復合式處理塔在高校實驗樓廢氣處理中的應用

張孝中

（中國藥科大學 基建后勤處，江蘇 南京 211198）

高校實驗樓的廢氣種類多、成分復雜。大部分高校實驗室仍以直排和補風換氣作為主要的處理方式，廢氣處理設施有待提升[1-2]。目前國內外廢氣處理研究較為成熟，但大多是針對工業廢氣和特定污染物的有機廢氣處理工藝研究。主要有燃燒法、吸附法、吸收法、生物法、低溫等離子體技術、光催化[3-10]等工藝。①燃燒法：通過加熱，利用有機物可燃性，將廢氣氧化分解成 H2O、CO2。分為直接、蓄熱式、催化以及蓄熱式催化燃燒法，燃燒溫度均在450 ℃以上。燃燒法在高校實驗樓應用存在安全隱患，不宜使用。②吸附法：物理吸附為主的方法，利用分子篩、膨潤土、活性炭、硅膠及氧化鋁等吸附劑對污染物進行吸附，吸附劑比表面積越大、孔徑越多，吸附效果越好。③吸收法：利用相似相溶、選擇性化學反應去除廢氣中水溶性、酸堿性污染物，水是理想吸收劑，通過增加助劑可提高有機物的吸收效果。④生物法：通過附著在填料上的微生物消耗污染物，并將其最終降解成H2O、CO2和中性鹽。生物法能耗低、投資少、效率高，但受限于微生物對環境的要求。⑤低溫等離子：利用高能電子、自由基等活性粒子的激發，破壞原子間化學鍵，使有機物分解為原子和小基團，最終降解為H2O、CO2等。此技術雖然有較高的脫除效率，但氧化不徹底、副產物較多、能耗較大、選擇性較強。⑥光催化：利用特定波長紫外光照射催化劑，進行的一系列“電子-空穴”對激發、有機物氧化化學反應，從而降解污染物，光催化劑主要為 TiO2。此法受到廣泛關注，但在催化劑特定光源、降解機理、催化劑失活等方面還有待加強研究。

高校實驗室廢氣治理研究，主要以“三廢”及廢氣污染治理體系建設為主，實體治理設施應用文獻數量較少。目前高校廢氣治理設施上，除補風直排外，多采用吸收、吸附、光催化工藝，但多為單一分體式處理方式，部分企業對于高校實驗室廢氣的研究重點主要集中在通風柜頂部堿洗預處理上，但此法對于樓層凈高有較高要求，限制了已有實驗樓的廢氣治理改造。文章針對高校實驗樓風量大、濃度低、同時含有無機物和有機物、間歇性排放等廢氣特點，系統提出了堿洗、活性炭復合式處理塔廢氣處理裝置，并對其處理效果及設施優勢進行了分析研究。

1 高校實驗樓廢氣治理的特點

（1）廢氣呈間歇性排放。廢氣主要利用通風柜和集氣罩收集，各個實驗室的通風系統開啟時間不固定，使用時長不一，廢氣排放不穩定。

（2）廢氣風量大濃度低。為滿足師生對于室內空氣的感受及廢氣高效收集效果，廢氣收集設備風速取值較高，一個實驗室通常設置 2～8 個通風柜，單個通風柜風量約為2 000 m3/h，單個實驗室廢氣風量約為4 000～16 000 m3/h。而高校實驗室使用藥劑量較小，相較于生產型企業來說，生產企業的藥劑年使用總量單位以t 為計量單位，而高校年使用總量以kg 為計量單位，高校實驗樓廢氣呈現風量大濃度低的特點[11]。

（3）廢氣產生點源分散，廢氣處理設施數量多。實驗樓多為多層建筑，實驗室分布于各個樓層，廢氣產生點源較為分散，呈立體型污染，結合實驗樓建筑規模及實驗室縱向分布的風井位置，屋面存在數個至數10 個廢氣處理設施。

（4）廢氣處理場地受限。根據建筑外立面效果及廢氣排放標準要求，廢氣處理設施一般設置在屋面層，而屋面往往還涉及太陽能光伏板、水機組或多聯機空調相關設備，加上消防高位水箱、設備機房、暖通機房、風井、管井等設施及構筑物，廢氣處理系統不僅占地面積有限，而且受限于既有風井收集系統的點位布局。

2 實驗樓廢氣凈化處理系統的總體設計

2.1 系統總體設計

廢氣凈化處理系統[12]主要分為室內廢氣的收集系統、自動控制系統、廢氣凈化處理系統。廢氣凈化處理系統流程見圖1。

2.2 廢氣治理設施

復合式處理塔采用填料型結構形式，處理工藝為“吸收+除霧+吸附”，復合式處理塔示意見圖2，其中吸收工藝去除廢氣中的酸性無機廢氣（如 HCl、H2S及酸霧等），少量不溶性無機氣體及大部分的揮發性有機物VOCs 等在吸附段被吸附劑多孔壁面捕集去除。在吸附與吸收段之間設置除霧段，去除氣相中夾帶的液滴，降低水分對吸附工藝的影響。

圖1 廢氣凈化處理系統流程圖

圖2 復合式處理塔示意圖

2.2.1 堿洗噴淋段

實驗室廢氣經收集管網由風機增壓輸送至復合式處理塔，由進氣管進入塔底部，經擋板、氣體分布裝置、格柵均布氣流后，穿過格柵上部的球形填料層。填料層上部設置有多組螺旋噴嘴，釜底循環液經水泵增壓后輸送至螺旋噴嘴，并在螺旋形噴嘴剪切力作用下霧化，均勻噴灑在填料層上部表面。由下至上的氣相與從上往下流動的液相在填料表面接觸，發生擴散、反應、擴散等一系列過程，氣相中的水溶性污染物轉移至液相主體。

應用較多的散堆填料主要有拉西環、鮑爾環、金屬環矩鞍，傳質效率高。而規整填料主要是金屬絲網波紋填料、板波紋填料及相應衍生品種。規整填料壓降較小、不易堵塞，但造價比散堆填料高。為提高傳質效果及廢氣吸收效率，降低工程造價，選用φ50 mm散堆填料鮑爾環，堆積密度87.5 kg/m3、空隙率90%、比表面積106.5 m2/m3，填料高度40 cm。

為提高酸性廢氣的吸收效果，吸收劑選擇反應迅速、吸收效果較好的2%～6%濃度的氫氧化鈉堿液。實驗室廢氣源強較小，噴淋塔的液氣比按照1 L/m3計，則循環水泵流量為 Q=10 m3/h，揚程取 20 m，功率2.2 kW。同時設置自動添加堿液的控制系統，加藥泵由循環水箱內的 pH 值來控制，當循環箱的 pH 值低于設定值時，加藥計量泵會自動工作，對循環箱內進行加藥。當 pH 值達到設定值時，加藥泵自動停止工作。存儲吸收劑的循環液箱自動補充水分、藥劑，并外排飽和的吸收劑循環液。

堿洗噴淋段尺寸根據選定的操作氣速來確定。當氣速達到一定值時，塔的壓降會陡然升高，氣體夾帶液沫嚴重，塔的正常運行狀態被破壞。由 Ecket 等人提出的泛點、壓降和各種因素之間的關系曲線[13-14]，可確定堿洗段的泛點氣速為2 m/s。

以處理風量10 000 m3/h 為例，空塔氣速取泛點氣速70%，即1.4 m/s，則單套廢氣處理量10 000 m3/h的堿洗過流面積為1.98 m2，則塔徑為φ1600 mm。取廢氣停留時間1 s，則堿洗噴淋流程長度為L=1.4 m。

2.2.2 除霧段

除霧段中，設置金屬絲網及φ25 mm 散堆填料鮑爾環，堆積密度 101 kg/m3、空隙率 87%、比表面積194m2/ m3。不溶性組分隨氣相主體繼續沿塔體向上流動，氣相中的霧滴在除霧段與分布密集的絲網及鮑爾環發生慣性碰撞、破碎及匯集等復雜過程，液滴最終在壁面停留并積累至足以克服壁面作用后墜落，進而去除氣相中液滴。除霧段高度30 cm。

2.2.3 吸附段

通過噴淋段和除霧段去除酸性無機污染物及液沫后，廢氣進入吸附段，氣相中的不溶性分子受到固體壁面吸引，有機廢氣停留在吸附劑表面，并逐漸擴散至孔道內，實現有機廢氣的凈化。潔凈的氣流由塔體排氣接管排出，經排氣筒排空。通過塔體頂部的檢修口對吸附飽和后的活性炭進行更換。

活性炭纖維、沸石分子篩、顆?；钚蕴?、蜂窩活性炭、硅膠、活性氧化鋁等是常用的有機廢氣吸附劑，其中顆粒炭和蜂窩炭應用最早也最為廣泛，比表面積通常在700～1500 m2/g。為了降低噴淋段濕度對活性炭效果的影響，選用了防水型蜂窩活性炭，比表面積1050 m2/g、碘值＞850 mg/g、靜態吸苯量＞32%，不但具有較好的吸附效果和較低的阻力，也便于裝填及更換。根據建筑外立面效果要求，塔體高度不得超過外立面建筑格柵，吸附段的過流氣速適當取大，同噴淋段的氣速，取1.4 m/s，則防水性蜂窩活性炭裝填面積為1.98 m2，由于實驗室廢氣有機物濃度極低，前段噴淋段也起到了去除部分水溶性有機物的預處理效果，防水性蜂窩炭裝填高度取100 mm，裝填量為0.198 m3。

3 應用實例及測試方法

3.1 工程應用實例

學校某實驗樓建筑面積 36 500 m2，建筑高度23.6 m，地上 5 層，層高4.5 m，柱網間距為7.8 m×9.9 m，單層建筑面積約6000 m2，建筑平面布局見圖3。一個實驗單元模塊約200 m2，根據進駐院部實驗性質，結合豎向風井設置需求，將實驗組團根據實驗廢氣排放量由大到小按樓層從高到低進行排布，實驗廢氣排放較多的單元模塊中通風柜約8 臺，通風柜分布見圖4。結合室內管線綜合及豎向通風管道的排布，屋面合計布置69 套廢氣處理設施。

圖3 建筑平面布局圖

圖4 通風柜分布圖

3.1.1 室內廢氣的收集系統

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》《建筑設計防火規范》《科學實驗室建筑設計規范》要求，實驗樓內設置獨立機械排風系統，并確保房間負壓，通過豎向排風井道與屋面凈化處理設備連接。排風機采用變頻控制，補風系統采用機械補風與無動力壓差補風相結合，通過氣壓梯度控制，確保房間負壓。實驗室廢氣收集主要源于試劑柜、集氣罩、通風柜。根據實驗室布局，按照風井風速小于10 m/s 的要求布置通風井道，實驗室廢氣通過室內風井的無機玻璃鋼風管收集至屋面廢氣凈化處理系統中。

3.1.2 自動控制系統

室內廢氣與屋面廢氣處理系統依靠執行機構和自動化智能控制系統聯動。在實驗室內設置自動控制箱，箱內設置 DDC 模塊、變頻器，通訊模塊采集各執行機構傳輸信號，PLC 智能控制器根據收集到的信號和數據及時通過控制和調整變頻器的頻率輸出，改變屋面風機轉速，達到調節風量的目的。在每臺通風柜上方的廢氣收集管上安裝有智能自動變風量風閥，通過交互式面板調整變風量風閥的開啟度，信號傳輸給DDC，經控制系統智能整合處理，變頻器傳輸信號調整屋面風機的轉速和風量。有廢氣排出時，電動風閥打開，廢氣的吸入量和吸入速度由控制模塊統一調節；無廢氣排出時，電動風閥則保持關閉狀態，以避免無廢氣空排和廢氣倒灌，從而實現屋面廢氣進氣的數字化調節。當廢氣處理系統活性炭需要更換時，活性炭阻力超出預估值，反饋壓力信號，自動控制系統及時報警[15]。

3.1.3 風機選型

計算風量時：通風系統干管內風速取8～10 m/s，支管內風速取 5～8 m/s。1800 mm×850 mm×2350 mm通風柜風量約 1500～1800 m3/h，排風百葉風量約300～500 m3/h，排風罩排風量約350～500 m3/h，萬向排風罩排風量約160～300 m3/h，一般實驗室整體排風的換氣數約 6～12 次/h。根據實驗室通風柜等設備數量及相應通風井道的布局，設置了19 套5000 m3/h、18 套 7500 m3/h、10 套 10000 m3/h、2 套 12500m3/h、2 套 13000 m3/h、5 套 15000 m3/h、1 套 16000 m3/h、12 套17500 m3/h 風量的復合式處理塔，分布在各個點位。

計算風壓時，通風柜阻力約70～80 Pa，萬向排風罩阻力約100 Pa，頂部排風百葉阻力約40 Pa[16]。電動風閥等標準部件阻力根據所選型號查詢。風管（包括管道、彎頭、三通等）阻力按6～8 Pa/m 計算。復合式處理塔的阻力一般為600～800 Pa，其中，堿洗吸收段阻力約350 Pa，吸附段約400 Pa。系統局部與沿程壓力損失約450 Pa。預留部分活性炭受潮后的終阻力，這樣，根據壓阻與風量選取防腐防爆離心風機，風機全壓選擇在1400～1900 Pa，功率3～11 kW。

3.1.4 匯流排氣筒

根據復合式處理塔的布局及縱向實驗室性質，將屋面處理設備劃分為8 個區域，將區域內復合式處理塔的排氣合并至一根排氣筒，排氣筒流速控制在10～15 m/s 之間，匯流排氣筒分析表見表1。匯流風管實體圖如圖5 所示。

表1 匯流排氣筒分析表

圖5 匯流風管實體圖

3.1.5 其余污染處理

復合式處理塔正常運行時，吸收段會產生廢氣堿洗廢液，吸附段會產生飽和活性炭。通過屋面的廢水管道將堿洗廢水有組織排放至相應的廢水處理系統，委托有資質的第三方危險廢物處置單位處理更換的飽和活性炭。在廢氣風管與風機之間加裝消音器，同時在風機外圍整體設置隔音箱，將風機置于隔音箱內，以降低屋面風機噪聲，不影響師生的正?？蒲屑敖虒W活動。

3.2 測試方法

按照《惡臭污染物排放標準》（GB14554-93） 規定的方法，選取非甲烷總烴、氮氧化物、氯化氫、硫酸霧、苯、甲苯、二甲苯、氨等指標，對該設施污染物濃度及排放量進行監測。檢測采樣點為8 個排氣口頂部（距離地面高度為25 m），在工作日每天采集3次，采集2 天，共6 次，取其平均測定值為最終測定值。

4 復合式處理塔應用分析討論

4.1 復合式處理塔處理效果

根據環保驗收監測數據結果顯示，經復合式處理塔治理后，非甲烷總烴、氮氧化物、氯化氫、硫酸霧、苯、甲苯、二甲苯、氨等各項指標均滿足《惡臭污染物排放標準》（GB14554-93）規定的限值（排氣筒高度25 m 標準限值），各排風口處理后惡臭污染物濃度見表2，各排風口處理后惡臭污染物排放量見表3。

表2 各排風口處理后惡臭污染物濃度（mg·m-3）

表3 各排風口處理后惡臭污染物排放量

4.2 復合式處理塔占地面積

按照堿洗、吸附分段法常規組合工藝，一個10 000 m3/h風量廢氣治理設備尺寸約8.4 m×2.6 m，常規堿洗塔設備布置見圖6，占地面積約21.84 m2。整合兩端式處理工藝后，復合式處理塔裝置布置見圖 7，設備尺寸為4.2 m×2.65 m，占地面積約11 m2，相比常規工藝，復合式處理塔節約了50%的占地空間。

在項目中，按照節能設計要求，太陽能光伏系統占據了屋面中庭鋼結構天窗，水機組空調主機占用了連廊部位，多聯機空調、部分設備用房占據了連廊右側角部屋面空間。結合室內暖通規范，建筑設計院處理設備只能在實驗區屋面空間布點，約合 1200 m2。采用常規工藝則需要 69 m×21.84 m 約合 1500 m2空間，僅設備就已超出界限，無法滿足工程需要。采用復合式處理塔后，設備占地約760 m2，不僅滿足了建筑設計需求，同時節約了800 m2空間，方便了設備調整、施工和未來設備檢修通道的預留。

4.3 復合式處理塔匯流轉接空間

圖6 常規堿洗塔設備布置圖

圖7 復合式處理塔裝置布置圖

按照分段法常規組合工藝來看，通常吸附段為避免氣體短流，進氣與出氣口分別設置在吸附段箱體兩側上下側，常規活性炭吸附箱氣流組織見圖 8，如考慮合并排氣口，則需要增加出氣段匯流彎管，按照《通風與空調工程施工質量驗收規范》（GB50243-2016）規定，焊接彎頭的彎曲半徑不應小于管道直徑的 1.5倍，10 000 m3/h 風量出氣口直徑約60 cm，則轉接口最少占用90 cm 長，直徑60 cm 的立體空間，投影面積為0.6 m×0.9 m，浪費占地面積約0.55 m2。而復合式塔采用下進上出的氣流組織方式，出氣口上方可直接接入上端匯流管，利于緊湊布局屋面的匯流管接入，節約占地空間。

圖8 常規活性炭吸附箱氣流組織

4.4 復合式處理塔匯流的優勢

大氣污染防治法要求企業事業單位應當按照國家有關規定和監測規范，對其排放的有毒有害大氣污染物進行監測，并保存原始監測記錄。根據《排污單位自行監測技術指南總則》（HJ 819-2017），市、省、國家及重點污染企業等相應的環保監測頻次分別有季度監測、半年和全年監測等，即高校廢氣排放的例行環保監測最少是一年一次。在生態環保的國家經濟戰略發展理念下，環保監測頻次未來也可能會增加。按照常規監測內容及監測因子，1 個排氣筒的監測報價大致在0.6 萬元，若實驗樓復合式處理塔獨立排放，排氣筒數量將達到69 個，不僅不便于管理，環保例行監測費用也高達40 萬元，項目處理塔匯流排氣筒后，排氣筒數量合并為8 個，每年最少節約36.6 萬元，經濟效益明顯。

4.5 復合式處理塔安裝方式

建筑屋面防水的質保一般是5 年，結合各施工措施及養護的因素，屋面剛性保護層及防水卷材定期需要更換維修，設備若直接落在屋面剛性面層上，風機的震動、設備的運行、不均勻布置及活性炭更換時的污染均會對屋面防水產生影響，設備數量多且自重大，而上人屋面的荷載僅為 2 kN/m2，通過在屋面增加80 cm 結構框架，并滿鋪鋼板，將設備放置在鋼板上，不僅便利了整個設備的施工安裝，也有利于部分屋面設備給排水管的隱蔽和維護，更為樓宇的防水定期維修提供了有效施工空間，保障了設備的正常運行。

5 結語

采用復合式處理塔結構簡單，運行管理方便，廢氣治理后滿足排放標準，同時也解決了屋面廢氣設備的占地面積難題。根據后期環保監測的維護管理需求合并了廢氣排放末端，節約了大量環保監測費用。此應用可供高校實驗樓廢氣治理參考。