化學實驗室通風及廢氣治理工程設計研究

王 釗，孟 杰，汪生華

（1.杭州眾達實驗設備有限公司，浙江 杭州 311107；2.浙江協恒科技有限公司，浙江 衢州 324000；3.杭州環保成套工程有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

實驗室污染物常被人忽視，比如高校實驗室，科技創新能力的提升帶來了更加頻繁的科研活動，作為嚴重污染源之一，滯后、不夠規范的廢氣治理與通風系統不僅會傷害到實驗室使用人員的身體健康，還會帶來環境污染事故，影響人和自然的和諧發展。本文以高校化學實驗室為例，分析通風機廢氣治理工程設計，提高化學實驗室的安全與能效。

1 化學實驗室廢氣概述

化學實驗室廢氣構成復雜，可分為兩種，分別為有機廢氣與無機廢氣。其中，前者以四氯化碳、乙硫醇、甲烷、醛類、乙醚、苯為主；后者以二氧化碳/硫、氮、硫化氫、氨氣、一氧化氮、氯氣、溴化氫等為主。與工業生產期間產生的廢氣不同，化學實驗室廢氣體量、濃度均相對較小，但成分復雜、分散，排放具有間歇性，若是廢氣累積也會產生不容小視的惡劣效應[1]。尤其在人體危害方面，以硫化氫為例，若實驗室通風系統較為老舊，廢氣治理效果不佳，導致實驗室使用者吸入較多硫化氫，輕則頭疼惡心，重則休克。對于環境來說，若廢氣未經規范處理便排出，將加劇酸雨等現象，影響大氣、水體、土壤環境，由此帶來嚴重社會公害。

2 研究化學實驗室通風及廢氣治理工程設計要點

現階段，應用于化學實驗室廢氣的治理手段有干、濕之分，為強化本文研究結果的真實可靠性，故引入某高校化學實驗室。

2.1 通風設計

2.1.1 氣量計算

為使化學實驗室通風系統順利發揮作用，需計算實驗室換氣量與廢氣量。

（1）換氣量計算。根據此類實驗室常見的有害氣體，換氣速度區間在10～20 次/h。一般情況下，10 次/h主要用于散逸程度低、廢氣危害程度小的場景，反之則取15 次/h 以上。由于案例實驗室為改建工程，逸散方面無法得到保證，外加實驗室有效空間體積較大（300m2），故設計換氣速度為18 次/h。由此可得到案例實驗室換氣量（室內有效空間體積×換氣速度）為5400m2/h。

（2）廢氣量估算。室內設有通風柜，根據其工作口敞開面積、工作風速、泄露安全系數（取1.1），可計算得到廢氣量。公式如下：

式中：Q——實驗室廢氣量，m3/h；V——通風柜工作風速，m/s，案例實驗室為0.7m/s；A——通風柜工作狀態下的敞口面積，m2，案例實驗室為1.92m2。

通過將數值一一代入，案例實驗室廢氣量在5400m3/h 左右。

2.1.2 氣流方向

正確氣流方向的明確，有助于提高室內有害氣體排除效率，故在設計化學實驗室通風系統時，需確定室內氣流方向，避免換氣氣流短路[2]。一般情況下，室內氣流方向與進風口、出風口的位置有關，案例實驗室出風口分別位于房間上部和靠墻位置，進風口以窗戶為主，這意味著室內氣流的循環往復方向為至下而上，從四周集中流向出風口。

2.1.3 通風管道

由于案例實驗室建造時間較早，故風管以碳鋼制為主，為提高實驗室通風性能，本次項目需要根據布局方案重新設計管道。案例實驗室位于整幢樓的二層，根據實驗室使用需求，其廢氣以刺激性氣體為主，故優選耐腐蝕管道。在管道規格設計方面，為保證管道口徑滿足通風量需求，同時避免噪聲產生，需根據通風量估算管道直徑，根據上述數值，管道直徑設計為40cm 左右。案例實驗室選用兩條管道，分別用于整體通風和通風柜排風，沿墻壁設計使用，合并進入吸收塔。

2.1.4 定/變排風系統設計

相較于以往“定風量排風+自然補風”系統，案例實驗室調整為“定風量+變風量”排風設計。其中，排風柜為定風量排風柜，排風系統風閥為手動調節，風量整定后不作調節。當排風柜處于開啟狀態時，搭配設計空調新風換氣。同時，為使實驗室總排風量穩定，定風量柜門上方設置旁通百葉，當柜門降低時，旁通排風量增大。

在變風量排風系統設計方面，排風管上的變風量調節閥保證排風柜門啟閉時面風速滿足控制要求，閥門開度通過面風速信號或柜門位移信號控制。其他需保持穩定排風量的排風設施如藥品柜等的排風管可采用壓力無關定風量閥，維持排風量恒定。其中，排風機可采用定靜壓法或總風量法實現變頻控制。

2.1.5 補風系統設計

受建筑室內風平衡影響，一般化學實驗室需保持微負壓，根據《科研建筑設計標準》（JGJ 91—2019）文件，設置機械送排風的實驗室建筑應進行風平衡及熱平衡的分析計算，在排風量較大時應設置機械補風系統。案例實驗室主要根據門窗滲透量確定補風量，以自然進風為主。另外，設計使用分散式變風量補風系統，通過單個實驗室風機變頻的方式即可實現風量調節。

2.1.6 風機選型

案例實驗室系統設計風量（Q）為10800m3/h，管網漏風附加率15%，在該情況下，風量計算公式如下：

式中：Q——實驗室系統設計風量，m3/h；Qf——風機風量，m3/h。

根據式（2），案例實驗室風機風量為12420m3/h。

由于現場檢測得到系統壓力損失在300Pa 左右，同時存在管網壓力損失（取值15%），外加廢氣處理期間喊聲的壓力損失（取值500Pa），在風機全壓負差系數為1.05 的情況下，風機風壓為888Pa。根據風壓及上述數據選擇合適的風機設備，案例實驗室所選設備規格為：流量在8288～16576m3/h；壓力在1116～1760Pa；功率為7.5kW。

2.2 廢氣處理設計

由于案例實驗室廢氣以硫酸霧、鹽酸霧為主，均易溶于水，故設計選用濕法（噴淋填料塔）吸收塔治理廢氣，治理流程如圖1 所示。從濕法（噴淋填料塔）吸收塔進行廢氣治理設計時，應從塔徑、填料、噴嘴、壓降、塔高5 個方面入手。

圖1 廢氣治理流程

2.2.1 塔徑

從廢氣治理角度設計噴淋填料塔時，應以操作氣速為依據設計塔徑。結合設計來看，噴淋填料塔操作氣速不可一味提升，當該參數達到特定程度后，將會引發噴淋填料塔壓降驟然升高現象，破壞噴淋填料塔原有的運行狀態，出現上述現象時的操作氣速又被稱之為泛點氣速[3]。不同物系、不同填料的泛點氣速各有不同。結合現有研究來看，泛點氣速與密度、粘度、填料因子、空塔速度、重力加速度等指標進行確定，通常情況下，噴淋填料塔的泛點氣速為2.5m/s。確定泛點氣速后，則可按照泛點氣速數值確定噴淋填料塔的操作氣速，結合實踐經驗來看，1/2～3/4 的泛點氣速則為操作氣速，若泛點氣速為2.5m/s，則操作氣速通常為1.5m/s。隨后則可充分考慮氣體處理量、操作氣速而明確噴淋填料塔塔徑。

2.2.2 填料

噴淋填料塔填料應具備優異濕潤性及較好比表面積，同時具備良好穩定性、機械強度，且要求質量低、氣流阻力低，當滿足上述要求后，進一步控制填料成本即可。在化學實驗室廢氣治理設計期間，可原則階梯環、鮑爾環、拉西環等結構的填料。

2.2.3 噴嘴

噴嘴性能可影響噴淋填料塔運行效果，化學實驗室廢氣治理設計時可選擇螺紋噴嘴，材料為PVC，耐腐蝕性較強，此外，要求噴嘴流道通暢，降低噴嘴液體阻塞問題的出現概率。完成噴嘴材料及結構選擇后，以工藝為依據確定噴嘴流量及霧化角度。一般情況下，完成噴嘴選擇后，其噴嘴流量已基本固定。從霧化角度來看的，為確保噴嘴能夠充分覆蓋噴淋填料塔內部區域，應將霧化角度設計為90°，并將噴嘴設置于特定位置，最大限度地去除廢氣。采用噴淋填料塔方式治理廢氣時，噴嘴的噴淋覆蓋率應控制在200%左右，并實現均勻覆蓋。

2.2.4 壓降

噴淋填料塔填料層壓降主要結合氣體密度、氣體質量流率、液體，密度、液體質量流率、填料層高度進行合理設計。但通常情況下，化學實驗室進行廢氣治理設計時，所運用的噴淋填料塔填料層壓降多為300～700Pa/m[4]。

2.2.5 塔高

填料層高度應根據傳質單元數、調料直徑、填料比表面積、吸收總共系數、氣體流量、氣體出入口濃度進行確定。此外，設計噴淋填料塔高度時，還應同時確定填料段間隙，而填料段間隙通常情況下處于25～100cm。化學實驗室以廢氣治理為目標設計噴淋填料塔時，因廢氣內的顆粒物成分相對較少，故無須在噴淋填料塔內部額外增設沉淀槽，可直接于噴淋填料塔下部維持一定液位，將其作為液槽結構即可。

2.2.6 結構設計

由于案例實驗室每日產生的廢氣以酸性廢氣為主，故塔體結構選用聚丙烯板材，為保證結構強度，加大厚度，結構設計與管道設計相統一。將氣流分布裝置設置在填料層下部，將除水裝置設置在噴淋系統上部，為給后續檢修、維護提供便利，將檢修觀察口設置在塔壁上。

2.2.7 吸收劑設計選用

綜合考慮實驗室廢氣主要成分、工程效益目標后，案例實驗室設計選用5%氫氧化鈉水溶液作為吸收液。同時，設計應用27m3/h 的循環用水量。

2.3 設計效益

模擬化學實驗室通風系統及廢氣處理工程測試效果，發現鹽酸霧吸收效率在95%左右，硫酸霧吸收效率在75%左右，室內空氣質量達標。由此可見，整套廢氣凈化裝置成本較低，結構較簡單，操作維護使用方便，同時，可有效改善室內的通風環境，避免重復建設、節約項目成本。

3 化學實驗室通風及廢氣治理工程設計展望

在當前時代背景下，化學實驗室通風機廢氣治理工程愈發注重環境保護與節能降耗，因此，此類工程的設計發展方向與要點可總結如下。

（1）基于安全前提設計應用節能技術與產品。優選變風量控制系統，精準控制排風柜風俗的同時，減少運行能耗；采用“余風量+壓差監視”控制設計，利用新一代信息技術實施監控通風與廢氣治理情況；為提高通風系統節能水平，采用“雙靜壓控制點”的定靜壓變頻設計；設備產品優選國家節能認證。

（2）應用U 型除濕三維熱管技術。熱管屬于傳熱元件，利用工質汽液相變來吸收和釋放熱量。熱管換熱器具有結構緊湊、體積小、壓降低、效率高以及無輔助動力等優點，吸收外面流動空氣的熱量時產生毛細壓力，進而形成熱毛細動力循環。三維熱管氣流流向如圖2 所示。

圖2 三維熱管氣流流向

通過將其安裝于空調箱表冷器兩側，能夠高效率處理外部空氣。夏季時，針對室外高溫、高濕空氣的處理可依靠該裝置實現，通過表冷段深度降溫、除濕，然后通過U 型除濕三維熱管二次除濕，最后進入風機成為化學實驗室的新風補償[5]。該技術裝置可廣泛應用于華東、華南等夏季室外空氣高溫高濕地區及化學實驗室，滿足實驗室全新風工況運行需求，解決空氣再熱、高溫高濕空氣預冷/過冷飽和等問題。相較于其他技術方法，該技術基本實現過程零損耗，可有效節省實驗室電費，提高工程設計、應用效益。

4 結語

綜上所述，化學實驗室通風系統及廢氣處理工程復雜程度較高，往往將通風與廢氣處理視作有機整體，需要全面統籌和規劃。根據以上的案例工程設計分析，發現實際設計期間，需從實際環境出發，根據實驗室主要廢氣成分與日常使用需求，科學設計排風系統與廢氣治理工藝，優選高效、節能產品，強化實驗室節能降耗性能。