涂层废气处理设计方案

涂层废气处理设计方案

二〇〇五年三月

1. 概述

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，必须进行处理。***公司根据现场调查和研究分析，就涂层废气中的甲苯治理和回收工艺制定可行性方案，以供企业和环保管理部门参考，为今后工程的正式实施提供准备。

2. 设计依据

2.1 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270 kg/h，废气排放量为33000 m3/h 烘箱出口温度：70～80℃

通过计算可得甲苯浓度为：8182mg/m3，故属于高浓度高风量型。

2.2 设计规模

废气处理量：33000 m3/h；甲苯排放量为270 kg/h（最大值） 备注：本方案按最大值设计。

2.3 设计范围

从车间排气管汇合后出口开始，经装臵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、电气装臵、自动控制设备等。

2.4 处理后气体排放浓度

废气排放标准应执行GB16297-1996 《大气污染物综合排放标准》中的二级标准，具体见表1。

2.5 设计参考资料以及法规标准

《涂装作业安全规程——涂漆工艺通风净化》 GB 6515-86 国家标准局 1986 《通风除尘技术》 《工业通风》 《环保设备材料手册》 《建设项目环境保护管理条例》

中华人民共和国国务院令第253号 1998

2.6 控制系统

采用可编程逻辑控制器(PLC)系统的自动控制，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。

3. 工艺设计

3.1 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。

3.2 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。

3.3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臵中；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3-1所示：

图3-1系统工艺流程图

工艺流程说明：由于烘箱出口废气中甲苯浓度较高，因此统一收集后先通过一组过滤阻火器，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态甲苯冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至24℃以下。由于甲苯沸点约为110℃，因此可回收大部分甲苯。

经冷凝的废气由引风机导入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出的气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。

4. 工艺系统说明

4.1 概述

本工艺系统可分为如下3个系统：

废气收集系统，废气净化处理系统，排风系统。 废气收集系统主要包括局部排风罩，风量调节阀，管道。 废气净化处理系统主要包括除尘器，冷凝器，活性炭吸附装臵。 排风系统主要包括排风机，风量调节阀和烟囱。

4.2主要工艺设备功能简述

1. 除尘器

主要作用：主要是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。其次

是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。

2. 冷凝器

冷凝器_1的作用是将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，提高活性炭吸附处理效率，同时回收部分甲苯。

冷凝器_2的作用是将脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。

3. 活性炭吸附装臵

活性炭吸附装臵是净化装臵重要组成部分，设臵目的是利用吸附法截留废气中的有机物进一步净化废气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。

5. 主要设备设计

5.1 主要设计参数

主要设计参数及要求的处理效果见表5-1。

表5-1主要设计参数及要求处理效果

5.2 主要设备

1. 除尘器

（方案一）根据废气性质和气量，本项目选用XCX型旋风除尘器，规格为Ф1300mm四管。XCX型旋风除尘器除了有长锥体结构外在排气管内还设有弧形减阻器以降低除尘器的阻力系数。具体参数如下：

进口风速：24m/s； 风量：33700m3/h； 压力损失：1039Pa；

除尘效率：可除去5µm以上的粉尘，效率95％－99％。 （方案二）根据废气性质和气量，本项目选用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：

DN＝250mm； 进口风速：20 m/s； 风量：3530m3/h； 壳体材料：SUS304L； 滤芯材料：金属粉末烧结管； 过滤精度：0.5－120μm； 工作压力：0.6－1.6Mpa。

2. 阻火器

根据废气性质和气量，本项目选用ZHQ－Ｂ型管道防爆波N阻火器十台，其具体参数为：

DN＝250mm； 进口风速：20m/s； 壳体材质：碳钢；

芯件材质：不锈钢波N带。 3. 列管式冷凝器_1

根据废气性质和气量，本项目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。另外，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℃。烘干废气进口温度为80℃，经冷凝后降低到24℃以下。具体计算如下：

（1）已知条件：烘干废气风量33000m3/h，进气温度80℃，甲苯浓度为8182mg/m3，流量为270 kg/h出口温度为24℃，冷却水进水温度20℃，出口温度23℃。

（2） 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时的饱和蒸汽压，mmHg） T-C

80℃时p＝291.21mmHg；24℃时p＝27.00mmHg 因此，80℃降温至24℃的回收率为

291.21-27.00

＝90.7％

291.21

所以，至24℃时甲苯冷凝量为270×90.7%=244.90kg/h，

剩余流量为270－244.9＝25.1kg/h。 24℃时总废气体积约为33000⨯气中残留甲苯浓度为

24+273.15

=27767m3，冷凝处理后废

80+273.15

25.1

⨯106=904mg/m3 27767

（3）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=

mRT270⨯0.082⨯(80+273.15)

==85m3 MP92⨯1

又废气总体积流量为33000 m3/h，废气平均分子量约为28。 80℃时废气质量流量＝

PVM1⨯33000⨯28

==31908kg/h RT0.082⨯(80+273.15)

废气中空气的质量流量为31908－270＝31638kg/h。

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

＝270 ×1.7 ×(80 - 24) + 31638 ×1.005 ×(80 - 24) ＝1.8×106 kJ/h

Q1.8⨯106

冷却水用量W＝＝＝143t/h

c⋅∆t4.2⨯(23-20)

先按单壳程考虑：对数平均温差∆Ttm=

R=

|T1-t2|-|T2-t1|

＝19.95K

ln[(T1-t2)/(T2-1)]

T1-T2t-t156

＝ P=21＝

203t2-t1T1-t1

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

∆T⋅K＝216m2

（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0.5 m/s，则

管数 n=管长l＝

4Vuπdi

2

＝

4⨯(143000/3600)/1000

＝253根

0.5⨯π⨯0.022

216A

＝＝10.9m 253⨯π⨯0.025nπd0

因此，取管程数为2，管长为6m，总管数为253×2＝506根。壳体的公称直径DN＝800mm，公称压力为10kgf/cm2。

采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_1的主要参数是：

选用6m长的Φ25×2.5mm钢管（材质20号钢）共506根； 壳体直径800mm； 换热面积216m2； 冷却水用量为143t/h； 甲苯回收率为90.7％；

废气由80℃降至24℃，冷却水由20℃升至23℃。 3. 列管式冷凝器_2

根据废气性质和气量，本项目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 脱附时甲苯回收率＝

904-40

＝95.6％ 40

需吹脱甲苯量为25.1×95.6％＝24.0 kg/h。

一般取蒸汽量：吹脱溶剂量＝（4－10）：1，确定蒸汽量为150 kg/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-

B

（p为温度T时的饱和蒸汽压，mmHg） T-C

120℃时p＝984.7mmHg；30℃时p＝36.67mmHg 因此，80℃降温至30℃的回收率为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150 kg/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

＝24 ×1.7 ×(120 - 30) + 150 ×4.2 ×(120 - 30)＋150 ×2232 ＝0.395×106 kJ/h

Q0.395⨯106

冷却水用量W＝＝＝18.8t/h

c⋅∆t4.2⨯(25-20)

984.7-36.67

＝97.3％，即甲苯

984.7

先按单壳程考虑：对数平均温差∆Ttm=

R=

|T1-t2|-|T2-t1|

＝37.76K

ln[(T1-t2)/(T2-1)]

T1-T2t-t1

＝18 P=21＝

20t2-t1T1-t1

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. 5 m/s，则

管数n=

4Vuπdi

2

＝

4⨯(18800/3600)/1000

＝34根

0.5⨯π⨯0.022

管长l＝

9A

＝＝3.4m 34⨯π⨯0.025nπd0

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

采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_2的主要参数是：

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. 活性炭吸附装臵及附属设备

（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33000m3/h，温度24℃，废气中含有904mg/m3的甲苯，要求出口甲苯浓度为40 mg/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＝5mm，空隙率ε＝0.40。 甲苯在该活性炭上的吸附等温线方程为 a=0.334cmv0.133

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/m。

3

由废气中甲苯浓度为cmv＝0.904 g/m3可得，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量a＝0.330kg/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0.116 kg/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0.297 kg/kg。 吸附器直径为

D=

(3000/3600)

=5.4m

(π/4)⨯0.4

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 0.116⨯3092=358.67kg 吸附工作周期按2天（16h）计，则每一周期的吸附量为

33000⨯904⨯10-6⨯16=478kg

吸附带外所需的活性炭用量为 吸附器总高为

478-358.67

=0.893m3

0.297⨯450

0.893

+0.3=0.339m 2

(π/4)⨯5.4

活性炭总用量为3092/450+0.893=7.77m3 气流穿过固定床层的压降估算式为：

∆pε2dpρgD(1-ε)G2

=

150(1-ε)μ

+1.75 dpG

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ρg=1.189kg/m3，黏度为μ=1.83⨯10-5Pa⋅s， 而G=

33000

因此经计算可得压降为 ⨯1.189=0.476kg/(m2⋅s)，2

3600⨯(π/4)⨯5.4

150⨯(1-0.4)⨯1.83⨯10-50.339⨯(1-0.4)⨯0.4762

∆p=(+1.75)⨯=296Pa

5⨯10-3⨯0.4761.189⨯5⨯10-3⨯0.43

W，理论功率消耗p=Q∆p=(33000/3600)⨯296=2713风机效率以0.70

计，则实际功率消耗 pf=2713/0.70=3876W=3.876kW

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 ＝0.40； 活性炭总用量为7.77m3； 吸附器总高0.339m，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3.876kW。

（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24kg/h（即7 m3/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臵安全排气管，每两天排空一次。 （6）甲苯贮槽2

由于甲苯脱附量为24kg/h（即7 m3/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。在储罐上要设臵安全排气管。 （7）液泵

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10 m3/h，扬程8m，转速2900 r.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86 m3/h，扬程8.5m，转速2900 r.p.m，功率为2.78kW。

5.3 其他

1. 电气及自控系统

处理系统总装机容量为36.9kW，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。参数设臵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，与工控机一起放臵于便于操作的防爆隔离控制室中。整个装臵的温度、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。

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℃。根据工程经验，蒸汽与吸附的溶剂量之比约为4－10，需用蒸汽总共150kg/h。供气周期为2天。

3. 供水

根据两个列管式冷凝器计算，循环水用水量为143＋18.8＝161.8t/h，即161.8m3/h，由泵输送至冷凝器循环使用。

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。 5.4 主要设备表

主要设备见表5-3。

表5-3 主要设备表

6. 劳动定员

设备运行每班1人：四班共4人；化验计量工兼职1名；管理人员兼职1名。合计4人。

7. 投资估算

见表7-1。

8. 效益估算 8.1环境效益

根据年生产300天、日工作24小时的生产能力估算，废气经处理后，每年可减少向大气环境排放有机物1944吨，环境效益显著。

8.2经济效益

涂层企业中甲苯用量按360t/a计算，90%以上的甲苯在烘干时进入废气，本装臵的甲苯回收率在99%以上，则每年回收的甲苯总量为：360×0.9×0.99＝320.8 t/a。甲苯价格按6000元/t(2004年12月价格)计算，回收带来的经济效益：

320.8 t/a×6000元/t=192.48万元/a

8.2运行费用

运行费用主要包括水、电费、蒸汽消耗费、人工费及设备折旧费，各项费用计算如下： 1、水费

循环水按每月更换一次计算，每天补充水量8m3，则水费为 (161.8m3×12+ 8m3/d×300d)×1.50元/t=0.65万元/a； 2、电费

40kW×24h×300d×0.80元/kWh×0.75=17.28万元/a； 3、蒸汽消耗费

蒸汽消耗150kg/h×24h×300×120元/t =13.0万元/a

4、人工费

人工工资15000元/年计，共计6.00万元/年； 5、活性炭消耗费（使用寿命以半年计）

年消耗费用为9.24万元/a； 6、设备折旧费

主要设备使用寿命以10年计，年折旧费约10万元/a； 7、维修费

以设备费的3%计，约3万元/a； 以上各项费用合计为59.17万元/a。

扣除成本，每年可带来的经济效益为133.31万元/a，投资回收期0.75年。