煙草行業實驗室廢氣治理工程的技術討論

文_宋瑞霖 瀚沃環境技術（上海）有限公司

1 實驗樓群的現有情況及園區現有條件

某煙草公司實驗室廢氣處理項目共有各種類型實驗室356個，分布在8幢實驗樓。因是增項工程，故保溫層采用聚氨酯材料已經完備，原有樓面防水已經完好，而且還做了相應的美化，樓面承重有限，不具備通過膨脹方式固定設備及管道的條件；項目廢氣收集已做完，且排風管都已按環保要求進行排放口的延長處理，樓頂已被空調室外機組、消防用設備、天溝排水路徑和外墻清洗用水箱等占用了大部分面積，導致每一幢實驗樓的樓頂平面無管道走向空間，無廢氣處理設備的安置空間；項目原有各個實驗室的排氣管道管徑大小不一，不在同一水平面，連接主管開口位置高度不統一，導致不能在廠內預制接駁口，只能現場進行開口焊接；項目園區貨運電梯有效開口寬度不足1500mm，另工作日期間不得采用吊車作業，導致實際工作量加大。

2 實驗樓廢氣治理工程的設計方案

2.1 治理工藝選擇

煙草燃燒時釋放的煙霧中含有3800多種已知的化學物質，絕大部分對人體有害，包括一氧化碳、尼古丁等生物堿、胺類、腈類、醇類、酚類、烷烴、醛類、氮氧化物，多環芳烴、雜環族化合物、羥基化合物等，且各成份濃度較低風量相對較大。處理實驗室廢氣的常見組合工藝有“堿液吸收法+活性炭吸附”“堿液吸收法+光催化”“光催化+活性炭吸附”“堿液吸收法+低溫等離子”“低溫等離子+光催化”等，其治理思路是首先除去廢氣中的酸霧或長鏈化學分子，然后采用吸附、光催化或等離子法治理余下的廢氣，最終實現達標排放。

結合本項目現有屋面防水情況、承重能力等條件，確定為分散式處理形式，即每一個實驗室的排風管配一套廢氣處理設備進行廢氣處理，獨立做為一個小的廢氣處理系統，將若干個實驗室的治理之后的廢氣匯總排放。分散式處理面對的每個實驗的處理能力相對較小。這種情況下，液洗法的工藝不適用本項目，最終通過與客戶，設計院共同研究討論，采用“低溫等離子+光催化”組合式工藝。

低溫等離子體產生過程中，電子能量級可以達到1～20eV(11600～250000K)，具有較高的化學斷鍵反應活性。低溫等離子體在廢氣處理時的化學反應過程從時間角度可劃分為4個步驟流程：①皮秒級的電子躍遷，電子從基態躍遷到激發態。②發生在納秒級尺度，不同能量溫度狀態的電子通過旋轉激發、振動激發、離解和電離等非彈性碰撞形式將內能傳遞給氣體分子后，一部分以熱量的形式散發掉，另一部分則用于產生自由基等活性離子。③在形成自由基活性離子后，自由基及正負離子間會引發線性或非線性鏈反應，該反應發生在微秒級尺度。④由鏈反應導致的毫秒到秒量級的分子間發生熱化學反應。

光催化作用主要是紫外光在發生中，利用二氧化鈦作為催化劑的全稱。反應條件溫和，光解迅速，產物為CO2和H2O等其它更小分子，主要原理是光催化劑吸收光最，與表面的水反應產生羥基或其它活性氧以及更多的強氧化離子，其中羥基的反應能具有120kJ/mol，高于有機物的各類化學鍵能，再加上其它活性氧化特的協同作用，可以更好的處理各類型化學分子廢氣。

確定“低溫等離子+光催化”組合式工藝后，光催化彌補了等離子的氧化性的短板，而等離子可以彌補光催化這部分的斷鍵能力，協同作用后，可以處理范圍較為廣泛的廢氣成分。

市面上等離子發生管的材質有三種，不同的材質對應產生的等離子量也不盡相同，對三種不同等離子發生管的材質進行了實驗選取，目的是為了選取等離子發生量最大的材質，保證本項目的廢氣有效處理。在實驗過程中，技術人員對三種不同材質的等離子管性能也進行了測試與選擇。具體離子發生量如圖一不同材質的離子發生量比較圖。三種不同材質的離子管在相同時間內，產生正負離子數量如圖1不同材質的離子發生量。橫坐標為時間：s，縱坐標為產生離子數量：萬個/cm3/s。

圖1 不同材質的離子發生量

隨著開機時間的加長，到穩定狀態下得到結論：①單純石墨烯離子管產生的電子能量比較穩定，但其電子和等離子數量有限。②單純鍍銀質離子管所產生電子數與等離子數較石墨烯離子管有了長足的進步，但電子能量相對較小，不如石墨烯材質的穩定。③復合式石墨鍍銀質等離子管結合了石墨烯與銀質離子管的優勢，對廢氣可實現99%的處理覆蓋率。由于其在不同廢氣處理過程中表現出眾，成為本實驗等離子管材質的優選。

確定好離子管的材質選擇后，結合現場的情況，設計廢氣處理設備的結構，設備箱體采用SUS304不銹鋼加工而成，內置可調18～100W復合式石墨鍍銀質等離子管，內置184.9nm波長UV光解裝置。

2.2 處理廢氣安裝形式選擇

考慮到每個實驗室在實驗過程中，有可能引入一些易燃易爆材料進行實驗，故廢氣處理設備采用注入式，將等離子及臭氧分子通過末端風機負壓引入管道之中進行處理。因此，本設備采用注入式，新風的濕度與溫度會影響等離子的發生數量，在新風進風口處做了防水通氣格柵，并加裝聚四氟乙烯疏水性的過濾膜組件（聚四氟乙烯疏水性膜片多用于空氣過濾，疏水型具有透氣不透水的效果，空氣過濾時阻隔空氣中的水滴和灰塵等，可用于氣體傳感器保護過濾等）及無紡布組合裝置，過濾膜組件內結構筋，保證其結構的穩固性。避免出現濕度過高的空氣進入注入型離子設備箱體內，影響等離子實際產生的應用數量與斷鍵效率。同時在設備組件的開合處，都做一次性成型注膠密封工藝，避免雨水天氣時因負壓狀態時，設備箱體內可能進入水氣。

2.3 凈化后氣體匯集方式

將原有出風口的45°彎頭拆除，在風機出風口位置，加裝止回閥，最終匯入總管，由一臺風機將就近的若干實驗室的排氣統一匯總排出。風管走向采用就近集合，就近匯總，就近排放的原則。排風管道的優化設計，按實驗室排風口點位，屋頂面積、立面高度等進行整體優化設計，系統管路優化設計合理、路徑合理，滿足GB/T16157對采樣位置的要求，以及滿足GB/T16157-1996 固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法。

采樣位置優先選擇在垂直管段，應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。采樣位置應設置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑和距上述部件上游方向不小于3倍直徑處（即上3下6)。由于混合比較均勻，其采樣位置可不受上述規定限制，但應避開渦流區。如果同時測定排氣流量，采樣位置仍按上述選取。為了避免出現多個實驗室的排氣管匯總在一起時產生串氣現象，需要對每一個實驗室的排氣風機排氣口進行處理，加入止回閥。因考慮到部分風機風量與風壓相對較小，最小的風量為800m3/h，風壓僅243Pa，常用無動力止回閥無法通過風機風力打開，為避免電力消耗，線路增多，橋架也需加大帶來的投資成本過高，以及后期的維護更換不便的原因暫不考慮電動止回閥。這類小風量風壓小的采用0.3mm的鋁合金多段片定制，既能解決排風串煙的可能，又可以及時打開保證排煙通暢。

2.4 設備自控

氣體排放處理設備包含自帶的電氣控制，每棟建筑樓各配置1套獨立控制系統，可通過ProFiNet方式將每個氣體處理設備的運轉狀態和故障報警等相關信號送至BA控制系統。

每套廢氣處理設備自帶的電控系統具備的功能：①每套系統都設置手動、自動、禁止三種模式。手動模式下可以在觸摸屏上單獨對每個離子管和風機進行啟停操作，自動模式下設備啟停由BA系統給出信號，禁止模式下該系統所有設備無論通過現場觸摸屏或遠程BA系統都不能啟動。②每個離子管和風機的運行及故障狀態觸摸屏必須實時顯示并記錄。③設計的系統風機的啟停及變頻控制應符合實驗室實際使用頻率和實際排放量。

自控系統配備壓差傳感器在線監測風管內負壓數據，實時傳輸到PLC內進行PID程序運算,來控制變頻器，實時調整排風機頻率和控制排氣管內負壓差；來實現精準排放節能環保目的。氣體處理設備通過由BA系統給出的無源觸點信號自動開啟和關閉，避免各控制室對各個樓面的所有廢氣處理設備實時控制。

3 安裝過程

本項目需要在規定的時間內完成作業，要求每一個步驟都需要緊湊，所有管道及連接件的供應不能出現錯誤，以及安裝過程中不能出現返工情況，才能按時保質保量的完工。

3.1 注意事項

在安裝過程中，風機就地控制變頻器因樓面露天戶外安裝，盡管采用了戶外型不銹鋼電控箱，為避免炎熱天氣，因散熱不良而導致的變頻器過熱出現宕機的可能，影響整個系統的運轉，為此特別設計了一套通風導熱流通器，基于的原由，來自于實驗室需要常年保持25℃室溫的狀態，將排出的凈化后的溫度在27℃氣體再次過濾引入匯總風機電控箱內，將循環后的熱氣，再通過管道引入總管匯總排出，可保持電控箱內的溫度保持在30℃以下。

此種結構形式，可使得實驗室的恒溫恒濕氣體，在經過凈化處理以及除濕過濾器后，通過風管外循環進入風機電控箱內，最大限度的保證變頻器的溫度不超過40℃。經最終運行時，實際測得的的溫度介于27～30℃之間。

3.2 與原有方案相比具有的優勢（表1）

表1 材質比較

3.3 工程調試與移交

本項目整個調試過程包含電氣系統調試、風機單機試運轉、廢氣處理系統單機調試、風管漏光漏風測試以及所有設備聯動測試以及并網與BA測試。

3.3.1 電氣系統調試

主要檢測防雷接地、低壓配電柜（箱）及配電線路、照明、電動機和各種弱電系統等。

3.3.2 風機調試

風機經一次啟動立即停止運轉，檢查葉輪與機殼有無摩擦和不正常的聲響；風機的旋轉方向應與機殼上箭頭所示方向一致；風機啟動后，如發現機內有異物時，應立即停機，設法取出異物。風機啟動時，應用鉗型電流表測量電動機的啟動電流，待風機正常運轉后再測量電動機的運轉電流。如運轉電流值超過電機額定電流值時，應將總風量調節閥逐漸關小，直到回降到額定電流值。在風機運轉過程中，應以金屬棒或長柄螺絲刀，仔細監聽軸承內有無噪聲，以判定軸承是否有損壞或潤滑油中是否混入雜物。風機運轉一段時間后，用表面溫度計測量軸承溫度，所測量溫度值不應超過設備說明書中的規定。

3.3.3 廢氣處理系統調試

①準備工序。檢查廢氣處理系統和附屬系統的部件是否齊全；檢查廢氣處理設備各緊固連接部位不得松動； 調整廢氣處理設備所在管道相應的功率。②運行。檢查電路是否通電，顯示開關是否正常；所有等離子放電狀態；UV光解裝置照度狀態； 開關旋鈕是否有卡滯。

經過一系列的調試與試運行，可以達到驗收合格后，報請第三方做排放指標檢測，廢氣排放符合《大氣污染物綜合排放標準》DB31-933-2015相關標準。實現正式竣工，并移交業主方。

4 結語

煙草實驗室廢氣處理項目的產品設計取得的成果總結與思考：①分散式廢氣治理，可以有針對性的對每個試驗室所產生的廢氣進行不同工藝的選擇，同時可以有效避免樓面承重問題，更加有效的管理運營，節約運營成本。②分散處理之后，凈化后的排氣管道匯總在一處，為環保檢測人員降低檢測工作量，同時也可以減少后期檢測方面的后期費用。③要做好止回閥的材質選擇與形式選擇，廢氣凈化后的排氣管道的規劃設計，可以有效控制廢氣單向運行，也可避免非同時開啟的實驗室廢氣倒灌、串氣。另外，采用此分散性廢氣處理匯總收集的方式將原來的356個取樣口直接減少為19個，大大減少了后期環保取樣的工作量及按點收費的費用。④此種方法與工藝不僅適用于老舊實驗樓群的改造，也可納入新實驗樓總體規劃設計方案中。