某企业喷涂废气的冷凝吸附处理设计方案

1 某企业喷涂废气的冷凝吸附处理 设计 方案 1. 前言概述 某企业 喷漆车间在生产过程中排放出大量的涂层烘干废气，废气中含有较高浓度的甲苯。该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围的环境，而且导致了极大的原物料消耗， 还会受到环保部门的惩罚， 同时对 企业 的形象也会造成 负面 的影响 。因 此， 喷涂废气处理后再排放时十分必要的 。 本着这一宗旨，本人针对该厂排放的废气特征，进行了相对应的废气处理方案的设计。 2. 设计 资料及依据 气中所 含污染物类 型 、浓度及温度 污染物类 型 ：甲苯 排放量：甲苯 浓度 180 kg/h，废气排放量为 33000 m3/h 烘箱出口温度： 75 80，计算时取 80 由 计算可得甲苯浓度为： 5455mg/由此可得，该项目废气类型属于 高浓度高风量型。 计规模 设计处理的 废气量： 33000 m3/h；甲苯排放量为 180 kg/h（ 均为 最大值） 计要求 废气排放标准应执行 大气污染物综合排放标准中的二级标准，具体见表 1。 2 表 1 甲苯的二级排放标准 序号 污染物 最高允许排放浓度， mg/高允许排放速率， kg/h 排气筒高度， m 二级标准 1 甲苯 40 15 0 0 18 根据甲苯二级排放标准，处理后的废气中甲苯浓度应低于 40mg/气筒高度应该高于 15m。在本项目设计中取甲苯排放浓度 40mg/气筒高度取 15m。 3. 方案设计及 工艺 选择 案设计 计原则 1. 根据 国家环境保护有关法规，按 照国家 规定的排放标准， 净化 后的废气各项指 标 应 达到且优于标准指标。 2. 工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的灵活性和调节余地，确保达标排放。 3. 采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，并具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。 气 净化 方法 的 选择 就当前处理技术而言 ， 工业 有机废气处理主要有以下几种方法： 1. 燃烧法 包括高温燃烧和催化燃烧，前者需要附加燃料燃烧，因此，使用该法时要考虑回收利用热能；催化燃烧能耗低，但在工作初期，需用电加热将废气加热到起燃温度，故对于频繁开停车的场合不合适。考虑到高温燃烧法回收的热量超过生产所需 的热能，故并不合适。而直 3 接采用催化燃烧投资太大。 2. 吸收法 即采用适当的吸收剂（如柴油、煤油、水等介质）在吸收塔内进行吸收，吸收到一定浓度后进行溶剂与吸收液的分离，溶剂回收，吸收液重新使用或另行处理，采用这种方法的关键是吸收剂的选择。由于溶剂与吸收剂的分离较为困难，因此其应用受到了一定的限制。 3. 活性炭吸附法 采用多孔活性炭或活性炭纤维吸附有机废气，饱和后用低压蒸汽再生，再生时排出溶剂废气经冷凝、水分离后回收溶剂，适用于不连续的处理过程，特别对低浓度有机废气中的溶剂回收有很好的效果。 4. 冷凝法 主要利用冷介质 对高温有机废气蒸汽进行处理，可有效回收溶剂。处理效果的好坏与冷媒的温度有关，处理效率较其他方法相对较低，适用高浓度废气的处理。 根据本项目情况 高风量高浓度的废气处理类型， 采用冷凝活性炭吸附法较好。将这两种方法联用回收烘干废气中的甲苯，综合了冷凝法适用于高浓度废气处理和活性炭吸附法处理效果好的优势，又可以通过前期冷凝降低甲苯浓度，减少活性炭吸附负荷，延长活性炭再生周期，能够兼顾回收率和处理成本。 故该项目的废气净化系统的设计方案为冷凝 +活性炭吸附废气处理方案。 艺 选择 艺流程设计 根 据该厂的实际情况，要提高甲苯的回收效率，需加强以下两方面的工作：一是烘干废气的收集，尽可能将甲苯收集到溶剂回收装置中；二是对收集的废气采用适当的方法进行处理与回收。 工艺流程 如下图 所示： 4 图 1 系统工艺流程图 艺流程说明 由于烘箱出口废气中甲苯浓度较高，因此统一收集后先通过 旋风除尘器 ，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态甲苯冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至 24 以下。由于甲苯沸点约为 110 ，因此可回收大部分甲苯。 经冷凝的废气由风机 产生的负压引 导 进 入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设 两 组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出的气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。 除尘器 冷凝器 1 甲苯贮存槽 1 冷 却 水贮存槽 1 冷 却 水贮存槽 2 活性炭吸附器 排气筒 冷凝器 2 溶 剂 水分离器 甲 苯 贮存槽 2 锅炉房 风机 蒸汽 烘干废气 示例： 风管 水管 蒸汽管 5 艺 设备 要 设备 说明与计算 根据国家的相关法规及该项目废气的特征，可得该净化系统 设计参数 、 处理效果 的要求如下 。 表 2 主要设计参数 和 要求处理效果 生产工艺 风量 （ m3/h） 甲苯入口浓度 (mg/处理后浓度 (mg/回收（ kg/h） 回收效率 (%) 列管式冷凝器 33000 5455 587 性炭吸附器 587 40 除尘器 要作用 一 是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。 二 是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。 根据废气性质和气量，本项目选用 多管式旋风除尘器，规格为 1300管。旋风除尘器除了有长锥体结构外在排气管内还设有弧形减阻器以降低除尘器的阻力系数。具体参数如下： 进口风速： 25m/s； 风 量： 35000m3/h； 压力损失： 1020 进气管管径： 500 排气管管径： 500 除尘效率：可除去 5m 以上的粉尘，效率 95 99。 6 管式冷凝器 根据废气性质和气量，本项目选用 固定板式换热器（即列管式冷凝器）对废气进行冷凝以回收部分甲苯。 列管式冷凝器的作用是 将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量， 使活性炭吸附器工作负荷减轻，并 提高活性炭吸附处理 的 效率，同时回收部分甲苯。 流动路径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。综合考虑到冷却水的成本 和冷却率之后，确定冷却水进口温度为常温 20，出口温度为 23。烘干废气进口温度为 80 ，经冷凝后降低到 24 左右 。 计算过程如下： 1. 冷凝处理后的废气浓度 已知条件：烘干废气 风量 33000m3/h，进气温度 80 ，甲苯浓度为 5455mg/流量为 180 kg/h 出口温度为 24 ， 冷却水进水温度 20 ，出口温度 23 。 甲苯的安托万常数为 A=B=C= 由安托万方程 p 为温度 T 时的饱和蒸汽压， 可 得 80时 p 24时 p 此， 80降温至 24 所以，至 24时甲苯冷凝量为 180 h， 剩余流量为 180 163. 3 h。 24时总废气体积约为 m，冷凝处理后废气中残留甲苯浓度为 36 /5871027767 2. 换热器的面积 A 80时甲苯质量流量为 180kg/h，则每小时排出的甲苯体积 V 为 357192 ) 又废气总体积流量为 33000 m3/h，废气平均分子量约为 28。 80时废气质量流量 3 1 9 0 8)83 3 0 0 01 h 废气中空气的质量流量为 31908 180 31728kg/h。 7 废气从 80 (至 24 (冷水从 20 (高至 23 ( 热负荷 苯降温传热量空气降温传热量 180 ( 80 - 24) + 31728 ( 80 - 24) 106 kJ/h =5 105J/s 冷却水用量 W)2023( 143 t/h=143000 kg/h 先按单壳程考虑：对数平均温差)/()(|12211221 221 3561112 tT 201因此有效温差 定换热器总传热系数为 )/(120 2 ，则所需传热面积为 : 29 33 6 0 01 2 01 7 . 9 主要工艺及结构基本参数的计算 选用 25 管，材质 20 号钢。 取管内冷却水的流速为 0.5 m/s，则 管数 24 000/)3600/143000(4 2 根 管长 l0 33 m 因此，取管程数为 2，管长为 6m，总管数为 2532 506 根。壳体的公称直径 200称压力为 10 采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器 _1 的主要参数是： 选用 6m 长的 25 管（材质 20 号钢）共 506 根； 壳体直径 1200 换热面积 233 8 冷却水用量为 143t/h； 甲苯回收率为 废气由 80降至 24，冷却水由 20升至 23。 管式冷凝器 根据废气性质和气量，本项目选用 固定板式换热器对 甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。 冷凝器 的 作用是将 脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。 为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为 20，出口温度为 25，蒸汽进口温度为 120 ，经冷凝后降至 30 以下 。 计算过程如下： 1. 确定所需蒸汽量 脱附时甲苯回收率587 40587 需吹脱甲苯量为 15.6 kg/h。 一般取蒸汽量 ：吹脱溶剂量（ 410）： 1，确定蒸汽量为 100 kg/h。 2. 冷凝甲苯回收率计算 甲 苯 的 数为 A=B=C=由 程 p 为温度 T 时的饱和蒸汽压， 120时 p 30时 p 此， 80降温至 30 即甲苯基本上全部冷凝下来。 3. 计算换热器的面积 A 120时甲苯质量流量为 h，水蒸气质量流量为 100 kg/h。 蒸汽从 120降低至 30，冷却水从 20升高至 25。 热负荷 苯降温传热量蒸汽传热量蒸汽冷凝潜热 ( 120 - 30) + 100 ( 120 - 30) 100 2232 105 kJ/h 9 冷却水用量 W)2025( h 先按单壳程考虑：对数平均温差)/()(|12211221 221 18 1112 tT 201根据 R、 P 的值查温度校正系数图可得，温差修正系数 见用单壳程合适，因此有效温差 35K 假定换热器总传热系数为 )/(350 2 ，则所需传热面积为： 64. 主要工艺及结构基本参数的计算 选用 25 管，材质 20 号钢。 取管内冷却水的流速为 0. 5 m/s，则 管数240/)36 00/12 500(4 22 根 管长 l0 此，换热器管程数为 2，管长为 2m，总管数 22 2 44 根。壳体的公称直径 00称压力为 16 采用正三角形排列 换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器 _2 的主要参数是： 选用 2m 长的 25 管（材质 20 号钢） 44 根； 换热面积 6 壳体直径 600 冷却水用量为 h； 蒸汽由 120降至 30，冷却水由 20升至 25。 10 性炭吸附 器 本项目 活性炭吸附 装置为固定床活性炭吸附器，活性炭吸附器 是净化装置 最 重要组成部分，设置目的是利用吸附法截留废气中的有机物 进一步净化废气 ， 并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。 已知，废气气量为 33000m3/h，温度 24，废 气中含有 587mg/甲苯，要求出口甲苯浓度为 40 mg/净化率达到 根据项目的实际情况，本项目选用 过滤净化气体用粒状活性炭，该活性炭的具体参数如下： 堆积密度 450kg/m3，5隙率 甲苯在该活性炭上的吸附等温线方程为 式中： a气相浓度为kg/ 相中甲苯的浓度， g/ 由废气中甲苯浓度为 g/得，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量 a 根据本项目通风量大的特点，为了不使设计出的吸附器的直径过大产生问题，则适当的增大活性炭吸附器中的气速，取活性炭吸附器中的气速约为 1m/s，则根据公式 可算得，吸附器的直径为 据以往的工程经验，吸附带中活性炭的动态吸附容量按静态饱和吸附容量的 35计，则吸附带中活性炭所吸附的甲苯为 kg/ 吸附工作周期按 2 天（ 16h）计，则每一周期的吸附量为 016105 8 73 3 0 0 0 6 吸附带内的活性炭量为 吸附剂床层总高为 (28442 11 活性炭总用量为 0/2 84 4 m 气流穿过固定床层的压降估算式为： (150)1( 22 式中： p 压降， 空隙率， 隙 /附床； 附剂颗粒直径， m； g气体密度， kg/ G气体表现质量通量， )/( 2 ； D床深， m； 气体黏度， 。 30下气体密度为 3/189.1 ，黏度为 ， 当 80 废气降低为 24 时，则废气的流量变为 76 780273 242733 3 00 0 3 则，气体表现质量通量为 )/(0 1 (3 6 0 0 2 7 7 6 7 22 ， 因此经计算可得压降为 50( 33 23 5 理论功率消耗 53)3600/27767( ，风机效率以 ，则实际功率消耗 综上，采用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为： 粒状活性炭活性炭堆积密度 450kg/m3，5隙率 活性炭总用量为 12 吸附器总高 径 吸附工作周期为 2 天（ 16 小时）； 净化效率 网系统设计 网管径计算 （ 1）在废气进入冷凝器之前，废气的温度为 80。该段系统风管包括废气从烘干室进入除尘器的连接风管，从除尘器到冷凝器的连接风管。 废气在风管中的气速为 25m/s，流量为 33000m3/h 则可得，该段系统风管直径 0 3 0 0 044 根据实际情况，该段系统风管选用直径 700火型风管 （ 2）废气经过 冷凝器 冷凝后，温度降到 24 。该段系统风管包括废气从 冷凝器 到活性炭吸附器，以及从吸附器到排风筒的连接风管。 当 80 废气降低为 24 时，则废气的流量变为 76 780273 242733 3 00 0 3 同理可得，从冷凝器到活性炭吸附器，再从活性炭吸附器到排气筒的系统连接风管的直径 0 7 7 6 744 根据实际情况，该系统应该选用直径 650管 （ 1） 冷凝器的水循环系统水管管径 由上面冷凝器的计算结果可知，冷凝器的循环水量为 143m3/h，s，由此可得，冷凝器的水循环系统的水管管径 0 4344 13 则该循环系统选用直径 200水管。 （ 2）冷凝器的循环水系统水管管径 由冷凝器的计算结果可知，冷凝器循环水系统的水量为 h，取水速为 1.0 m/s，则冷凝器的循环水系统的管径 0 则根据实际情况，该循环系统选用直径为 80水管。 蒸汽 锅炉出口压力为 汽温度约 120，可知蒸汽的密度为 性炭脱附 需用蒸汽 总共 100kg/h，即 89m3/h，则蒸汽管的管径 0 944 根据实际情况，蒸汽脱附系统管道选用 150径的蒸汽管。 统压降计算 经过冷凝管冷凝之后 ,废气的温度由 80降到了 24 ,则根据冷凝后废气的流量变为27767m3/h。 取风管中的气速为 25m/s，根据公式 风管管径 D= =统中风管的总长度约为 35m，废气的密度 =1.2 kg/ 风管的阻力系数 = =14 风管的压降 p = 2 则沿程阻力损失为 a 从系统本身来看，旋风除尘器自带有风机，能抵消除尘器产生的压降，因此不会使系统产生压降，而列管式冷凝器和排气筒对系统产生的压降较小。 该系统中产生局部阻力损失的主要设备或部件有固定式活性炭吸附器 90o 弯头 、阀门等。 （ 1） 活性炭吸附器压降： 由上面的活性炭吸附器计算结果可知，活性炭吸附器的压降为 a。 （ 2） 冷凝器压降： 由列管式冷凝器的计算结果可知，冷凝器的壳程直径 D=程直径 d= 506 根管，则废气通过壳程的截面积 22222 则废气再壳程中的气速 0 27 767 查资料得，该列管式冷凝器的阻力系数 =长 6m 列管式冷凝器的压降 2 （ 3） 排气筒压降： 根据 大气污染 物综合排放标准中的二级标准 选用排气筒的高度为 15m 直径为 800根据计算公式24u ，可得排气筒中的气速为 s，根据风管压降公式p = ，可得排气筒的压降为 其他的部件产生的局部损失由局部阻力损失计算公式22 进行计算 可得下表： 15 表 3 个部件局部压降 设备或部件 阻力系数 数量（个） 阻力损失 90o 弯头 门 管式冷凝器 性炭吸附器 1 风筒 1 计 上 , 该风管管网系统的总压降为 = 属系统及设备 机 风机的作用是为集气系统提供足够的负压动力收 集车间涂层废气，并提供足够的负压将收集来的废气输送至活性炭吸附器中进行吸附净化处理 ,最后将吸附处理后的尾气通过排风筒 风机的计算选型如下： 1. 安全系数修正 风机总风量： Q=7765=m3/h） 风机总风压 等于安全系数乘以系统总压降 ，并与风机工况换算 ,可得 2. 风机的选型 查风机目录可选 4离心通风机 一台，风量 Q=30830m3/h， 风 压 2680机 型号为 需 功率 为 剂水分离器 水蒸气用量为 100kg/h（即 100m3/h），甲苯为 h（即 m3/h），两天脱附一次， 16 每次脱附两个小时，因此确定溶剂水分离器的容积为 250此溶剂水分离器 上设置安全排气管 ，每两天排空一次。 苯贮槽 2 由于甲苯脱附量为 h（即 m3/h），且两天脱附一次，每次脱附两个小时，故两天有 甲苯产生。因此，可采用直径为 为 2m 的储罐贮藏。在储罐上要 设置安全排气管 。 泵 选用一台 50防爆管道泵将甲苯从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为口径为 50定流量 10 m3/h，扬程 8m，转速 2900 率为 选用 两台 4离心水泵将冷凝水从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为额定流量86 m3/h，扬程 速 2900 率为 气系统 处理系统总装机容量为 集中安装的电控柜进行控制。为了提高回收率，降低能耗，设备的运行采用自动化控制。 炉房及供汽系统 设置锅炉房的作用 是在活性炭吸附器进行脱附的时候，提供足量的蒸汽进行脱附，同时将脱附出的甲苯送至溶剂水分离器，达到回收脱附甲苯的目的。 为降低设备投资，节约成本，吸附饱和的活性炭再生时使用低压蒸汽，直接由厂内锅炉供给。锅炉出口压力为 汽温度约 120 。根据工程经验，蒸汽与吸附的溶剂量之比约为 4 10，需用蒸汽 总共 100kg/h。 供气周期为 2 天。 水 系统 根据 两个列管式 冷凝器计算，循环水用水量 为 143 h，即 h，由 17 泵输送至冷凝器循环使用。 冷凝器的 循环水泵 使用 2 台 4 离心清水泵，设计参数为 Q = 72m3/h， H =11m，转速 率为 冷凝器的 循环水泵使用 1 台 2心清水泵，设计参数为 Q = 15m3/h， H =速 率为 由于挥发造成损耗，循环水需定期补充，补充量约 8m3/d。 5 工程概预算 接投资费用 表 4 投资估算表 序号 设备名称 主要技术参数 数量 ( 台套 ) 价格 (万元 ) 总价 (万元 ) 备注 一 直接设备费用 1