煙草行業(yè)實驗室廢氣治理工程的技術(shù)討論

文_宋瑞霖 瀚沃環(huán)境技術(shù)（上海）有限公司

1 實驗樓群的現(xiàn)有情況及園區(qū)現(xiàn)有條件

某煙草公司實驗室廢氣處理項目共有各種類型實驗室356個，分布在8幢實驗樓。因是增項工程，故保溫層采用聚氨酯材料已經(jīng)完備，原有樓面防水已經(jīng)完好，而且還做了相應(yīng)的美化，樓面承重有限，不具備通過膨脹方式固定設(shè)備及管道的條件；項目廢氣收集已做完，且排風(fēng)管都已按環(huán)保要求進行排放口的延長處理，樓頂已被空調(diào)室外機組、消防用設(shè)備、天溝排水路徑和外墻清洗用水箱等占用了大部分面積，導(dǎo)致每一幢實驗樓的樓頂平面無管道走向空間，無廢氣處理設(shè)備的安置空間；項目原有各個實驗室的排氣管道管徑大小不一，不在同一水平面，連接主管開口位置高度不統(tǒng)一，導(dǎo)致不能在廠內(nèi)預(yù)制接駁口，只能現(xiàn)場進行開口焊接；項目園區(qū)貨運電梯有效開口寬度不足1500mm，另工作日期間不得采用吊車作業(yè)，導(dǎo)致實際工作量加大。

2 實驗樓廢氣治理工程的設(shè)計方案

2.1 治理工藝選擇

煙草燃燒時釋放的煙霧中含有3800多種已知的化學(xué)物質(zhì)，絕大部分對人體有害，包括一氧化碳、尼古丁等生物堿、胺類、腈類、醇類、酚類、烷烴、醛類、氮氧化物，多環(huán)芳烴、雜環(huán)族化合物、羥基化合物等，且各成份濃度較低風(fēng)量相對較大。處理實驗室廢氣的常見組合工藝有“堿液吸收法+活性炭吸附”“堿液吸收法+光催化”“光催化+活性炭吸附”“堿液吸收法+低溫等離子”“低溫等離子+光催化”等，其治理思路是首先除去廢氣中的酸霧或長鏈化學(xué)分子，然后采用吸附、光催化或等離子法治理余下的廢氣，最終實現(xiàn)達標(biāo)排放。

結(jié)合本項目現(xiàn)有屋面防水情況、承重能力等條件，確定為分散式處理形式，即每一個實驗室的排風(fēng)管配一套廢氣處理設(shè)備進行廢氣處理，獨立做為一個小的廢氣處理系統(tǒng)，將若干個實驗室的治理之后的廢氣匯總排放。分散式處理面對的每個實驗的處理能力相對較小。這種情況下，液洗法的工藝不適用本項目，最終通過與客戶，設(shè)計院共同研究討論，采用“低溫等離子+光催化”組合式工藝。

低溫等離子體產(chǎn)生過程中，電子能量級可以達到1～20eV(11600～250000K)，具有較高的化學(xué)斷鍵反應(yīng)活性。低溫等離子體在廢氣處理時的化學(xué)反應(yīng)過程從時間角度可劃分為4個步驟流程：①皮秒級的電子躍遷，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。②發(fā)生在納秒級尺度，不同能量溫度狀態(tài)的電子通過旋轉(zhuǎn)激發(fā)、振動激發(fā)、離解和電離等非彈性碰撞形式將內(nèi)能傳遞給氣體分子后，一部分以熱量的形式散發(fā)掉，另一部分則用于產(chǎn)生自由基等活性離子。③在形成自由基活性離子后，自由基及正負離子間會引發(fā)線性或非線性鏈反應(yīng)，該反應(yīng)發(fā)生在微秒級尺度。④由鏈反應(yīng)導(dǎo)致的毫秒到秒量級的分子間發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)。

光催化作用主要是紫外光在發(fā)生中，利用二氧化鈦作為催化劑的全稱。反應(yīng)條件溫和，光解迅速，產(chǎn)物為CO2和H2O等其它更小分子，主要原理是光催化劑吸收光最，與表面的水反應(yīng)產(chǎn)生羥基或其它活性氧以及更多的強氧化離子，其中羥基的反應(yīng)能具有120kJ/mol，高于有機物的各類化學(xué)鍵能，再加上其它活性氧化特的協(xié)同作用，可以更好的處理各類型化學(xué)分子廢氣。

確定“低溫等離子+光催化”組合式工藝后，光催化彌補了等離子的氧化性的短板，而等離子可以彌補光催化這部分的斷鍵能力，協(xié)同作用后，可以處理范圍較為廣泛的廢氣成分。

市面上等離子發(fā)生管的材質(zhì)有三種，不同的材質(zhì)對應(yīng)產(chǎn)生的等離子量也不盡相同，對三種不同等離子發(fā)生管的材質(zhì)進行了實驗選取，目的是為了選取等離子發(fā)生量最大的材質(zhì)，保證本項目的廢氣有效處理。在實驗過程中，技術(shù)人員對三種不同材質(zhì)的等離子管性能也進行了測試與選擇。具體離子發(fā)生量如圖一不同材質(zhì)的離子發(fā)生量比較圖。三種不同材質(zhì)的離子管在相同時間內(nèi)，產(chǎn)生正負離子數(shù)量如圖1不同材質(zhì)的離子發(fā)生量。橫坐標(biāo)為時間：s，縱坐標(biāo)為產(chǎn)生離子數(shù)量：萬個/cm3/s。

圖1 不同材質(zhì)的離子發(fā)生量

隨著開機時間的加長，到穩(wěn)定狀態(tài)下得到結(jié)論：①單純石墨烯離子管產(chǎn)生的電子能量比較穩(wěn)定，但其電子和等離子數(shù)量有限。②單純鍍銀質(zhì)離子管所產(chǎn)生電子數(shù)與等離子數(shù)較石墨烯離子管有了長足的進步，但電子能量相對較小，不如石墨烯材質(zhì)的穩(wěn)定。③復(fù)合式石墨鍍銀質(zhì)等離子管結(jié)合了石墨烯與銀質(zhì)離子管的優(yōu)勢，對廢氣可實現(xiàn)99%的處理覆蓋率。由于其在不同廢氣處理過程中表現(xiàn)出眾，成為本實驗等離子管材質(zhì)的優(yōu)選。

確定好離子管的材質(zhì)選擇后，結(jié)合現(xiàn)場的情況，設(shè)計廢氣處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)，設(shè)備箱體采用SUS304不銹鋼加工而成，內(nèi)置可調(diào)18～100W復(fù)合式石墨鍍銀質(zhì)等離子管，內(nèi)置184.9nm波長UV光解裝置。

2.2 處理廢氣安裝形式選擇

考慮到每個實驗室在實驗過程中，有可能引入一些易燃易爆材料進行實驗，故廢氣處理設(shè)備采用注入式，將等離子及臭氧分子通過末端風(fēng)機負壓引入管道之中進行處理。因此，本設(shè)備采用注入式，新風(fēng)的濕度與溫度會影響等離子的發(fā)生數(shù)量，在新風(fēng)進風(fēng)口處做了防水通氣格柵，并加裝聚四氟乙烯疏水性的過濾膜組件（聚四氟乙烯疏水性膜片多用于空氣過濾，疏水型具有透氣不透水的效果，空氣過濾時阻隔空氣中的水滴和灰塵等，可用于氣體傳感器保護過濾等）及無紡布組合裝置，過濾膜組件內(nèi)結(jié)構(gòu)筋，保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。避免出現(xiàn)濕度過高的空氣進入注入型離子設(shè)備箱體內(nèi)，影響等離子實際產(chǎn)生的應(yīng)用數(shù)量與斷鍵效率。同時在設(shè)備組件的開合處，都做一次性成型注膠密封工藝，避免雨水天氣時因負壓狀態(tài)時，設(shè)備箱體內(nèi)可能進入水氣。

2.3 凈化后氣體匯集方式

將原有出風(fēng)口的45°彎頭拆除，在風(fēng)機出風(fēng)口位置，加裝止回閥，最終匯入總管，由一臺風(fēng)機將就近的若干實驗室的排氣統(tǒng)一匯總排出。風(fēng)管走向采用就近集合，就近匯總，就近排放的原則。排風(fēng)管道的優(yōu)化設(shè)計，按實驗室排風(fēng)口點位，屋頂面積、立面高度等進行整體優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)管路優(yōu)化設(shè)計合理、路徑合理，滿足GB/T16157對采樣位置的要求，以及滿足GB/T16157-1996 固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法。

采樣位置優(yōu)先選擇在垂直管段，應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。采樣位置應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑和距上述部件上游方向不小于3倍直徑處（即上3下6)。由于混合比較均勻，其采樣位置可不受上述規(guī)定限制，但應(yīng)避開渦流區(qū)。如果同時測定排氣流量，采樣位置仍按上述選取。為了避免出現(xiàn)多個實驗室的排氣管匯總在一起時產(chǎn)生串氣現(xiàn)象，需要對每一個實驗室的排氣風(fēng)機排氣口進行處理，加入止回閥。因考慮到部分風(fēng)機風(fēng)量與風(fēng)壓相對較小，最小的風(fēng)量為800m3/h，風(fēng)壓僅243Pa，常用無動力止回閥無法通過風(fēng)機風(fēng)力打開，為避免電力消耗，線路增多，橋架也需加大帶來的投資成本過高，以及后期的維護更換不便的原因暫不考慮電動止回閥。這類小風(fēng)量風(fēng)壓小的采用0.3mm的鋁合金多段片定制，既能解決排風(fēng)串煙的可能，又可以及時打開保證排煙通暢。

2.4 設(shè)備自控

氣體排放處理設(shè)備包含自帶的電氣控制，每棟建筑樓各配置1套獨立控制系統(tǒng)，可通過ProFiNet方式將每個氣體處理設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和故障報警等相關(guān)信號送至BA控制系統(tǒng)。

每套廢氣處理設(shè)備自帶的電控系統(tǒng)具備的功能：①每套系統(tǒng)都設(shè)置手動、自動、禁止三種模式。手動模式下可以在觸摸屏上單獨對每個離子管和風(fēng)機進行啟停操作，自動模式下設(shè)備啟停由BA系統(tǒng)給出信號，禁止模式下該系統(tǒng)所有設(shè)備無論通過現(xiàn)場觸摸屏或遠程BA系統(tǒng)都不能啟動。②每個離子管和風(fēng)機的運行及故障狀態(tài)觸摸屏必須實時顯示并記錄。③設(shè)計的系統(tǒng)風(fēng)機的啟停及變頻控制應(yīng)符合實驗室實際使用頻率和實際排放量。

自控系統(tǒng)配備壓差傳感器在線監(jiān)測風(fēng)管內(nèi)負壓數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)絇LC內(nèi)進行PID程序運算,來控制變頻器，實時調(diào)整排風(fēng)機頻率和控制排氣管內(nèi)負壓差；來實現(xiàn)精準(zhǔn)排放節(jié)能環(huán)保目的。氣體處理設(shè)備通過由BA系統(tǒng)給出的無源觸點信號自動開啟和關(guān)閉，避免各控制室對各個樓面的所有廢氣處理設(shè)備實時控制。

3 安裝過程

本項目需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成作業(yè)，要求每一個步驟都需要緊湊，所有管道及連接件的供應(yīng)不能出現(xiàn)錯誤，以及安裝過程中不能出現(xiàn)返工情況，才能按時保質(zhì)保量的完工。

3.1 注意事項

在安裝過程中，風(fēng)機就地控制變頻器因樓面露天戶外安裝，盡管采用了戶外型不銹鋼電控箱，為避免炎熱天氣，因散熱不良而導(dǎo)致的變頻器過熱出現(xiàn)宕機的可能，影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，為此特別設(shè)計了一套通風(fēng)導(dǎo)熱流通器，基于的原由，來自于實驗室需要常年保持25℃室溫的狀態(tài)，將排出的凈化后的溫度在27℃氣體再次過濾引入?yún)R總風(fēng)機電控箱內(nèi)，將循環(huán)后的熱氣，再通過管道引入總管匯總排出，可保持電控箱內(nèi)的溫度保持在30℃以下。

此種結(jié)構(gòu)形式，可使得實驗室的恒溫恒濕氣體，在經(jīng)過凈化處理以及除濕過濾器后，通過風(fēng)管外循環(huán)進入風(fēng)機電控箱內(nèi)，最大限度的保證變頻器的溫度不超過40℃。經(jīng)最終運行時，實際測得的的溫度介于27～30℃之間。

3.2 與原有方案相比具有的優(yōu)勢（表1）

表1 材質(zhì)比較

3.3 工程調(diào)試與移交

本項目整個調(diào)試過程包含電氣系統(tǒng)調(diào)試、風(fēng)機單機試運轉(zhuǎn)、廢氣處理系統(tǒng)單機調(diào)試、風(fēng)管漏光漏風(fēng)測試以及所有設(shè)備聯(lián)動測試以及并網(wǎng)與BA測試。

3.3.1 電氣系統(tǒng)調(diào)試

主要檢測防雷接地、低壓配電柜（箱）及配電線路、照明、電動機和各種弱電系統(tǒng)等。

3.3.2 風(fēng)機調(diào)試

風(fēng)機經(jīng)一次啟動立即停止運轉(zhuǎn)，檢查葉輪與機殼有無摩擦和不正常的聲響；風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與機殼上箭頭所示方向一致；風(fēng)機啟動后，如發(fā)現(xiàn)機內(nèi)有異物時，應(yīng)立即停機，設(shè)法取出異物。風(fēng)機啟動時，應(yīng)用鉗型電流表測量電動機的啟動電流，待風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)后再測量電動機的運轉(zhuǎn)電流。如運轉(zhuǎn)電流值超過電機額定電流值時，應(yīng)將總風(fēng)量調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小，直到回降到額定電流值。在風(fēng)機運轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)以金屬棒或長柄螺絲刀，仔細監(jiān)聽軸承內(nèi)有無噪聲，以判定軸承是否有損壞或潤滑油中是否混入雜物。風(fēng)機運轉(zhuǎn)一段時間后，用表面溫度計測量軸承溫度，所測量溫度值不應(yīng)超過設(shè)備說明書中的規(guī)定。

3.3.3 廢氣處理系統(tǒng)調(diào)試

①準(zhǔn)備工序。檢查廢氣處理系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)的部件是否齊全；檢查廢氣處理設(shè)備各緊固連接部位不得松動； 調(diào)整廢氣處理設(shè)備所在管道相應(yīng)的功率。②運行。檢查電路是否通電，顯示開關(guān)是否正常；所有等離子放電狀態(tài)；UV光解裝置照度狀態(tài)； 開關(guān)旋鈕是否有卡滯。

經(jīng)過一系列的調(diào)試與試運行，可以達到驗收合格后，報請第三方做排放指標(biāo)檢測，廢氣排放符合《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》DB31-933-2015相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)正式竣工，并移交業(yè)主方。

4 結(jié)語

煙草實驗室廢氣處理項目的產(chǎn)品設(shè)計取得的成果總結(jié)與思考：①分散式廢氣治理，可以有針對性的對每個試驗室所產(chǎn)生的廢氣進行不同工藝的選擇，同時可以有效避免樓面承重問題，更加有效的管理運營，節(jié)約運營成本。②分散處理之后，凈化后的排氣管道匯總在一處，為環(huán)保檢測人員降低檢測工作量，同時也可以減少后期檢測方面的后期費用。③要做好止回閥的材質(zhì)選擇與形式選擇，廢氣凈化后的排氣管道的規(guī)劃設(shè)計，可以有效控制廢氣單向運行，也可避免非同時開啟的實驗室廢氣倒灌、串氣。另外，采用此分散性廢氣處理匯總收集的方式將原來的356個取樣口直接減少為19個，大大減少了后期環(huán)保取樣的工作量及按點收費的費用。④此種方法與工藝不僅適用于老舊實驗樓群的改造，也可納入新實驗樓總體規(guī)劃設(shè)計方案中。