第2章　大氣污染控制工程設(shè)計(jì)

2.1　工程設(shè)計(jì)

2.1.1　大氣污染控制系統(tǒng)

大氣污染控制（air pollution control）是為保護(hù)和改善大氣環(huán)境，采取污染物排放控制技術(shù)和控制污染物排放政策，減少、清除生產(chǎn)和生活活動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的大氣污染物，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。大氣污染控制工程（air pollution control engineering）就是利用一些特殊裝置，通過(guò)工程分析、設(shè)計(jì)、建造、安裝和運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期的污染物去除、污染物排放量減少的效果。

大氣污染控制工程涉及鍋爐煙氣、爐窯煙氣、工業(yè)廢氣、機(jī)動(dòng)車尾氣、居室及公共場(chǎng)所空氣污染、無(wú)組織排放源控制等領(lǐng)域。大氣污染控制系統(tǒng)的基本組成如圖2-1所示，主要由以下幾部分組成。

①集氣單元。用于捕集污染氣流，其性能對(duì)凈化系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有直接影響。由于污染源設(shè)備結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及通風(fēng)方式等不同，集氣單元的形式是多種多樣的。

②風(fēng)管。用于輸送氣流，并將系統(tǒng)的設(shè)備和部件連成一個(gè)整體。

③凈化設(shè)備。為了防止大氣污染，當(dāng)排氣中污染物含量超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須采用凈化設(shè)備進(jìn)行處理，達(dá)到排放要求后，才能排入大氣。

④風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)中氣體流動(dòng)的動(dòng)力設(shè)備。為了防止通風(fēng)機(jī)的磨損和腐蝕，通常把風(fēng)機(jī)放置在凈化設(shè)備后面。

⑤排氣筒。凈化系統(tǒng)的排氣裝置。由于凈化后廢氣中仍含有一定量的污染物，這些污染物在大氣中擴(kuò)散、稀釋、懸浮或沉降到地面。為了保證污染物落到地面時(shí)濃度不超過(guò)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，排氣筒必須設(shè)置一定高度。

2.1.2　工程設(shè)計(jì)程序

2.1.2.1　工程設(shè)計(jì)概念

工程設(shè)計(jì)（engineering design）是人們運(yùn)用科技知識(shí)和方法，根據(jù)工程項(xiàng)目和法律法規(guī)要求，對(duì)工程項(xiàng)目的建設(shè)提供有技術(shù)依據(jù)的設(shè)計(jì)文件和圖紙的活動(dòng)過(guò)程，包括建設(shè)工程所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件綜合分析、論證。工程設(shè)計(jì)不僅是建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施極為重要的環(huán)節(jié)，也是工業(yè)創(chuàng)新的核心內(nèi)容，代表著現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)力的龍頭。因此，工程設(shè)計(jì)的水平和能力是一個(gè)國(guó)家工業(yè)創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的決定性因素之一。

具體地，工程設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面。

①理解工程建設(shè)單位（用戶）的期望、需要、動(dòng)機(jī)，并掌握業(yè)務(wù)、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制。

②分析、論證工程建設(shè)所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件，處理好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。這是設(shè)計(jì)的意義和基本要求所在。

③提供相關(guān)的圖紙、工藝設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制等系列文件。

與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容還有工程勘察和工程咨詢，可以通過(guò)參閱相關(guān)資料進(jìn)行了解。

2.1.2.2　工程設(shè)計(jì)程序

大氣污染控制工程是生產(chǎn)性建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分，其設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是工藝設(shè)計(jì)（process design），這是由生產(chǎn)性建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)、生產(chǎn)性質(zhì)和功能來(lái)確定的。工藝設(shè)計(jì)有工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和工藝裝備設(shè)計(jì)兩部分，具體內(nèi)容包括：①了解車間產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)工藝過(guò)程，了解使用原輔材料、燃料、水、電等，掌握廢氣污染物組成、濃度、廢氣量及排放特性；②擬定廢氣處理工藝，說(shuō)明工藝流程、主要設(shè)備和輔助設(shè)備的規(guī)格及數(shù)量，確定工程占地面積、設(shè)備平面布置和剖面高度，明確蒸汽、空氣、電力等需要量和供應(yīng)方法，擬定安全技術(shù)與勞動(dòng)保護(hù)措施；③計(jì)算廢氣處理過(guò)程對(duì)藥劑等材料的需求量，以及給排水量，確定必要的工時(shí)與勞動(dòng)力消耗量，計(jì)算固定投資、運(yùn)行成本和投資效益；④確定污染處理項(xiàng)目的管理體系，明確任務(wù)和其他環(huán)節(jié)之間的協(xié)作聯(lián)系，擬定工作制度等。

下面，我們通過(guò)“工藝設(shè)計(jì)”闡述大氣污染控制工程項(xiàng)目如何從設(shè)想、計(jì)劃階段到具體實(shí)施階段。設(shè)計(jì)程序中的主要環(huán)節(jié)是擬解決的問(wèn)題分析、甄別，以及工藝和設(shè)備的比選。每個(gè)環(huán)節(jié)，工程師必須評(píng)估可供選擇的各種方案，并選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的最終方案，同時(shí)分析所選方案可能涉及的所有相關(guān)問(wèn)題，如二次污染控制、資源回收利用等。

以一個(gè)粉塵處理工藝選擇為例，說(shuō)明工藝設(shè)計(jì)的具體步驟。某公司生產(chǎn)木質(zhì)層壓板產(chǎn)品，碎木原料干燥過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的肉眼可見(jiàn)的細(xì)粉塵，從干燥工序排出的廢氣粉塵濃度超過(guò)了允許的排放值。在這種情況下，企業(yè)需要從感官和監(jiān)管角度對(duì)排放的粉塵進(jìn)行治理。處理工藝設(shè)計(jì)程序如圖2-2所示。

第一步，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量排放的氣流量，對(duì)排放氣體采樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析粉塵濃度及其粒徑大小分布。核算企業(yè)所用材料的物料平衡，掌握處理工藝設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)信息，包括氣體流量、粉塵濃度、氣體溫度和壓力等。結(jié)合排放控制標(biāo)準(zhǔn)，明確處理工藝需要的處理效率。

第二步，選擇處理工藝。粉塵處理工藝有旋風(fēng)除塵、靜電除塵、過(guò)濾除塵和濕式洗滌除塵等，工程師需要對(duì)每種處理工藝的去除效率、產(chǎn)生的次生問(wèn)題等進(jìn)行評(píng)估。來(lái)自干燥的木質(zhì)類粉塵具有易燃性，因此，電除塵器基于安全考慮被排除，濕式洗滌除塵因涉及污泥處置（含水的木質(zhì)粉塵）不被接受，旋風(fēng)除塵只能起到預(yù)處理的效果，過(guò)濾除塵對(duì)細(xì)粉塵攔截效率高，但木質(zhì)粉塵有一定黏性。

綜合考慮，選擇旋風(fēng)除塵作為預(yù)處理、過(guò)濾除塵作為深度處理。進(jìn)一步地，考慮旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)、去除負(fù)荷，過(guò)濾除塵器的濾袋材料、去除負(fù)荷、操作壓降、清灰方式等。另外，還需考慮旋風(fēng)除塵和過(guò)濾除塵后的細(xì)粉塵收集、回收利用等處置措施。

第三步，具體參數(shù)設(shè)計(jì)。主要包括旋風(fēng)除塵器進(jìn)口、筒體、錐體、出口等結(jié)構(gòu)單元具體尺寸計(jì)算，過(guò)濾除塵器的濾袋面積、數(shù)量、清灰時(shí)間，輸送系統(tǒng)（管道）布局、支干管尺寸、壓降計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)量、壓降、風(fēng)機(jī)功率、擺放位置等，以及資源回收利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)還需要繪制工藝流程圖、平面布置圖、控制系統(tǒng)圖、設(shè)備基礎(chǔ)圖等。

第四步，工程實(shí)施。包括工程建設(shè)和工程開(kāi)機(jī)調(diào)試運(yùn)行兩個(gè)環(huán)節(jié)。

第五步，技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估和工程驗(yàn)收。工程調(diào)試完成后進(jìn)入正常運(yùn)行，需要對(duì)設(shè)計(jì)的工程系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面評(píng)估，優(yōu)化局部參數(shù)，為下一個(gè)工程設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估包括去除效果、單位能耗、運(yùn)行成本、資源回收利用情況等。工程驗(yàn)收是項(xiàng)目委托方（或用戶）依據(jù)前期簽訂的合同條款，檢驗(yàn)工程項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程落實(shí)到位情況，并作出完整評(píng)價(jià)。

污染控制工程與其他構(gòu)筑物建設(shè)、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一樣，也需要貫徹綠色、可持續(xù)的設(shè)計(jì)理念。因此，工程師要盡可能使用更少的能源和資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)設(shè)計(jì)。

2.1.3　工程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

2.1.3.1　大氣污染控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

如2.1.1所述，大氣污染控制系統(tǒng)包括污染物的捕集裝置（集氣罩）、凈化設(shè)備、管道系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)及排氣筒五個(gè)部分。因此，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括集氣方式及罩結(jié)構(gòu)形式、安裝位置以及性能參數(shù)確定；凈化效率要求、凈化方法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較、型號(hào)規(guī)格及運(yùn)行參數(shù)等；管道布置、管道內(nèi)氣體流速確定、管徑選擇、壓力損失計(jì)算；通風(fēng)機(jī)選型，排氣筒高度、出口直徑、排氣速度等。

當(dāng)然，為滿足污染控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要，還應(yīng)根據(jù)具體處理對(duì)象，如污染物特性、企業(yè)裝備水平等，增設(shè)一些設(shè)備和部件，如高溫?zé)煔獾睦鋮s裝置、余熱利用裝置、滿足鋼材熱脹冷縮變化的管道補(bǔ)償器、輸送易燃易爆氣體時(shí)所設(shè)的防爆裝置，以及用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量和壓力平衡的各種閥門、測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)各種參數(shù)的測(cè)量?jī)x表和控制儀表、降低風(fēng)機(jī)噪聲的消聲裝置、滿足管理要求的自控系統(tǒng)等。因此，整個(gè)控制系統(tǒng)可能需要完成上述系統(tǒng)增加設(shè)備及部件的設(shè)計(jì)。

2.1.3.2　工藝流程圖

工藝流程圖提供了處理工藝的圖形描述，可以是簡(jiǎn)單的框圖，也可以是含顯示儀表和工藝操作條件的詳圖，其詳細(xì)程度主要由工程設(shè)計(jì)時(shí)間階段和流程圖的使用功能所決定。

工藝流程圖在工程設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是非常有用的。初期，可以使用簡(jiǎn)單的定性流程圖來(lái)表示各工藝單元的連接，包括處理流程的各個(gè)單元連接和處理系統(tǒng)與生產(chǎn)車間設(shè)備單元的連接。如使用固定炭吸附床從干燥單元排氣中回收甲苯和乙酸乙酯的混合溶劑項(xiàng)目，初期的流程圖如圖2-3所示，定性描述了該吸附回收工藝的基本組成。

隨著設(shè)計(jì)工作的深入，流程圖被逐漸完善、細(xì)化。例如，吸附床經(jīng)蒸汽再生后用熱空氣進(jìn)行干燥。由于乙酸乙酯微溶于水，如果回收的溶劑混合物僅作為燃料燃燒，則不需要進(jìn)一步分離；否則，需要采用蒸餾步驟，將潷水器的含水混合溶劑進(jìn)行蒸餾分離，脫水后的溶劑返回到生產(chǎn)工序使用，詳細(xì)流程圖如圖2-4所示。詳細(xì)的流程圖有利于列出設(shè)備清單，可以初步估算成本。此外，詳細(xì)流程圖還包括了流體流向和控制儀表等信息。