大規模化學實驗室排風凈化除味系統與應用

楊成斌， 張 帥， 孫志超， 朱 能

(1.天津大學建筑設計規劃研究總院， 天津 300072； 2.天津大學 環境科學與工程學院，天津 300350； 3.中國民航大學 寧河校區建設指揮部， 天津 300300)

1 概述

隨著我國科學技術的發展，對各類實驗室的需求越來越大，各學科領域的重點實驗室、各高校的重點實驗室規模越來越大，已成為一個龐大的系統。大規模工業生產的廢氣處理得到的關注更多，實驗室廢氣處理卻往往被忽略。雖然各類實驗室排放量一般較小，但隨著實驗室數量的加大，其排放量也是極為可觀的。區別于標準化的工業流程，實驗室廢氣中所含污染物的種類和濃度往往更加多樣和廣泛，更有可能產生一些具有特殊毒性的化學物質，存在極為嚴重的潛在危險。因此，必須對實驗室產生的廢氣加以處理，以達到排放標準。

2 凈化除味系統的選擇

2.1 項目概況

天津大學新校區化工材料學院位于新校區的東面，北面是行政樓和體育館，南面為學生宿舍，東西面為擬建教學樓，該項目化學實驗室非常多，排出的異味隨風向的變化對其周邊環境造成污染。

實驗室排出污染氣體主要成分包括：

有機類。如各類烷烴、鹵代烷、醇、酸及酸酐、醚、胺、酮、烯、苯等芳香烴、醛、酯、含氮雜環、含硫類等。

無機類。如氟化氫、氨氣及其他揮發性無機氣體等。

2.2 實驗室排風量與排風機統計

實驗室排風量與排風機統計見表1。

統計數據表明，實驗室整體排風量大，需按學校的使用特點計算同時使用系數，各種有害氣體排出量小，但廣譜性大，每天每一時刻排出的有害物均在變化，增加了凈化除味系統的處理難度。

2.3 凈化除味系統的選擇

實驗室經常使用的凈化除味系統包括：活性炭吸附、光催化燃燒處理技術、生物分解處理技術、高能離子凈化系統等。

① 活性炭吸附：活性炭吸附具有吸附效率較好、適用面較寬、能同時處理多種混合廢氣等優點。該系統是利用活性炭本身的吸附力，結合風機作用將有機廢氣分子吸附住，對苯、醇、酮、酯、汽油類等大分子有機溶劑的廢氣有很好的吸附作用，但對化學實驗室產生的小分子廢氣不能完全有效處理。在使用過程中凈化效率隨使用時間的增加而降低，需要定期更換與再生，阻力大(約為600～900 Pa)，能耗高，占地面積大(處理1 000 m3/h廢氣的活性炭箱需占地5.2 m2)，由于各實驗室通風柜較多，屋頂通風設備相對較多，無法滿足大量設置活性炭箱的占地需求。

② 光催化燃燒處理技術：能高效去除VOC(揮發性有機化合物)、無機物、硫化氫、氨氣、硫醇類等主要污染物，不同的排放場合和不同的廢氣需配置不同的工藝流程，對變化較大的有害氣體進行處理較為困難。

③ 生物分解處理技術：利用循環水流，將惡臭氣體中污染物質溶入水中，再由水中培養床培養出微生物，利用微生物將臭味氣體中的有機污染物降解或轉化為無害或低害類物質。

適用于易溶于水的有機廢氣；針對性強，要根據廢氣成分進行微生物培養；細菌培養困難，成活率不穩定，受氣候影響大。

④ 高能離子凈化系統：空氣通過離子空氣凈化裝置，在電場的作用下，可使其中的氧分子失去或得到一個電子而形成一種過渡狀態的氧離子，可在短時間內與空氣中的VOC接觸，打開VOC分子化學鍵，將它們分解成二氧化碳和水等對人體無害的穩定的小分子化合物；對硫化氫、氨等無機化合物同樣具有分解作用。高能離子對實驗室排出的各種有害氣體具有較強的處理能力，離子凈化裝置具有體積小、阻力小于50 Pa、能耗低(每組功率小于50 W)、后期維護簡單等特點。

3 離子凈化實驗

3.1 常規離子凈化設備

采用常規的離子凈化設備對出口污染物質量濃度進行測試。主要污染物監測結果見表2和表3。

表2 主要污染物排放質量濃度監測結果

表3 主要污染物排放速率監測結果

監測結果顯示處理結果不滿足排放質量濃度限額的要求。由于離子與空氣中的有害物反應不充分，反應時間短，在排出的空氣中仍有離子的存在，需讓離子與空氣中的有害物進行充分的反應。

3.2 高能離子凈化設備

對常規離子凈化設備進行改進，在設備內增加送風機，使離子與新風和污染空氣進行旋轉混合，增加離子與污染空氣的反應強度，提高了離子凈化設備的處理效率。設備改造后第2次實驗主要污染物監測結果見表4和表5。主要污染物滿足最高允許排放質量濃度限額的規定。

表4 第2次實驗主要污染物排放質量濃度監測結果

表5 第2次實驗主要污染物排放速率監測結果

3.3 項目風量控制

由于項目的實驗室通風柜很多，排風量大(412.80×104m3/h)，通過對項目的調研與分析，確定了同時使用系數為30%。按總排風量的30%設計凈化系統，需處理124×104m3/h的排風量，稱為基點風量。總排風機設變頻控制，當通風柜排風量小于基點風量時，通過風機變頻減少總排風量，同時減少凈化處理設備投入量(凈化處理設備分為三檔控制)，風機排風量和凈化處理設備投入量按排風量調節。當通風柜排風量大于基點風量時，通過壓力檢測控制旁通閥的開啟排除多余風量，此時異味

會散發到大氣中影響周邊環境，但此種情況發生的概率非常小。

3.4 新風機房的設置

設新風機房，冬季按總排風量的30%的新風量補充排風引起的熱量損失，解決了實驗室冬季房間過冷使用電爐供暖的耗能，新風統一送到樓道內，實現了樓道為正壓、實驗室為微負壓的壓力控制流向，控制了實驗室氣味的外泄，新風系統、排風系統、凈化除味系統的結合，解決了大規模集中化學實驗室氣味外泄、污染環境的弊端，在節能、節省投資、改善環境方面積累了經驗。

4 結論

通過對實驗室凈化系統的分析及對現場凈化設備的檢測，開發了一種高能離子凈化裝置，改進了離子凈化設備的凈化效率。通過增加新風正壓區和排風負壓區的設置，極大地改善了實驗樓的空氣品質。凈化處理系統通過了環保局的驗收，室外明顯沒有了實驗樓的刺激味道。通過增加新風和按同時使用系數變頻調節排風量，解決了實驗室冬季室溫過低而大量使用電爐供暖的現象及安全隱患，實現了節能、環保、改善空氣品質的良好效果。