工业涂装涂装废气处理设计实例

工业涂装涂装废气处理设计实例

知小

摘要：以某机械工业涂装工艺为例，通过比较采用冷凝－活性炭吸附的废气处理方法，并根据甲苯排放量、废气排放量等参数以及废气处理工艺流程、要求处理效果对相关设备参数进行计算和选型，对全套涂装废气处理系统进行整体设计。关键词：甲苯废气处理设计中图分类号:TQ639.2文献标识码:B

引言

环保、节能已经成为经济发张的主旋律，降低环境污染、节约资源、加大对污染物的环保处理和回收利用也已成为企业努力地方向。喷漆车间在生产过程中排放出大量的涂层烘干废气，废气中含有较高浓度的甲苯。该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围的环境，而且导致了极大的原物料消耗，同时对企业的形象也会造成一定的影响。为此，许多在新上喷漆线的同时，同时考虑涂层废气中的甲苯治理和回收工艺设备，使整套涂装工艺和设备更加节能环保。本文以某机械工业企业涂装工艺为例，对涂装废气处理工艺及设备进行参数计算和效益分析。

1设计依据

1.1涂装工艺

使用涂料为溶剂型双组份丙烯酸聚氨酯涂料，工艺流程为喷漆-流平-烘干，烘干温度为70～80℃。涂料使用量为

甲苯含量：

1.2废气中所含污染物种类、浓度及温度

污染物种类：甲苯

污染物排放量：甲苯为260kg/h，废气排放量为32000m3/h

烘箱出口温度：70～80℃

通过计算可得甲苯浓度为：8125mg/m3，故属于高浓度高风量型。1.3设计范围

从车间排气管汇合后出口开始，经装置入口至排风机出口之间，所有工艺设备、连

接管道、管件、阀门、风机、电气装置、自动控制设备等。

1.4处理后气体排放浓度

废气排放标准应执行GB16297-1996中的二级标准。1.5设计参考标准

GB6514-2008《涂装作业安全规程涂漆工艺安全及其通风净化》、GB14443-2007定》、GB201012006《涂装作业安全规程有机废气净化妆置安全技术规定》。1.6控制系统

采用PLC系统进行自动控制，以实现治理系统的操作最优化，降低运行费用，增加设备运行的可靠性。

2工艺设计

2.1设计原则

（1）严格执行国家环境保护有关法规，按规定的排放标准，使处理后的废气各项指标达到且优于标准指标。

（2）采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，并具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。

（3）工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的灵活性和调节余地，确保达标排放。

（4）在运行过程中，便于操作管理、便于维修、节省动力消耗和运行费用。2.2废气处理方法选择

目前，有机废气处理主要有以下几种方法：

（1）燃烧法包括高温燃烧和催化燃烧，前者需要附加燃料燃烧，因此，使用该法时

19

《大气污染物综合排放标准》《涂装作业安全规程涂屋烘干室安全技术规要考虑回收利用热能；催化燃烧能耗低，但在工作初期，需用电加热将废气加热到起燃温度，故对于频繁开停车的场合不合适。考虑到高温燃烧法回收的热量超过生产所需的热能，故并不合适。而直接采用催化燃烧投资太大。

（2）吸收法即采用适当的吸收剂（如柴油、煤油、水等介质）在吸收塔内进行吸收，吸收到一定浓度后进行溶剂与吸收液的分离，溶剂回收，吸收液重新使用或另行处理，采用这种方法的关键是吸收剂的选择。由于溶剂与吸收剂的分离较为困难，因此其应用受到了一定的限制。

（3）活性炭吸附法采用多孔活性炭或活性炭纤维吸附有机废气，饱和后用低压蒸汽再生，再生时排出溶剂废气经冷凝、水分离后回收溶剂，适用于不连续的处理过程，特别对低浓度有机废气中的溶剂回收有很好的效果。

（4）冷凝法主要利用冷介质对高温有机废气蒸汽进行处理，可有效回收溶剂。处理效果的好坏与冷媒的温度有关，处理效率较其他方法相对较低，适用高浓度废气的处理。

根据本项目情况，采用冷凝－活性炭吸附法较好。将这两种方法联用回收烘干废气中的甲苯，综合了冷凝法适用于高浓度废气处理和活性炭吸附法处理效果好的优势，又可以通过前期冷凝降低甲苯浓度，减少活性炭吸附负荷，延长活性炭再生周期，能够兼顾回收率和处理成本。2.3系统工艺流程

根据该厂的实际情况，要提高甲苯的回收效率，需加强以下两方面的工作：一是烘干废气的收集，尽可能将甲苯收集到溶剂回收装置中；二是对收集的废气采用适当的方法进行处理与回收。工艺流程如图1所示。

图1系统工艺流程图

由于烘箱出口废气中甲苯浓度较高，汽再生，再生出的气相返回到冷凝器进行溶因此统一收集后先通过一组过滤阻火器，去剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝用。器，将气态甲苯冷凝为液体。经冷凝，温度

3工艺系统说明冷却至24℃以下。由于甲苯沸点约为110

℃，因此可回收大部分甲苯。3.1概述

经冷凝的废气由引风机导入活性炭吸整个工艺系统包括废气收集、废气净化附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两处理和排风3个系统。废气收集系统主要包组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸括局部排风罩，风量调节阀，管道。废气净

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化处理系统主要包括除尘器，冷凝器，活性附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附炭吸附装置。排风系统主要包括排风机，风所得甲苯。量调节阀和烟囱。（3）活性炭吸附装置活性炭吸附装置3.2主要工艺设备功能简述是净化装置重要组成部分，设置目的是利用

（1）除尘器主要是为了除去有机废气吸附法截留废气中的有机物进一步净化废中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效部分甲苯。果。其次是为了防止生产设备出现着火事故

4主要设备设计时影响净化设备。

（2）冷凝器冷凝器1的作用是将有机4.1主要设计参数废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废主要设计参数及要求的处理效果见表气中甲苯含量，提高活性炭吸附处理效率，1。同时回收部分甲苯。冷凝器2的作用是将脱

表1主要设计参数及要求处理效果生产工艺列管式冷凝器活性炭吸附器

32000风量（m3/h）

甲苯入口浓度(mg/m3)

8125898

处理后浓度(mg/m3)

89839.5

回收（kg/h）

235.8223.12

设计回收效率要求(%)

90.795.6

4.2除尘器

根据废气性质和气量，选用SJ型高精密度金属微孔过滤器十一台（十台使用，一台清洗备用）。此空气过滤器采用由金属及合金粉末烧结制成的微空金属材质，具有耐高温、耐腐蚀、孔径分布均匀、透气性好、机械强度高、可清洗再生、可焊接及机械加工等优良特性。SJ型高精密度金属微孔过滤器的具体参数如下：

进口风速：20m/s；风量：3530m3/h；

过滤精度：0.5－120μm；工作压力：0.6－1.6Mpa。

4.3列管式冷凝器1

根据废气性质和气量，选用固定板式换热器对废气进行冷凝以回收部分甲苯。为了便于排出冷凝液，且考虑到经除尘后废气相对清洁，流动路径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。具体计算如下：

（1）甲苯回收率计算

甲苯的Antoine常数为A=16.0137,

B=3096.52,C=53.67。由Antoine方程

lnp=A−

B（p为温度T时的饱和

T−C蒸汽压，mmHg）

T1=80℃时，p1＝291.21mmHg，由于回收率为90.7%，因此，废气冷凝后的压力

p2=291.21×（1-90.7%）=27mmHgp2＝27.08mmHg时，T2=24℃，即回收效率要达到90.7%，80℃废气需冷却到24℃。废气温度降至24℃时甲苯冷凝量为：

260×90.7%=235.82kg/h，剩余流量为：260－235.82＝24.18kg/h。24℃时总废气体积约为

32000×

24+273.15

=26925m3，冷凝处

80+273.15

理后废气中残留甲苯浓度为

24.18

×106=898mg/m3

26925

（2）计算换热器的面积A

80℃时甲苯质量流量为270kg/h，则每小时排出的甲苯体积V为：

V=

mRT260×0.082×(80+273.15)

==82m3

MP92×1

分子量约为28。

又废气总体积流量为33000m3/h，废气平均

80℃时废气质量流量＝

PVM1×32000×28

==30941kg/hRT0.082×(80+273.15)

20

废气中空气的质量流量为30941－260＝30681kg/h。

为了达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为常温20℃，出口温度为23℃。废气从80℃(T1)降至24℃(T2)，冷水从20℃(t1)升高至23℃(t2)，热负荷

Q1＝甲苯降温传热量＋空气降

温传热量

＝260×103×1.7×(80-24)+

30681×1.005×(80-24)

＝2.3×106kJ/h

冷却水用量W＝

Qc⋅∆t＝

2.3×106

4.2×(23−20)

＝182t/h

先按单壳程考虑：对数平均温差

∆Ttm=

|T1−t2|−|T2−t1|

ln[(T)/(T＝19.95K

1−t22−t1)]

R=

T1−T256

t−t＝

21

3P=

t2−t11

Tt＝

1−120

根据R、P的值查温度校正系数图可得，温差修正系数Ft＝0.89>0.8，可见用单壳程合适，因此有效温差∆T=Ft⋅∆Ttm＝17.8K

假定换热器总传热系数为

K=130W/(m2⋅K)，则所需传热面积为:

A=

Q＝216m2

∆T⋅K（3）主要工艺及结构基本参数的计算选用Φ25×2.5mm钢管，材质20号钢。取管内冷却水的流速为0.5m/s，则

管

数

n=

4Vuπd2

＝

i4×(182000/3600)/1000

0.5×π×0.02

2

＝322根管

长

l

＝

Anπd＝

0

216

322×π×0.025

＝8.54m

因此，取管程数为2，管长为4.5m，总管数为322×2＝644根。壳体的公称直径DN＝800mm，公称压力为10kgf/cm2。

通过以上计算，列管式冷凝器1的主要参数如下：

选用4.5m长的Φ25×2.5mm钢管（材质20号钢）共644根；

壳体直径800mm；换热面积216m2；冷却水用量为182t/h；

废气由80℃降至24℃，冷却水

由20℃升至23℃。4.5列管式冷凝器2

根据废气性质和气量，选用固定板式换热器对甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为20℃，出口温度为25℃，蒸汽进口温度为120℃，经冷凝后降至30℃以下。具体计算如下：

（1）确定所需蒸汽量

本次脱附时甲苯回收率设计要求为95.6％，需吹脱甲苯量为：

（260-235.82）×95.6％＝23.12kg/h。一般取蒸汽量：吹脱溶剂量＝（4－10）：1，确定蒸汽量为150kg/h。

（2）冷凝甲苯回收率计算

甲苯的Antoine常数为A=16.0137,B=3096.52,C=53.67。由Antoine方程

lnp=A−

BT−C（p为温度T时的饱和

蒸汽压，mmHg）

120℃时p＝984.7mmHg；30℃时p＝36.67mmHg

因此，80℃降温至30℃的回收率为

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984.7−36.67

984.7

＝97.3％，即甲苯基本上全

部冷凝下来。

（3）计算换热器的面积A

120℃时甲苯质量流量为24kg/h，水蒸气质量流量为150kg/h。

蒸汽从120℃降低至30℃，冷却水从20℃升高至25℃。

热负荷Q1＝甲苯降温传热量＋蒸汽传热量＋蒸汽冷凝潜热

＝23.12×1.7×(120-30)+150

×4.2×(120-30)＋150×2232

＝0.395×106kJ/h冷却水用量

W＝Q0.395×c⋅∆t＝106

4.2×(25−20)＝18.8t/h

先按单壳程考虑：对数平均温差

∆T−t2|−|T2−t1|

tm=

|T1ln[(T−t＝37.76K

12)/(T2−t1)]

R=T1−T2P=t2−t1t＝18

2−t1T＝

11−t120

根据R、P的值查温度校正系数图可得，温差修正系数Ft＝0.93>0.8，可见用单壳程合适，因此有效温差∆T=Ft⋅∆Ttm＝35K

假定换热器总传热系数为

K=350W/(m2⋅K)，则所需传热面积为:

A=

Q∆T⋅K＝9m2

（4）主要工艺及结构基本参数的计算选用Φ25×2.5mm钢管，材质20号钢。取管内冷却水的流速为0.5m/s，则

管数n=

4Vuπd2

i＝

4×(18800/3600)/1000

0.5×π×0.022

＝34根

管长l＝

Anπd0

＝

9

34×π×0.025

＝3.4m

因此，换热器管程数为2，管长为2m，总管数为34×2＝68根。壳体的公称直径DN＝400mm，公称压力为16kgf/cm2。

通过以上计算，列管式冷凝器2的主要参数如下：

选用2m长的Φ25×2.5mm钢管（材质20号钢）共68根；

换热面积9m2；壳体直径400mm；冷却水用量为18.8t/h；

蒸汽由120℃降至30℃，冷却水由20℃升至25℃。4.6活性炭吸附装置及附属设备

（1）根据废气性质和气量，本项目采用低压蒸汽再生的固定床活性炭吸附系统进一步回收废气中的甲苯。

废气气量为32000m3/h，温度24℃，废气中含有898mg/m3的甲苯，要求出口甲苯浓度为39.5mg/m3，即净化率达到95.6％。

（2）活性炭对甲苯的饱和吸附量计算选用某种活性炭的参数如下：

堆积密度＝450kg/m3，dp＝5

mm，空隙率ε＝0.40。

甲苯在该活性炭上的吸附等温线方程为

a=0.334c0.133

mv式中：a－气相浓度为cmv时的平衡吸附量，kg/kgAC；

cmv－气相中甲苯的浓度，g/m3。

由废气中甲苯浓度为cmv＝0.898g/m3

可得，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量a＝0.329kg/kgAC。

（3）固定床吸附器主要参数计算选定吸附器中的气速为0.4m/s，此时吸附带长度为0.3m，吸附带中活性炭的动态

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吸附容量按静态饱和吸附容量的35％计，则吸附带中活性炭所吸附的甲苯为0.115kg/kg。

吸附带外已经动态饱和的活性炭吸附容量按静态饱和吸附容量的90％计，则吸附饱和后活性炭所吸附的甲苯为0.297kg/kg。

吸附器直径为：

D=

(32000/3600)

(π/4)×0.4

=5.32m，

取5.4m，则吸附带内的活性炭量为：

(π/4)×5.42×0.3×450=3092kg吸附带内的活性炭可吸附的甲苯量为：

0.115×3092=355.58kg

吸附工作周期按2天（16h）计，则每一周期的吸附量为：

32000×898×10-6×16=459.8kg吸附带外所需的活性炭用量为：

459.8−355.58

.297×450

=0.780m3

0吸附器总高为

0.780

(π/4)×5.4

2

+0.3=0.334m活性炭总用量为

3092/450+0.780=7.65m3

气流穿过固定床层的压降估算式为：

∆pε2dpρg150(1−ε)µD(1−ε)G2

=

d+1.75

pG式中：∆p－压降，Pa；

ε－空隙率，m3空隙/m3吸附

床；

dp－吸附剂颗粒直径，m；ρg－气体密度，kg/m3；

G－气体表现质量通量，

kg/(m2⋅s)；

D－床深，m；

µ－气体黏度，Pa⋅s。

30℃下气体密度为ρ3

g=1.189kg/m，黏度为µ=1.83×10

−5

Pa⋅s，而

G=

32000

3600×(π/4)×5.4

2

×1.189=0.462kg/(m2⋅s)，因此经计算可得压降为

p=(150×(1−0.4)×1.83×10−50.334×(1−0.4)×05×10−3×0.462+1.75)×.4762

∆1.189×5×10−3×0.43

=294Pa理论功率消耗

p=Q∆p=(32000/3600)×294=2613W，风机效率以0.70计，则实际功率消耗

pf=2613/0.7=3732W=3.732kW综上，选用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为：

活性炭堆积密度450kg/m3，dp＝5mm，空隙率ε＝0.40；

活性炭总用量为7.65m3；

吸附器总高0.334m，直径5.4m；吸附工作周期为2天（16小时）；净化效率>95.6％；

实际消耗功率3.732kW。（4）引风机

活性炭吸附器组进口总管处配B4－72型防爆离心通风机一台，风量Q=33000m3/h，风压671Pa，电机功率35kw。

（5）溶剂水分离器

水蒸气用量为150kg/h（即150m3/h），甲苯为23.12kg/h，两天脱附一次，每次脱附两个小时，因此确定溶剂水分离器的容积为350m3。在此溶剂水分离器上设置安全排气管，每两天排空一次。

（6）甲苯贮槽2

由于甲苯脱附量为24kg/h（即7m3/h），且两天脱附一次，每次脱附两个小时，故两天有14m3的甲苯产生。因此，可采用直径为3m，高为2m的储罐贮藏。在储罐上要设置安全排气管。

（7）液泵

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选用一台50SGB10-8型防爆管道泵将甲苯从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为口径为50mm，额定流量10m3/h，扬程8m，转速2900r.p.m，功率为7.5kW。

选用两台4B15A型离心水泵将冷凝水从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为额定流量86m3/h，扬程8.5m，转速2900r.p.m，功率为2.78kW。4.7其他

4.7.1电气及自控系统

处理系统由集中安装的电控柜进行控制。为了提高回收率，降低能耗，设备的运行采用自动化控制。参数设置和监控由上位工控机完成，设备运行由PLC控制。PLC安装在电控柜中，与工控机一起放置于便于操作的防爆隔离控制室中。整个装置的温度、压力及管道静电等参数均由传感器采集，传输至集中控制室进行自动化控制。4.7.2供汽

为降低设备投资，节约成本，吸附饱和的活性炭再生时使用低压蒸汽，直接由厂内锅炉供给。锅炉出口压力为0.2Mpa，蒸汽温度约120℃。4.7.3供水

冷凝器1的循环水泵使用2台4B15A型离心清水泵，设计参数为Q=72m3/h，H=11m，转速＝2900r.p.m，功率为2.87kW。

冷凝器2的循环水泵使用1台2B19B型离心清水泵，设计参数为Q=20m3/h，H=10.3m，转速＝2900r.p.m，功率为2.41kW。由于挥发造成损耗，循环水需定期补充，补充量约8m3/d。

参考文献

1童志权主编工业废气净化与利用北京：化学工业出版社，2001.5

2刘天齐主编三废处理工程技术手册废气卷北京：化学工业出版社，1999.5

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