环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案

第四章方法选择与工艺流程设计环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第1页污染治理系统设计工艺设计非工艺设计土建电气控制动力采暖通风给排水环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第2页工艺设计任务污染治理方法选择物料流向工艺流程设计能量改变设备设计与选择工艺流程图、车间工段布置图工艺管道设计：主、辅设备间联通管道设计非工艺项目条件提出编制概/预算书主体设备与辅助设备间工艺关系主要物料辅助物料主体设备工艺参数确定辅助设备选型流程运行操作条件和控制方式环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第3页（1）治理方法选择

治理方法和工艺路线选择是全部环境工程设计最主要开端，必须对各种治理方法作全方面分析，进行技术经济比较，选择合理治理方法。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第4页（2）工艺流程设计

以图解形式表示出整个治理过程全貌，即从待处理废气、废水或固体废弃物处处理达标排放或实现无害化，需要经过那些过程和设备，这些设备之间关系、衔接以及它们相对位差怎样，并对流程图作出叙述等。普通而言，工艺流程设计开始最早而结束最晚。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第5页（3）物料计算在物料衡算基础上求出废气、废水或固体废弃物及它们中污染物、处理剂等进、出处理系统各种物料质量、体积和成份等，最终汇总出物料平衡表或原材料消耗表。

经过物料衡算，设计工作由定性转入定量阶段，能够正确地进行能量计算、设备计算和工艺流程设计。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第6页（4）能量计算依据能量衡算确定传入或传出热量，加热剂（或燃料）或冷却剂消耗量，同时结合设备设计，可算出设备传热面积，最终得出能量消耗综合表。能量计算普通在物料计算后结合设备设计一起进行。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第7页（5）设备设计与选择经过计算，确定保证抵达处理能力和达标排放设备结构和尺寸。对非标准设备必须进行单独设计计算，对标准设备则根据计算结果进行选择。在某些环境工程设计中（例如湿法烟气脱硫系统中烟气再加热设备设计，催化燃烧法处理有机废气系统中利用燃烧后高温净化气预热低温待处理有机废气换热器设计等），设备设计也包含换热面积大小，所以“设备设计”和“能量计算”常结合在一起进行。设备设计最终结果是得到“设备示意图”和“设备一览表”。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第8页（6）车间（工段）布置设计目标是处理厂房、场地配制与设备排列问题。

首先要对车间各工段、动力间、机修间、化验室、仓库、办公室等作出整体布置和厂房轮廓设计；整体布置和厂房轮廓设计基本就绪后，即可进行设备排列与布置工作。车间布置设计常同建筑及其它非工艺设计项目发生亲密关系，设计工作常是交织进行。在施工图设计阶段，还有设备安装设计。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第9页（7）工艺管道设计大部分工作在施工图设计阶段完成，其主要内容有：管道设计（包含各种介质、管径计算、管道材料、管壁厚度和选择以及管道配置等）；管道地沟断面条件、位置确实定；管道架设方法；管架、保温设计等。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第10页（8）工艺系统操作条件和控制条件需要提供两个文件，即:a）系统检测、控制条件，是自控人员进行工作基础；以及，b）统操作条件/规程，是系统运行规范环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第11页（9）其它非工艺设计项目标考虑当车间工艺设计基本告一段落后，其它非工艺设计项目（设备机械设计、自动控制、土建、采暖、通风、动力、电气等）就要着手进行。这些非工艺项目设计依据是由工艺设计提供资料。所以在进行工艺设计同时，就要考虑其它非工艺设计条件，以使其它非工艺设计能更加好地为治理工艺服务。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第12页（10）绘制设计图纸，编制设计说明书。图纸包含PFD图、PID图、平面布置图、甚至立面布置图等，还要编制设计说明书。（11）编制概（预）算书概算是依据初步设计内容，大约计算每项工程项目建设费用文件，列入初步设计文件；预算是依据施工图设计内容，计算每项工程项目建设费用文件，列入施工图设计文件。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第13页治污工艺选择标准正当性先进性可靠性结合实际情况简练和简单安全性环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第14页选择方法搜集资料设备、设施、仪器等落实全方面比较治污工艺路线最终确定环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第15页[例1]汽车、家俱喷漆，印刷等行业排放出含苯系物有机废气治理，其处理方法有几个可供选择。实际中，要依据详细情况来确定处理工艺路线，假如排放要求较为严格，可采取几个处理方法联合使用：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第16页含苯有机废气处理方法对比处理方法处理原理主要设备处理效果投资情况运行费用吸收法气体在液体中溶解度吸收塔中等中等中等吸附法吸附剂较大表面积吸附塔良好较高较高催化法催化剂降低活化能催化燃烧塔良好较高高冷凝法降低温度抵达露点冷凝器中等较高高燃烧法燃烧使有机物氧化燃烧器很好较高高电晕法电晕放电物化过程电晕反应器良好中等较高生化法微生物生命活动生化反应器很好中等较低环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第17页含苯有机废气处理方法对比（续）处理方法优点缺点备注吸收法工艺路线较为简单吸收液处理处理浓度较高吸附法处理效果好吸附剂再生费用高处理浓度较低催化法处理效果好运行费用较高处理浓度较高冷凝法能回收有用物质运行费用高，只适用高浓度废气处理浓度较高燃烧法工艺简单运行费用高处理浓度较高电晕法工艺简单、管理方便处于试验阶段生化法运行费用低、无二次污染生物抗冲击能力差处于试验阶段环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第18页比如：汽车、家俱、印刷等行业有机废气治理工艺路线选择：含苯有机废气处理大致工艺路线焦碳去除漆皮水幕纤维过滤吸收预处理含苯有机废气吸附净化深度净化风机烟囱环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第19页[例2]啤酒生产主要以玉米和大麦为原料，加入啤酒花和鲜酵母进行酿造而成。其废水主要包含浸麦废水、糖化废水、废酵母液、洗涤废水和冷却排水等。污水中主要成份为糖类和蛋白质，主要水质指标为COD=1000～2500mg/L，BOD=700～1500mg/L，SS=300～600mg/L，pH=5～6，属于中等浓度可生物降解有机废水。该废水处理工艺路线有以下几个选择：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第20页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第21页选择说明：①假如废水浓度较大，需要进行多级才能到达排放标准；②同时有高浓度和低浓度废水时要分别进行处理；③假如场地较小，要选择占地较小处理工艺。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第22页[例3]城市污水成熟处理工艺路线是：预处理、一级处理、二级处理、三级处理(深度处理)和污泥处理，其中关键部分是二级生化处理。当前，预处理都是格栅和沉沙池，原有二级生化处理是指活性污泥法，现在因为处理要求提升，不但要去除有机污染物，而且要去除氮和磷等污染物，所以就在活性污泥法这一成熟技术上延伸和发展出新技术、新工艺和新设备，并被开发和推广应用，这些方法有A－B法、A2／O法、SBR法、ICEAS(改进SBR法)、氧化沟及酸化水解与耗氧串联处理工艺等。现在我国城市污水处理二级生化处理基本上是采取以上工艺流程，所以在设计城市污水处理流程时，可采取上述处理方法。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第23页[例4]在除尘系统中预防风机噪声时，一个方法是采取帆布类进行风机进口软连接，另一个是对风机本身进行加大基础或单独设计基础，即设计减振办法，这些都是成熟技术，在设计中能够采取。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第24页[例5]采取吹脱法处理含氨废水，假如不对吹脱气体进行有效处理，就会把水中氨转换成空气中氨，造成污染物转移，这么并没有到达真正去除氨目标。可用HCl吸收吹脱气体中氨，防止污染物转移。防止二次污染物产生：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第25页[例6]采取燃烧法处理固体废弃物，因固体废弃物中成份十分复杂，假如燃烧温度较低，不但固体废弃物中碳不能完全燃烧，会产生碳小颗粒，污染环境，而且有机物燃烧可产生二噁英类物质，这是国际上公认致癌物质，所以设计燃烧温度应在805℃以上，可防止二次污染物产生。防止二次污染物产生：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第26页[例7]采取燃烧法处理有机废气时，因为燃烧可使排放烟气温度较高，含有较大热量，所以可使排放烟气经过热交换器，将热量交换给要进燃烧室废气，以降低能量消耗，其工艺见图：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第27页处理量较大时选择连续处理工艺对于连续生产产生污染，要处理量较大时采取连续处理工艺较为适宜。[例8]催化燃烧法处理浓度较高有机废气时，在该工艺开始开启(开车)时，需要进行加电预热，开启后就可利用有机物本身燃烧产生热量进行工作，维持整个系统稳定。该处理工艺需要采取连续处理工艺。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第28页处理量较小时选择间歇处理工艺生产规模较小，产生污染不是连续，且要处理量小,时可采取间歇处理工艺。[例9]清洗汽车产生废水是不连续，考虑处理工艺应是间歇性处理工艺。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第29页尽可能回收有用物质：在生产中排放污染物有些是有回收价值，在处理时要充分考虑这些污染物回收利用，尽可能做到能直接利用搜集污染物，同时要还要考虑以废治废。[例10]采取以萘为原料流化床法生产苯酐时，在其热熔工序中产生含顺酐有机废气，顺酐被水吸收成为顺酸水溶液，因为顺酸可异构为反丁烯二酸，其溶解度甚小，在室温下就可从母液中结晶析出，从而生产了有用物质。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第30页考虑处理能力配套性和一致性，且要有一定操作弹性：设计处理能力普通要略大于实际所需要处理量，使处理能力有一定充裕量，以使处理系统能适应实际改变。选择设备处理能力不能过大或过小，与实际要基本一致；对易损和易坏部件采取双套切换，确保系统能正常运行；普通配件要选择基本一样，如选择法兰螺丝尽可能使整个系统一致。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第31页工艺流程设计工艺流程设计主要任务是设计各个污染物处理单元详细内容、大小尺寸、次序和排列方式，以到达有效处理污染物目标★设备大小尺寸等主要依靠工艺计算来完成★设备组合依据工艺要求来进行设计环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第32页物料流向工艺流程设计能量改变主体设备与辅助设备间工艺关系主要物料辅助物料工艺流设计设备工艺参数，（主要设备、辅助设备、管道）监测控制方案，PID图操作运行方案环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第33页工艺计算工艺计算常包含物料衡算、能量衡算以及工艺设备计算。物料衡算是设计基础，能量衡算等其它工艺计算都必须以物理衡算结果为依据★明确物料衡算范围★明确衡算系统中化学改变★明确计算对象★选择计算基准★画出物理衡算示意图环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第34页能量衡算作用★确定流体输送机械（泵、压缩机、通风机）和其它操作机械（搅拌机、过滤机、粉碎机等）所需功率★确定各单元过程（如冷却过程等）所需热量、冷量、及其传递速率★核实能耗环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第35页能量衡算时经常需要考虑能量：★物料带入能量★过程热效应★加热设备时所需热量★加热（冷却剂）带入（走）能量★物料带出热量★热损失环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第36页如图所表示，有一气体洗涤除尘塔（湍球填料），不洁净气体从塔底部进入，用离心水泵从槽抽水，送至洗涤塔顶部喷下，从上往下与气体逆流接触，污水从塔底经过水封排出，经过洗涤后气体（净气）从塔上部引出，已知：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第37页1．处理干气量2442.82Nm3/h；2．洗涤塔操作温度为35℃（塔内平均温度）；3．操作压力为3100mmH2O（表压），全塔压降为100mmH2O；4．湍球填料经验操作空塔气速ws=2.5m/s，喷淋密度40m3/m2h；5．塔顶水进口处距地面距离为11m，地下水槽液面距地面3m；6．地下水槽液面上压强为750mmHg；7．泵效率为60％；8．管道阻力损失10mH2O；求：1．洗涤塔内径；2．泵轴功率及电机功率环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第38页一、洗涤塔内径计算设进塔气体被水蒸气饱和，可由《手册》查得35℃饱和水蒸气分压pH2O=42.17mmHgp进=750+3100/13.6=977.94mmHgp出=750+3000/13.6=970.59mmHgp平均=(977.94+970.59)/2=974.07mmHg则进塔气体中水蒸气量：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第39页Nm3/hm3/hm/s操作状态下气体量：塔内径：m取整，D＝0.55m；核实实际空塔气速：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第40页二、泵功率计算1．每小时泵需要输送液体量：泵每小时需要输送液体量可依据喷淋密度而求得。依据条件，喷淋密度40m3/m2h；则小时液体用量：W=（3.14/4）×0.552×40=0.785×0.552×40＝9.5m3/h

2．能量衡算选择地下水槽液面1－1’截面为基准面0－0’，列1－1’截面与2－2’截面能量衡算式（即柏努利方程式）：

环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第41页式中：z1,z2――单位重量（1kg）流体在截面1－1’，2－2’处所含有位能，其单位为[m]；――单位重量（1kg）流体在截面1－1’，2－2’处所含有动能，其单位为[m]――单位重量（1kg）流体在截面1－1’，2－2’处所含有静压能，其单位为[m]；p1,p2――分别为1－1’，2－2’截面压强，[kg/m2]――流体密度，其单位为[kg/m3]l――泵供给能量，也称为泵扬程，其单位为[m]；――单位重量流体流动时，因摩擦阻力而消耗能量，其单位为[m]；环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第42页因为，z1＝0，所以z2＝11+3=14[m]；p1＝p0=750mmHg＝(750/735.6)×104=1.02×104，kg/m2p2＝(750/735.6)×104＋(3000/1000)×1000=1.32×104,kg/m2;≈1000kg/m3;

W1≈0;为了计算w2，还必须选择管径。可用经验式近似地估算管径：

对于碳钢管，其计算式为：环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第43页对于不锈钢管：G——流量，kg/s;ρ——密度，kg/m3;通常选取碳钢管，则mm所以能够选择40mm碳钢管子。

环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第44页m/s将相关数据代入衡算式，可得：l=27.23mH2O;重量流量9.5×1000/3600＝2.64kg/s；泵有效功率：P有效＝2.64×27.23=71.89Kg·m/s因为，1kW=102kg·m/s；所以：P有效＝71.89/102＝0.705kW泵轴功率P轴＝0.705/0.61=1.16kW；电动机功率P电＝KP轴/η传其中K为电机充裕系数，其值大于1；η传为传动效率，假如电动机与泵直接连接，η传＝1，假如用皮带轮连接，责η传＝0.95

1kw＝102kgm/s1Hp＝75kgm/s1kw＝1000Nm/s环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第45页电动机充裕系数P轴(kW)电动机充裕系数<11.3~1.41~21.2~1.32~51.15~1.25~501.1~1.15>501.06~1.08从表中依据轴功率选出充裕系数1.3，则电动机功率为：P电=1.16×1.3＝1.51kW取电机为1.5kW环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第46页工艺流程图工艺流程图带控制点工艺流程图管道仪表流程图方框流程图工艺方案流程图环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第47页方框流程图：★进行概念设计时使用一个流程图，不进入设计文件★依据方框流程图能够进行物料衡算环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第48页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第49页工艺方案流程图：★定性地表示物料流程和主要设备工艺关系★工艺方案流程图组成包含：1)流程、2)图例、3)设备一览表流程：设备示意图、流程管线、流向箭头、文字注释图例：管线图例★方框流程图深入和变体，为设备计算使用★只带有示意性质，不进入设计文件，常在“技术方案”“投标书”一类文件中使用环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第50页工艺方案流程图绘制要求：★地平线：细实线★设备：细实线，大致反应设备尺寸，从左到右排列，留有一定距离以画管线，设备要编号★非主要流程：公用水、汽、气、真空、冷却水等，采取中实线，并配上箭头，用文字标明介质名称★流程线相交，普通是细线让粗线★主要流程线：粗实线，并配上箭头，并用文字标注物料名称，起源、去处★图下方标明图例、设备编号及名称★必要文字注释环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第51页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第52页克劳斯提出氨水中和法用于处理焦炉煤气脱除H2S环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第53页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第54页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第55页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第56页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第57页带控制点工艺流程图：带控制点工艺流程图，通常是在工艺流程方案图确定后、物料衡算、能量衡算、以及工艺设备计算完成之后进行设计和绘制。在初步设计阶段，除了完成工艺计算、确定工艺流程外，还应确定主要工艺参数控制方案，即在定量工艺流程图上表示出自动控制方案，成为带控制点工艺流程图。带控制点工艺流程图是可用于施工工艺流程图，普通由工艺专业技术人员和自控专业技术人员合作完成，列入初步设计文件。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第58页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第59页带控制点工艺流程图主要内容包含：★带设备位号、名称和接管口各种设备示意图★带管道号、规格和阀门等管件以及仪表控制点（测温、测流量及分析点等）各种管道流程线★对阀门等管件和仪表控制点图例符号说明★标题栏注明图名、图号、设计阶段环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第60页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第61页带控制点工艺流程图中，设备图形百分比普通采取1:100，如设备过小或流程较简单可采取1:50，如设备过大或流程较复杂可采取1:200。因为并未完全按百分比绘制，故标题拦中“百分比”一项不于注明。图幅普通采取A1图纸，尤其复杂可适当加长，尤其简单可采取A2图纸。图幅：多用长条形，以前惯用标准加长；现普通采取A1图幅，不再加长；简单用A2图幅环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第62页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第63页带控制点工艺流程图：1）设备画法：图形：普通按百分比用细实线绘制主要轮廓和形状特征，有时也要画出含有工艺特征内构件，如填料、搅拌器等。内构件可用细虚线画出。相对位置：设备或构筑物高低普通按百分比绘制。低于地面需画在地平线以下，尽可能符合实际安装情况。相同设备画法：普通应全部绘出。只画一套时，被省略设备须用细双点线绘出矩形表示，并在矩形内注明设备名称、位号等。在工艺流程图中，依物料流程将设备从左至右展开，标注设备位号环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第64页惯用设备图例环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第65页设备标注：标注内容：同一系统中设备位号不能重复，应标注序号、名称，并主要初步设计与施工图设计名称标注应一致。如在施工图设计时，设备有改变，则应按次序补充或取消（保留空号）标注方式：1)设备序号、名称应标注在对应设备图形上方或下方，并尽可能正对设备。序号普通为三、四位数，第一位通常表示工艺系统序号，后两、三位为编号，重复设备加脚标。2)设备内或其近旁，此处只注位号，不注名称环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第66页设备位号编法环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第67页带控制点工艺流程图：2）管道画法：普通应画出治理工艺全部工艺物料管线及辅助物料（水、汽、气等）管线、阀门、管件及工艺参数（温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等）测量点，并表示出自动控制方案。（a）线形主物料管道及大管径管道（>φ108mm）用粗实线（线宽b=0.9mm左右）表示，辅助管道用中实线（b=0.6mm左右）表示，仪表管线则用细虚线或细实线（b=0.3mm左右）表示。保温（或冷却）管线除了按要求线形绘制外，还要画出一小段示意保温管。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第68页环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第69页（b）交叉与转弯绘制管道时，要尽可能防止穿过设备或管道交叉；不能防止穿过设备时，应断开管线；管线交叉时，应辅让主，细让粗，后让先，断开处间歇要显著。管道应尽可能画成水平或垂直，转弯处成直角。图中管道应尽可能反应安装中高低位置，地下管道应画在地平线以下。环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第70页（c）管道标注①管道号：由物料代号、主项代号和管道分段次序号组成。管道标注环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第71页物料代号：物料名称代号物料名称代号物料名称代号空气氨排污燃料气燃料油高压蒸汽循环冷却水回水AAMBDFGFOHSHW仪表空气低压蒸汽中压蒸汽天然气氮氧工艺空气IALSMSNGNOPA工艺气体工艺液体工艺水泥浆软水真空排放气放空气PGPLPWSLSWVEVT环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案第72页管径：一律注公称直径。公制管以mm为单位，只注数字，不注单位。如DN80、DN150、DN300……。英制管径以英寸为单位，需标注英寸符号，如1/2＂、4＂、12＂……。对英制加厚管，则在英制直径后加注“×S”，如