康宇潔張繼英

1.航天材料及工藝研究所 2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所

燒結(jié)爐氟化物尾氣凈化的工程設(shè)計(jì)

康宇潔1張繼英2

1.航天材料及工藝研究所 2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所

治理塵毒作業(yè)的工程技術(shù)，是改善職業(yè)衛(wèi)生條件和保護(hù)環(huán)境的綜合工程。文章通過介紹作者工作中對燒結(jié)爐氟化物尾氣凈化工程設(shè)計(jì)的實(shí)例，為從事職業(yè)安全衛(wèi)生工作者提供理論聯(lián)系實(shí)際的參考案例。

尾氣凈化；環(huán)境工程設(shè)計(jì)；垂直篩板塔；VST凈化塔

1 概述

1.1 氟化物廢氣的來源及危害

氟化物廢氣是指工業(yè)排放的含氟的氣體化合物廢氣，本文闡述的氟化物是生產(chǎn)聚四氟乙烯時燒結(jié)過程中從燒結(jié)爐中產(chǎn)生的無機(jī)氟化物。原料在燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度在300℃～380℃之間，燒結(jié)過程中主要產(chǎn)生物是氟化硅。

氟化物排放到大氣中，還會對環(huán)境造成破壞。因此，氟化物廢氣也是被限制排放的有害氣體，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/501-2007）《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中對氟化物的排放限制，見表1。

表1 北京市地方標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/501-2007）中氟化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

氟塑料生產(chǎn)車間燒結(jié)爐布置，如圖1。操作間有4臺燒結(jié)爐，燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)類似烘箱，其后背（靠墻）有一個直徑120mm圓形排氣孔。燒結(jié)過程中氟化物尾氣從該圓孔排出。燒結(jié)爐前面是進(jìn)出料大門，產(chǎn)品出爐時開啟大門，這時殘存氟化物廢氣從大門排出。

設(shè)計(jì)任務(wù)是將燒結(jié)爐排出的尾氣進(jìn)行控制并排出操作間，排出的氟化物尾氣必須進(jìn)行凈化并達(dá)到表1的排放標(biāo)準(zhǔn)。

由于車間外場地限制，在操作間東側(cè)隔出一設(shè)備間，設(shè)備間內(nèi)放置凈化設(shè)備和風(fēng)機(jī)。設(shè)備間長5.7m，寬3.4m，凈高4.5m。該設(shè)備間比較狹窄，對選擇凈化系統(tǒng)增加了難度。

圖1 燒結(jié)爐布置圖

2 氟化物凈化系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

首先控制操作間內(nèi)燒結(jié)爐排出的有害氣體，即在每臺燒結(jié)爐后背的Φ120的排氣孔處安裝排氣罩，將燒結(jié)尾氣直接吸入排風(fēng)系統(tǒng)。再在燒結(jié)爐上部安裝傘形排風(fēng)罩，控制開啟燒結(jié)爐門時的少量廢氣。排氣罩和傘形罩收集的廢氣送入凈化設(shè)備凈化，凈化后的廢氣在風(fēng)機(jī)作用下排出室外。其次，為使排風(fēng)通暢，設(shè)計(jì)了送新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)取自室外自然空氣，新風(fēng)經(jīng)過初效過濾器凈化后送入操作間內(nèi)，送風(fēng)量略小于排風(fēng)量，使操作間內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)。既能防止操作間內(nèi)有害氣體的外溢，又能保障排風(fēng)通暢。新風(fēng)從上部送入，使操作人員呼吸帶處于新風(fēng)區(qū)域。

設(shè)計(jì)方案的工藝流程，如圖2。

圖2 氟化物凈化工藝流程圖

2.2 送排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

2.2.1 排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

操作間內(nèi)安裝有4臺燒結(jié)爐，其中3臺小燒結(jié)爐尺寸相同，1臺大燒結(jié)爐。其后背排氣口均為Φ120圓孔。每個排氣孔各安裝一個耐高溫軟管與主排風(fēng)管相接。每個排氣孔的排風(fēng)風(fēng)速為12m/s。經(jīng)計(jì)算4個排氣孔的排風(fēng)量為1953（m3/h） 。

另外，在每臺燒結(jié)爐門的上方，各設(shè)計(jì)傘型排風(fēng)罩1個，其中3臺小燒結(jié)爐排風(fēng)罩開口尺寸是長1.5m，寬0.4m。1臺大燒結(jié)爐傘型排風(fēng)罩開口尺寸是長2m，寬0.4m。傘型排風(fēng)罩的排放量按下式確定：

式中：

Ls—傘型罩排風(fēng)量，m3/h；

a—傘型罩開口寬度，m；

b—傘型罩開口長度，m；

vs—傘型罩吸入速度，m/s。根據(jù)有害物性質(zhì)及傘型罩形式，選0.88m/s（選自供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊）。

各傘型罩排風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 各傘型罩排風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果圓整后通風(fēng)凈化系統(tǒng)的總排風(fēng)量是：9250 （m3/h）。

2.2.2 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

為防止有毒有害氣體對相連區(qū)域的污染，操作間按微負(fù)壓設(shè)計(jì)。因此送風(fēng)量應(yīng)小于排風(fēng)量，上面已計(jì)算出排風(fēng)量為9250m3/h，送風(fēng)量取排風(fēng)量的80%，則系統(tǒng)送風(fēng)量為：7400m3/h。

2.3 凈化設(shè)備選型

2.3.1 常用凈化工藝和設(shè)備

常用的氟化物凈化設(shè)備分為干法凈化設(shè)備和濕法凈化設(shè)備。

濕法是采用堿性吸收液（或某些鹽類吸收液）吸收廢氣中的氟化物，該方法具有凈化設(shè)備體積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但該方法需對飽和的吸收液進(jìn)行處理，防止廢水的二次污染。濕法凈化設(shè)備種類較多，最常用的是塔器類凈化設(shè)備，主要包括噴淋塔、填料塔和板式塔。

干法凈化是用固態(tài)氧化鋁與氟化物進(jìn)行化學(xué)吸附，生成氟化鋁。干法凈化多用于電解鋁排煙凈化，也可用于其他行業(yè)產(chǎn)生的含氟煙氣的凈化。干法凈化設(shè)備一般要用兩級，第一級設(shè)備內(nèi)使粉狀或粒狀氧化鋁吸附劑與含氟廢氣充分接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再通過布袋除塵器將載氟氧化鋁和煙塵中的塵氟收集。

2.3.2 選用的凈化設(shè)備

本設(shè)計(jì)中凈化設(shè)備安裝在已給定的設(shè)備間，房間尺寸固定，地方狹窄，高度有限。對于安裝兩級設(shè)備的干法凈化是不可能的選擇。因此決定選用濕法凈化設(shè)備。受場地限制我們希望選用一種高度較低，體積較小的凈化設(shè)備。據(jù)此，我們選用了北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所研制的用于凈化廢氣的垂直篩板塔，簡稱VST凈化塔。

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)風(fēng)量為9250m3/h，計(jì)算出常用濕法凈化設(shè)備的塔徑，列于表3，可看出選用的VST凈化塔塔徑最小，確認(rèn)了選用該塔的優(yōu)勢。

表3 相同處理氣量下常用凈化塔的直徑

VST凈化塔的傳質(zhì)是氣液在并流噴射狀態(tài)下完成的，氣體為連續(xù)相，液體為分散相。其液體從帽罩側(cè)孔噴出，被分散成大量的小液滴，為氣液傳質(zhì)提供了很大的表面積。同時，由于液滴的劇烈碰撞，不斷更新，維持很高的傳質(zhì)推動力。

VST凈化塔主要特點(diǎn)：傳質(zhì)效率高；處理能力大；操作彈性大，板壓降低；抗堵塞能力強(qiáng)，使用壽命長、檢修容易。VST凈化塔結(jié)構(gòu)，如圖3。

2.4 系統(tǒng)阻力計(jì)算

系統(tǒng)阻力計(jì)算的目的是確保各排送風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求并根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)量和阻力選擇風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)由送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)凈化系統(tǒng)組成，所以分別計(jì)算送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)凈化系統(tǒng)的阻力。

圖3 VST凈化塔塔板結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.1 系統(tǒng)圖和工程材料

送風(fēng)系統(tǒng)簡單就一根管道，系統(tǒng)圖略。排風(fēng)凈化系統(tǒng)圖，如圖4。操作間內(nèi)管道（VST凈化塔進(jìn)口之前管道）采用鍍鋅鋼板制作，有利于降低成本。這是由于燒結(jié)爐溫度較高，氟化物在露點(diǎn)之上，因此不會對金屬有腐蝕作用。系統(tǒng)運(yùn)行了近2年，管道完好，也證實(shí)了這點(diǎn)。凈化塔之后包括凈化塔采用聚丙烯硬質(zhì)塑料制作，有美觀和耐腐蝕的效果，排風(fēng)風(fēng)機(jī)選用耐腐蝕風(fēng)機(jī)。送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)輸送自然風(fēng)，所以風(fēng)機(jī)和設(shè)備選用普通材質(zhì)，送風(fēng)管道也選用鍍鋅鋼板制作。

2.4.2 系統(tǒng)阻力計(jì)算

圖4 排風(fēng)凈化系統(tǒng)圖

送風(fēng)系統(tǒng)阻力計(jì)算：送風(fēng)系統(tǒng)比較簡單，就一根風(fēng)管，下設(shè)4個鋁合金送風(fēng)口，為調(diào)節(jié)各送風(fēng)口風(fēng)量均勻，每個送風(fēng)口安裝了多葉調(diào)節(jié)閥。管道阻力從最遠(yuǎn)端的送風(fēng)口開始算起，送風(fēng)系統(tǒng)總阻力包括以下部分組成：送風(fēng)口阻力、管道阻力、消聲器阻力、靜壓箱阻力、過濾器阻力和進(jìn)風(fēng)口阻力。

圖4是排風(fēng)凈化系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，其4個排風(fēng)罩分兩路并聯(lián)，每路安裝2個排風(fēng)罩（另有2根軟管連接燒結(jié)爐），這樣的管道布置有利于管道系統(tǒng)阻力平衡。每個排風(fēng)罩安裝了調(diào)節(jié)閥1個，便于調(diào)試系統(tǒng)時微調(diào)風(fēng)量。系統(tǒng)運(yùn)行后，兩支路阻力是相等的，因此排風(fēng)凈化系統(tǒng)總阻力就是其中任一支路從末端排風(fēng)罩開始到排氣筒頂端的風(fēng)帽為止的各部件和管道阻力的總和。所以，排風(fēng)凈化系統(tǒng)的總阻力包括：末端排風(fēng)罩阻力，排風(fēng)罩調(diào)節(jié)閥阻力、VST凈化塔阻力、進(jìn)排風(fēng)消聲器阻力、風(fēng)帽阻力和風(fēng)管阻力。另外次末端排風(fēng)罩與末端排風(fēng)罩也要達(dá)到阻力平衡，這在設(shè)計(jì)管道時，確定合適的三通角度，以使兩排風(fēng)罩管道達(dá)到阻力平衡，實(shí)際運(yùn)行時，即使有誤差也可在系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試時調(diào)節(jié)排風(fēng)罩調(diào)節(jié)閥，同時測試各排風(fēng)罩排風(fēng)量，使各排風(fēng)罩排風(fēng)量符合設(shè)計(jì)要求即可。

風(fēng)管阻力是由管道摩擦阻力（也稱沿程阻力）和局部阻力組成的。

風(fēng)管的摩擦阻力：圓形風(fēng)管單位長度的摩擦阻力（比摩阻）為：

式中：

λ—摩擦阻力系數(shù)；

ν—風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；

ρ—空氣的密度，kg/m3；

D—圓形風(fēng)管直徑，m。

風(fēng)管內(nèi)的粗糙度對摩擦阻力影響很大，計(jì)算摩擦阻力很繁瑣，工程應(yīng)用中通常從有關(guān)暖通手冊中的風(fēng)阻線圖查得?，F(xiàn)在也有許多計(jì)算軟件可很方便的計(jì)算。

風(fēng)管的局部阻力：上邊提到的風(fēng)管阻力是指直管的摩擦阻力，當(dāng)風(fēng)管斷面變化或方向變化時，風(fēng)管還會產(chǎn)生局部阻力。如各種變徑管、閥門、彎頭、三通等都會產(chǎn)生局部阻力。局部阻力按下式計(jì)算：

ξ—局部阻力系數(shù)；

ν—風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；

ρ—空氣的密度，kg/m3。

局部阻力在通風(fēng)系統(tǒng)中占有較大的比例，設(shè)計(jì)中盡量減少不必要的管件，彎頭的彎曲半徑盡量大，三通角度盡量小。

設(shè)備和部件阻力：風(fēng)口、消聲器、過濾器和設(shè)備阻力可由生產(chǎn)廠家說明書查得，如沒有數(shù)據(jù)可根據(jù)風(fēng)速和結(jié)構(gòu)參照風(fēng)管局部阻力計(jì)算方法估算。

2.5 風(fēng)機(jī)選型

經(jīng)過計(jì)算，得出各系統(tǒng)阻力數(shù)據(jù)，見表4。

表4 系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果

選擇風(fēng)機(jī)的參數(shù)如下：

排風(fēng)凈化系統(tǒng)選擇風(fēng)機(jī)參數(shù)：排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為：9250×1.1（安全系數(shù)），圓整后取10000m3/h；排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓：＞2560Pa。

送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型參數(shù)：送風(fēng)機(jī)風(fēng)量為：10000×0.8=8000m3/h；送風(fēng)機(jī)風(fēng)壓：＞450Pa。

據(jù)此確定的各系統(tǒng)風(fēng)機(jī)型號，見表5。

表5 風(fēng)機(jī)選型

從表5看出，所選風(fēng)機(jī)型號完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.6 安裝圖紙

由于凈化系統(tǒng)是改造項(xiàng)目，車間內(nèi)電纜槽、設(shè)備、各種管道已經(jīng)安裝。為避免干涉，最后認(rèn)真測繪現(xiàn)場尺寸，并在布置凈化系統(tǒng)時考慮這些因素并設(shè)計(jì)出具體尺寸準(zhǔn)確的安裝圖，實(shí)際操作時一次安裝成功。

下面是繪制的氟化物凈化系統(tǒng)安裝平面圖，如圖5。

圖5 氟化物凈化系統(tǒng)總平面圖

3 工程效果

工程實(shí)施后，操作人員呼吸帶是處在新風(fēng)區(qū)域內(nèi)，確保了操作人員免受污染，達(dá)到了滿意的效果。風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)房內(nèi)，并做了減震、隔聲和消聲控制，操作間內(nèi)實(shí)測噪聲低于70dB（A）。

系統(tǒng)凈化也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，經(jīng)檢測排放指標(biāo)合格，檢測數(shù)據(jù)，見表6。

表6 檢測結(jié)果

凈化系統(tǒng)氟化物排放指標(biāo)都低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

4 結(jié)論

（1）在給定條件下本系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝合理、風(fēng)量和風(fēng)速選擇正確、廢氣控制有效、氟化物排放達(dá)標(biāo)、風(fēng)機(jī)噪聲控制符合車間內(nèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

（2）選用VST凈化塔，設(shè)備體積明顯減小，節(jié)省占地面積，在給定的狹小空間合理布置了風(fēng)機(jī)和凈化設(shè)備。系統(tǒng)初投資費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、操作簡單、使用方便和廢氣處理效果好。

（3）燒結(jié)爐氟化物尾氣凈化系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，是安全環(huán)保基層管理者在管理實(shí)踐中逐步完善的項(xiàng)目，改善了作業(yè)條件，控制了氟化物廢氣。也為基層安全環(huán)保管理人員提供了相似條件下廢氣凈化的應(yīng)用案例。

［1］ 陸耀慶.供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國建筑出版社出版，1987

［2］ 李超平.氟化物污染來源、治理技術(shù)及其源強(qiáng)［J］.鋼鐵技術(shù)，2007，（3）：51-54

［3］ 中華人民共和國衛(wèi)生部.GBZ 1-2010 工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2010

［4］ 北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 11/501-2007 大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.2008

［5］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50243-2002 通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2004

［6］ 北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 11/501-2007 大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.2008