喷漆废气处理专业方案.doc

喷漆废气处理设计方案

1. 概述
喷漆车间在生产过程中排放出大量涂层烘干废气，废气中含有较高浓度甲苯。该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围环境，而且造成了极大原物料消耗，同时对企业形象也会造成一定影响，为此，必需进行处理。杭州一达环境保护技术咨询依据现场调查和研究分析，就涂层废气中甲苯治理和回收工艺制订可行性方案，以供企业和环境保护管理部门参考，为以后工程正式实施提供准备。
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℃
经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，经装置入口至排风机出口之间，全部工艺设备、连接管道、管件、阀门、风机、电气装置、自动控制设备等。
2.4 处理后气体排放浓度
废气排放标准应实施GB16297-1996 《大气污染物综合排放标准》中二级标准，具体见表1。
表1 GB16297-1996中甲苯二级排放标准
序号
污染物
最高许可排放浓度，mg/m3
最高许可排放速率，kg/h
排气筒高度，m
二级标准
1
甲苯
40
15
3.1
20
5.2
30
18

2.5 设计参考资料和法规标准
《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》
《环境保护设备材料手册》
《建设项目环境保护管理条例》
中国国务院令第253号 1998
2.6 控制系统
采取可编程逻辑控制器(PLC)系统自动控制，以实现治理系统操作最优化，降低运行费用，增加设备运行可靠性。
3. 工艺设计
3.1 设计标准
1. 严格实施国家环境保护相关法规，按要求排放标准，使处
理后废气各项指标达成且优于标准指标。
2. 采取优异、合理、成熟、可靠处理工艺，并含有显著环
境效益、社会效益和经济效益。
3. 工艺设计和设备选型能够在生产运行过程中含有较大灵活
性和调整余地，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
现在，有机废气处理关键有以下多个方法：
（1） 燃烧法 包含高温燃烧和催化燃烧，前者需要附加燃料燃
烧，所以，使用该法时要考虑回收利用热能；催化燃烧能耗低，但在工作早期，需用电加热将废气加热到起燃温度，故对于频繁开停车场所不适宜。考虑到高温燃烧法回收热量超出生产所需热能，故并不适宜。而直接采取催化燃烧投资太大。
（2）吸收法 即采取合适吸收剂（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和吸收液分离，溶剂回收，吸收液重新使用或另行处理，采取这种方法关键是吸收剂选择。因为溶剂和吸收剂分离较为困难，所以其应用受到了一定限制。
（3）活性炭吸附法 采取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，适适用于不连续处理过程，尤其对低浓度有机废气中溶剂回收有很好效果。
（4）冷凝法 关键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。处理效果好坏和冷媒温度相关，处理效率较其它方法相对较低，适用高浓度废气处理。
依据本项目情况，采取冷凝－活性炭吸附法很好。将这两种方法联用回收烘干废气中甲苯，综合了冷凝法适适用于高浓度废气处理和活性炭吸附法处理效果好优势，又能够经过前期冷凝降低甲苯浓度，降低活性炭吸附负荷，延长活性炭再生周期，能够兼顾回收率和处理成本。
3.3系统工艺步骤
依据该厂实际情况，要提升甲苯回收效率，需加强以下两方面工作：一是烘干废气搜集，尽可能将甲苯搜集到溶剂回收装置中；二是对搜集废气采取合适方法进行处理和回收。
工艺步骤图3-1所表示：

烘干废气
风机
引风机
集气罩
列管式冷凝器1
溶剂水分离器
甲苯贮槽2
冷却水
贮槽
水槽
过滤
阻火器
活性炭吸附器
尾气排放
低压蒸汽
锅炉房
列管式冷凝器2
冷凝水回收槽
甲苯贮槽1

图3-1系统工艺步骤图
工艺步骤说明：因为烘箱出口废气中甲苯浓度较高，所以统一搜集后先经过一组过滤阻火器，去除尾气中固体杂质，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。因为甲苯沸点约为110℃，所以可回收大部分甲苯。
经冷凝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。饱和后活性炭采取低压蒸汽再生，再生出气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收溶剂经水分离器分离后回用。
4. 工艺系统说明
4.1 概述
本工艺系统可分为以下3个系统：
废气搜集系统，废气净化处理系统，排风系统。
废气搜集系统关键包含局部排风罩，风量调整阀，管道。
废气净化处理系统关键包含除尘器，冷凝器，活性炭吸附装置。
排风系统关键包含排风机，风量调整阀和烟囱。
4.2关键工艺设备功效简述
1. 除尘器
关键作用：关键是为了除去有机废气中漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。其次是为了预防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作用是将有机废气中气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，提升活性炭吸附处理效率，同时回收部分甲苯。
冷凝器_2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. 活性炭吸附装置
活性炭吸附装置是净化装置关键组成部分，设置目标是利用吸附法截留废气中有机物深入净化废气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。
5. 关键设备设计
5.1 关键设计参数
关键设计参数及要求处理效果见表5-1。

表5-1关键设计参数及要求处理效果
生产工艺
风量
（m3/h）
甲苯入口浓度
(mg/m3)
处理后浓度
(mg/m3)
回收（kg/h）
回收效率(%)
列管式冷凝器
33000
8182
904
244.9
90.7
活性炭吸附器
904
40
24.0
95.6
5.2 关键设备
1. 除尘器
（方案一）依据废气性质和气量，本项目选择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阻力系数。具体参数以下：
进口风速：24m/s；
风量：33700m3/h；
压力损失：1039Pa；
除尘效率：可除去5µm以上粉尘，效率95％－99％。
（方案二）依据废气性质和气量，本项目选择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）。此空气过滤器采取由金属及合金粉末烧结制成微空金属材质，含有耐高温、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征。SJ型高精密度金属微孔过滤器具体参数以下：
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
依据废气性质和气量，本项目选择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
依据废气性质和气量，本项目选择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，为了达成一定回收效率，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。具体计算以下：
（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Antoine常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine方程 （p为温度T时饱和蒸汽压，mmHg）
80℃时p＝291.21mmHg；24℃时p＝27.00mmHg
所以，80℃降温至24℃回收率为＝90.7％
所以，至24℃时甲苯冷凝量为270×90.7%=244.90kg/h，
剩下流量为270－244.9＝25.1kg/h。
24℃时总废气体积约为，冷凝处理后废气中残留甲苯浓度为
（3）计算换热器面积A
80℃时甲苯质量流量为270kg/h，则每小时排出甲苯体积V为

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＝kg/h
废气中空气质量流量为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
冷却水用量W＝＝＝143t/h
先按单壳程考虑：对数平均温差＝19.95K
＝ ＝
依据R、P值查温度校正系数图可得，温差修正系数＝0.89>0.8，可见用单壳程适宜，所以有效温差＝17.8K
假定换热器总传热系数为，则所需传热面积为:
＝216m2
（4）关键工艺及结构基础参数计算
选择Φ25×2.5mm钢管，材质20号钢。
取管内冷却水流速为0.5 m/s，则
管数 ＝＝253根
管长l＝＝＝10.9m
所以，取管程数为2，管长为6m，总管数为253×2＝506根。壳体公称直径DN＝800mm，公称压力为10kgf/cm2。
采取正三角形排列换热管，管子和管板采取焊接法连接。
综上，列管式冷凝器_1关键参数是：
选择6m长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
依据废气性质和气量，本项目选择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，为达成一定回收效率，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。具体计算以下：
（1）确定所需蒸汽量
脱附时甲苯回收率＝＝95.6％
需吹脱甲苯量为25.1×95.6％＝24.0 kg/h。
通常取蒸汽量：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Antoine常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine方程 （p为温度T时饱和蒸汽压，mmHg）
120℃时p＝984.7mmHg；30℃时p＝36.67mmHg
所以，80℃降温至30℃回收率为＝97.3％，即甲苯基础上全部冷凝下来。
（3）计算换热器面积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
冷却水用量W＝＝＝18.8t/h
先按单壳程考虑：对数平均温差＝37.76K
＝18 ＝
依据R、P值查温度校正系数图可得，温差修正系数＝0.93>0.8，可见用单壳程适宜，所以有效温差＝35K
假定换热器总传热系数为，则所需传热面积为:
＝9m2
（4）关键工艺及结构基础参数计算
选择Φ25×2.5mm钢管，材质20号钢。
取管内冷却水流速为0. 5 m/s，则
管数＝＝34根
管长l＝＝＝3.4m
所以，换热器管程数为2，管长为2m，总管数＝34×2＝68根。壳体公称直径DN＝400mm，公称压力为16kgf/cm2。
采取正三角形排列换热管，管子和管板采取焊接法连接。
综上，列管式冷凝器_2关键参数是：
选择2m长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. 活性炭吸附装置及隶属设备
（1）依据废气性质和气量，本项目采取低压蒸汽再生固定床活性炭吸附系统深入回收废气中甲苯。
废气气量为33000m3/h，温度24℃，废气中含有904mg/m3甲苯，要求出口甲苯浓度为40 mg/m3，即净化率达成95.6％。
（2）活性炭对甲苯饱和吸附量计算
选择某种活性炭参数以下：
堆积密度＝450kg/m3，＝5mm，空隙率＝0.40。
甲苯在该活性炭上吸附等温线方程为

式中：a－气相浓度为时平衡吸附量，kg/kgAC；
－气相中甲苯浓度，g/m3。
由废气中甲苯浓度为＝0.904 g/m3可得，活性炭吸附甲苯静态饱和吸附容量a＝0.330kg/kgAC。
（3）固定床吸附器关键参数计算
选定吸附器中气速为0.4m/s，此时吸附带长度为0.3m，吸附带中活性炭动态吸附容量按静态饱和吸附容量35％计，则 吸附带中活性炭所吸附甲苯为0.116 kg/kg。
吸附带外已经动态饱和活性炭吸附容量按静态饱和吸附容量90％计，则吸附饱和后活性炭所吸附甲苯为0.297 kg/kg。
吸附器直径为

吸附带内活性炭量为
吸附带内活性炭可吸附甲苯量为
吸附工作周期按2天（16h）计，则每一周期吸附量为

吸附带外所需活性炭用量为
吸附器总高为
活性炭总用量为
气流穿过固定床层压降估算式为：

式中：－压降，Pa；
－空隙率，m3空隙/m3吸附床；
－吸附剂颗粒直径，m；
－气体密度，kg/m3；
G－气体表现质量通量，；
D－床深，m；
－气体黏度，。
30℃下气体密度为，黏度为， 而，所以经计算可得压降为
理论功率消耗，风机效率以0.70计，则实际功率消耗
综上，选择固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其关键参数为：
活性炭堆积密度450kg/m3，＝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，所以确定溶剂水分离器容积为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
因为甲苯脱附量为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甲苯产生。所以，可采取直径为3m，高为2m储罐贮藏。在储罐上要设置安全排气管。
（7）液泵
选择一台50SGB10-8型防爆管道泵将甲苯从溶剂水分离器中分离出来，其关键参数为口径为50mm，额定流量10 m3/h，扬程8m，转速2900 r.p.m，功率为7.5kW。
选择两台4B15A型离心水泵将冷凝水从溶剂水分离器中分离出来，其关键参数为额定流量86 m3/h，扬程8.5m，转速2900 r.p.m，功率为2.78kW。
5.3 其它
1. 电气及自控系统
处理系统总装机容量为36.9kW，由集中安装电控柜进行控制。
为了提升回收率，降低能耗，设备运行采取自动化控制。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，和工控机一起放置于便于操作防爆隔离控制室中。整个装置温度、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，节省成本，吸附饱和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℃。依据工程经验，蒸汽和吸附溶剂量之比约为4－10，需用蒸汽总共150kg/h。供气周期为2天。
3. 供水
依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。因为挥发造成损耗，循环水需定时补充，补充量约8m3/d。
5.4 关键设备表
关键设备见表5-3。
表5-3 关键设备表
序号
设备名称
型号或规格
数量
功率（kw）
备注

冷凝系统

1
除尘器
XCX型
Ф1300mm四管
1

2
阻火器
ZHQ－Ｂ型Φ250
10
1.5

3
列管式冷凝器_1
单壳程双管程
壳体Ф800
1

换热面积216m2
4
列管式冷凝器_2
单壳程双管程
壳体Ф400
1

换热面积9m2
5
混合溶剂分层器
350m3
1

6
冷却水
循环泵_1
Q=72m3/h，H=11m
2
2.87

7
冷却水
循环泵_2
Q=20m3/h，H=10.3m
1
2.41

8
冷凝甲苯泵
Q=10m3/h，H=8m
1
7.5
防爆管道泵
9
冷凝水泵
Q=86m3/h，H=8.5m
2
2.78

活性炭吸附系统

10
引风机
Q=33000m3/h
1
35
防爆风机
11
活性炭吸附罐
Φ5400*339
2
3.88

12
温度测量系统

6

13
压力测量系统

9

14
火灾报警系统

3

15
管道及阀门

1套

16
电控柜

1

含PLC及强电
17
上位工控机

1

其它辅助材料

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。累计4人。
7. 投资估算
见表7-1。
表7-1 投资估算表
序号
设备名称
关键技术参数
数量
(台套)
价格
(万元)
总价
(万元)
备注
1
除尘器
XCX型
Ф1300mm
1
7
7.00

2
阻火器
ZHQ－Ｂ型Φ250
10
0.8
8.00

3
列管式冷凝器_1
单壳程双管程
壳体Ф800
1
1.20
8.00
换热面积216m2
4
列管式冷凝器_2
单壳程双管程
壳体Ф400
1
1.20
5.00
换热面积9m2
5
防爆风机
33000m3/h
1
4.80
1.80
消声器、减振座
6
活性炭吸附器
φ1400*3800
2
8
16.00
含活性炭及附件
7
混合溶剂分层器
350m3
1
1.65
1.65

8
循环水泵_1
72m3/h
2
0.50
1.00

9
循环水泵_2
20m3/h
1
0.50
0.50

10
冷凝甲苯泵
Q=10m3/h
1
0.6
0.60
用于气动阀和活性炭再生
11
冷凝水泵
Q=86m3/h
2
0.5
1.00
用于气动阀和活性炭再生
9
管道及阀门
多种规格
1
8.00
8.00
废气管路及自动阀、冷却水管及阀门
10
自控系统

1
12.00
12.00
含PLC、工控机、仪表
11
其它辅助材料

1
2.00
2.00

一
设备直接费

57.55

二
其它费用

1
设计费

8.52
10%
2
安装费

4.26
5%
3
调试费

4.26
5%
4
管理费

2.56
3%
三
工程总价

92.15

8. 效益估算
8.1环境效益
依据年生产300天、日工作二十四小时生产能力估算，废气经处理后，每十二个月可降低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%以上甲苯在烘干时进入废气，本装置甲苯回收率在99%以上，则每十二个月回收甲苯总量为：360×0.9×0.99＝320.8 t/a。甲苯价格按6000元/t(12月价格)计算，回收带来经济效益：
320.8 t/a×6000元/t=192.48万元/a
8.2运行费用
运行费用关键包含水、电费、蒸汽消花费、人工费及设备折旧费，各项费用计算以下：
1、水费
循环水按每个月更换一次计算，天天补充水量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、蒸汽消花费
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，累计6.00万元/年；
5、活性炭消花费（使用寿命以六个月计）
年消花费用为9.24万元/a；
6、设备折旧费
关键设备使用寿命以计，年折旧费约10万元/a；
7、维修费
以设备费3%计，约3万元/a；
以上各项费用累计为59.17万元/a。
扣除成本，每十二个月可带来经济效益为133.31万元/a，投资回收期0.75年。