降耗，因此，此类工程的设计发展方向与要点可总结如下。

（1）基于安全前提设计应用节能技术与产品。优选变风量控制系统，精准控制排风柜风俗的同时，减少运行能耗；采用“余风量+压差监视”控制设计，利用新一代信息技术实施监控通风与废气治理情况；为提高通风系统节能水平，采用“双静压控制点”的定静压变频设计；设备产品优选国家节能认证。

（2）应用U 型除湿三维热管技术。热管属于传热元件，利用工质汽液相变来吸收和释放热量。热管换热器具有结构紧凑、体积小、压降低、效率高以及无辅助动力等优点，吸收外面流动空气的热量时产生毛细压力，进而形成热毛细动力循环。三维热管气流流向如图2 所示。

图2 三维热管气流流向

通过将其安装于空调箱表冷器两侧，能够高效率处理外部空气。夏季时，针对室外高温、高湿空气的处理可依靠该装置实现，通过表冷段深度降温、除湿，然后通过U 型除湿三维热管二次除湿，最后进入风机成为化学实验室的新风补偿[5]。该技术装置可广泛应用于华东、华南等夏季室外空气高温高湿地区及化学实验室，满足实验室全新风工况运行需求，解决空气再热、高温高湿空气预冷/过冷饱和等问题。相较于其他技术方法，该技术基本实现过程零损耗，可有效节省实验室电费，提高工程设计、应用效益。