烧结炉氟化物尾气净化的工程设计

康宇洁张继英

1.航天材料及工艺研究所 2.北京市劳动保护科学研究所

烧结炉氟化物尾气净化的工程设计

康宇洁1张继英2

1.航天材料及工艺研究所 2.北京市劳动保护科学研究所

治理尘毒作业的工程技术，是改善职业卫生条件和保护环境的综合工程。文章通过介绍作者工作中对烧结炉氟化物尾气净化工程设计的实例，为从事职业安全卫生工作者提供理论联系实际的参考案例。

尾气净化；环境工程设计；垂直筛板塔；VST净化塔

1 概述

1.1 氟化物废气的来源及危害

氟化物废气是指工业排放的含氟的气体化合物废气，本文阐述的氟化物是生产聚四氟乙烯时烧结过程中从烧结炉中产生的无机氟化物。原料在烧结炉中烧结，烧结温度在300℃～380℃之间，烧结过程中主要产生物是氟化硅。

氟化物排放到大气中，还会对环境造成破坏。因此，氟化物废气也是被限制排放的有害气体，北京市地方标准（DB 11/501-2007）《大气污染物综合排放标准》中对氟化物的排放限制，见表1。

表1 北京市地方标准（DB 11/501-2007）中氟化物排放标准

1.2 设计任务

氟塑料生产车间烧结炉布置，如图1。操作间有4台烧结炉，烧结炉结构类似烘箱，其后背（靠墙）有一个直径120mm圆形排气孔。烧结过程中氟化物尾气从该圆孔排出。烧结炉前面是进出料大门，产品出炉时开启大门，这时残存氟化物废气从大门排出。

设计任务是将烧结炉排出的尾气进行控制并排出操作间，排出的氟化物尾气必须进行净化并达到表1的排放标准。

由于车间外场地限制，在操作间东侧隔出一设备间，设备间内放置净化设备和风机。设备间长5.7m，宽3.4m，净高4.5m。该设备间比较狭窄，对选择净化系统增加了难度。

图1 烧结炉布置图

2 氟化物净化系统的工程设计

2.1 设计方案

首先控制操作间内烧结炉排出的有害气体，即在每台烧结炉后背的Φ120的排气孔处安装排气罩，将烧结尾气直接吸入排风系统。再在烧结炉上部安装伞形排风罩，控制开启烧结炉门时的少量废气。排气罩和伞形罩收集的废气送入净化设备净化，净化后的废气在风机作用下排出室外。其次，为使排风通畅，设计了送新风系统，新风取自室外自然空气，新风经过初效过滤器净化后送入操作间内，送风量略小于排风量，使操作间内处于负压状态。既能防止操作间内有害气体的外溢，又能保障排风通畅。新风从上部送入，使操作人员呼吸带处于新风区域。

设计方案的工艺流程，如图2。

图2 氟化物净化工艺流程图

2.2 送排风系统风量计算

2.2.1 排风系统风量计算

操作间内安装有4台烧结炉，其中3台小烧结炉尺寸相同，1台大烧结炉。其后背排气口均为Φ120圆孔。每个排气孔各安装一个耐高温软管与主排风管相接。每个排气孔的排风风速为12m/s。经计算4个排气孔的排风量为1953（m3/h） 。

另外，在每台烧结炉门的上方，各设计伞型排风罩1个，其中3台小烧结炉排风罩开口尺寸是长1.5m，宽0.4m。1台大烧结炉伞型排风罩开口尺寸是长2m，宽0.4m。伞型排风罩的排放量按下式确定：

式中：

Ls—伞型罩排风量，m3/h；

a—伞型罩开口宽度，m；

b—伞型罩开口长度，m；

vs—伞型罩吸入速度，m/s。根据有害物性质及伞型罩形式，选0.88m/s（选自供暖通风设计手册）。

各伞型罩排风量计算结果，见表2。

表2 各伞型罩排风量计算结果

计算结果圆整后通风净化系统的总排风量是：9250 （m3/h）。

2.2.2 送风系统风量计算

为防止有毒有害气体对相连区域的污染，操作间按微负压设计。因此送风量应小于排风量，上面已计算出排风量为9250m3/h，送风量取排风量的80%，则系统送风量为：7400m3/h。

2.3 净化设备选型

2.3.1 常用净化工艺和设备

常用的氟化物净化设备分为干法净化设备和湿法净化设备。

湿法是采用碱性吸收液（或某些盐类吸收液）吸收废气中的氟化物，该方法具有净化设备体积小、运行稳定可靠等优点，但该方法需对饱和的吸收液进行处理，防止废水的二次污染。湿法净化设备种类较多，最常用的是塔器类净化设备，主要包括喷淋塔、填料塔和板式塔。

干法净化是用固态氧化铝与氟化物进行化学吸附，生成氟化铝。干法净化多用于电解铝排烟净化，也可用于其他行业产生的含氟烟气的净化。干法净化设备一般要用两级，第一级设备内使粉状或粒状氧化铝吸附剂与含氟废气充分接触并发生化学反应，再通过布袋除尘器将载氟氧化铝和烟尘中的尘氟收集。

2.3.2 选用的净化设备

本设计中净化设备安装在已给定的设备间，房间尺寸固定，地方狭窄，高度有限。对于安装两级设备的干法净化是不可能的选择。因此决定选用湿法净化设备。受场地限制我们希望选用一种高度较低，体积较小的净化设备。据此，我们选用了北京市劳动保护科学研究所研制的用于净化废气的垂直筛板塔，简称VST净化塔。

根据前面计算结果，系统风量为9250m3/h，计算出常用湿法净化设备的塔径，列于表3，可看出选用的VST净化塔塔径最小，确认了选用该塔的优势。

表3 相同处理气量下常用净化塔的直径

VST净化塔的传质是气液在并流喷射状态下完成的，气体为连续相，液体为分散相。其液体从帽罩侧孔喷出，被分散成大量的小液滴，为气液传质提供了很大的表面积。同时，由于液滴的剧烈碰撞，不断更新，维持很高的传质推动力。

VST净化塔主要特点：传质效率高；处理能力大；操作弹性大，板压降低；抗堵塞能力强，使用寿命长、检修容易。VST净化塔结构，如图3。

2.4 系统阻力计算

系统阻力计算的目的是确保各排送风点的风量满足设计要求并根据系统风量和阻力选择风机。本设计由送风系统和排风净化系统组成，所以分别计算送风系统和排风净化系统的阻力。

图3 VST净化塔塔板结构示意图

2.4.1 系统图和工程材料

送风系统简单就一根管道，系统图略。排风净化系统图，如图4。操作间内管道（VST净化塔进口之前管道）采用镀锌钢板制作，有利于降低成本。这是由于烧结炉温度较高，氟化物在露点之上，因此不会对金属有腐蚀作用。系统运行了近2年，管道完好，也证实了这点。净化塔之后包括净化塔采用聚丙烯硬质塑料制作，有美观和耐腐蚀的效果，排风风机选用耐腐蚀风机。送风系统内输送自然风，所以风机和设备选用普通材质，送风管道也选用镀锌钢板制作。

2.4.2 系统阻力计算

图4 排风净化系统图

送风系统阻力计算：送风系统比较简单，就一根风管，下设4个铝合金送风口，为调节各送风口风量均匀，每个送风口安装了多叶调节阀。管道阻力从最远端的送风口开始算起，送风系统总阻力包括以下部分组成：送风口阻力、管道阻力、消声器阻力、静压箱阻力、过滤器阻力和进风口阻力。

图4是排风净化系统的系统图，其4个排风罩分两路并联，每路安装2个排风罩（另有2根软管连接烧结炉），这样的管道布置有利于管道系统阻力平衡。每个排风罩安装了调节阀1个，便于调试系统时微调风量。系统运行后，两支路阻力是相等的，因此排风净化系统总阻力就是其中任一支路从末端排风罩开始到排气筒顶端的风帽为止的各部件和管道阻力的总和。所以，排风净化系统的总阻力包括：末端排风罩阻力，排风罩调节阀阻力、VST净化塔阻力、进排风消声器阻力、风帽阻力和风管阻力。另外次末端排风罩与末端排风罩也要达到阻力平衡，这在设计管道时，确定合适的三通角度，以使两排风罩管道达到阻力平衡，实际运行时，即使有误差也可在系统运行调试时调节排风罩调节阀，同时测试各排风罩排风量，使各排风罩排风量符合设计要求即可。

风管阻力是由管道摩擦阻力（也称沿程阻力）和局部阻力组成的。

风管的摩擦阻力：圆形风管单位长度的摩擦阻力（比摩阻）为：

式中：

λ—摩擦阻力系数；

ν—风管内空气的平均流速，m/s；

ρ—空气的密度，kg/m3；

D—圆形风管直径，m。

风管内的粗糙度对摩擦阻力影响很大，计算摩擦阻力很繁琐，工程应用中通常从有关暖通手册中的风阻线图查得。现在也有许多计算软件可很方便的计算。

风管的局部阻力：上边提到的风管阻力是指直管的摩擦阻力，当风管断面变化或方向变化时，风管还会产生局部阻力。如各种变径管、阀门、弯头、三通等都会产生局部阻力。局部阻力按下式计算：

ξ—局部阻力系数；

ν—风管内空气的平均流速，m/s；

ρ—空气的密度，kg/m3。

局部阻力在通风系统中占有较大的比例，设计中尽量减少不必要的管件，弯头的弯曲半径尽量大，三通角度尽量小。

设备和部件阻力：风口、消声器、过滤器和设备阻力可由生产厂家说明书查得，如没有数据可根据风速和结构参照风管局部阻力计算方法估算。

2.5 风机选型

经过计算，得出各系统阻力数据，见表4。

表4 系统阻力计算结果

选择风机的参数如下：

排风净化系统选择风机参数：排风机风量为：9250×1.1（安全系数），圆整后取10000m3/h；排风机风压：＞2560Pa。

送风系统风机选型参数：送风机风量为：10000×0.8=8000m3/h；送风机风压：＞450Pa。

据此确定的各系统风机型号，见表5。

表5 风机选型

从表5看出，所选风机型号完全满足系统设计要求。

2.6 安装图纸

由于净化系统是改造项目，车间内电缆槽、设备、各种管道已经安装。为避免干涉，最后认真测绘现场尺寸，并在布置净化系统时考虑这些因素并设计出具体尺寸准确的安装图，实际操作时一次安装成功。

下面是绘制的氟化物净化系统安装平面图，如图5。

图5 氟化物净化系统总平面图

3 工程效果

工程实施后，操作人员呼吸带是处在新风区域内，确保了操作人员免受污染，达到了满意的效果。风机安装在机房内，并做了减震、隔声和消声控制，操作间内实测噪声低于70dB（A）。

系统净化也达到了设计要求，经检测排放指标合格，检测数据，见表6。

表6 检测结果

净化系统氟化物排放指标都低于标准限值。

4 结论

（1）在给定条件下本系统设计工艺合理、风量和风速选择正确、废气控制有效、氟化物排放达标、风机噪声控制符合车间内卫生标准。

（2）选用VST净化塔，设备体积明显减小，节省占地面积，在给定的狭小空间合理布置了风机和净化设备。系统初投资费用低、运行成本低、操作简单、使用方便和废气处理效果好。

（3）烧结炉氟化物尾气净化系统的工程设计，是安全环保基层管理者在管理实践中逐步完善的项目，改善了作业条件，控制了氟化物废气。也为基层安全环保管理人员提供了相似条件下废气净化的应用案例。

［1］ 陆耀庆.供暖通风设计手册［M］.北京：中国建筑出版社出版，1987

［2］ 李超平.氟化物污染来源、治理技术及其源强［J］.钢铁技术，2007，（3）：51-54

［3］ 中华人民共和国卫生部.GBZ 1-2010 工业企业设计卫生标准［S］.北京：人民卫生出版社，2010

［4］ 北京市质量技术监督局.DB 11/501-2007 大气污染物综合排放标准［S］.2008

［5］ 中华人民共和国建设部.GB 50243-2002 通风与空调工程施工质量验收规范［S］.北京：中国计划出版社，2004

［6］ 北京市质量技术监督局.DB 11/501-2007 大气污染物综合排放标准［S］.2008