如何有效捕获VOCs 学一学集气罩与废气净化系统设计（一）

目前，大气污染防治引起社会各界的广泛关注，尤其是VOCs污染治理；集气罩主要是进行污染气体的捕集，由于设备污染源和生产操作工艺的不同，相应集气罩的形式是多种多样的。合理的设计和正确的使用对净化系统技术经济指标有直接影响。集气罩：是废气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。本文(第一部分)从净化系统的组成及系统设计的基本内容、集气罩的集气机理、集气罩的基本类型、集气罩性能参数及计算、集气罩设计的方法等方面内容，全方位分析集气罩与管道系统的设计知识。

集气罩与管道系统的设计

主要内容

●净化系统的组成及系统设计的基本内容

●集气罩的集气机理

●集气罩的基本类型

●集气罩性能参数及计算

●集气罩设计的方法

●废气净化系统设计（第二部分）

1净化系统的组成及系统设计的基本内容

局部排气净化系统的组成

(1)集气罩:集气罩是用来捕集污染空气的，其性能对净化系统的技术经济指标有直接的影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式是多种多样的。

(2)风管:在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。

(3)净化设备:为了防止大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准时，必须采用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排人大气。

(4)通风机:通风机是系统中气体流动的动力。为了防止通风机的磨损和腐蚀，通常把风机设在净化装备的后面。

(5)烟囱:烟囱是净化系统的排气装置。由于净化后的烟气中仍含有一定量的污染物。这些污染物在大气中扩散、稀释，并最终沉降到地面。

局部排气净化系统设计的基本内容

1、捕集装置设计（结构、安装、性能）

2、净化系统的选择或设计

(1)选择依据

a.污染物的种类与性质；

b.处理量；

c.净化效率；

d.净化系统的环境、经济及社会效益。

(2)一般程序

a.工程调查；

b.确定净化程度；

c.选择合理的净化工艺；

d.选择适当的净化装置，确定合理的净化系统配置；

e.确定净化系统运行参数和技术经济指标。

(3)除尘系统与装置的选择

(4)吸收系统与装置的选择

(5)吸附系统与吸附装置的选择

(6)净化装置的费用

设备投资费、运行费用、总费用

3.管道系统的设计

4.排放烟囱设计

集气罩的集气机理集气罩气流流动的基本理论

集气罩汇集污染物，是一种流体动力学捕集，因此要对集气罩合理设计，必须要了解吸气罩罩口的气流流动规律。

集气罩口气流流动方式有两种:一种是吸气口气流的吸人流动，一种是吹气口气流的吹出流动。

吸入气流

1.外部吸气罩罩口气流流动规律

a.速度分布:等速面的形式确定其分布规律

将吸气口近似视为一个点汇，等速面是以该点为中心的球面（见图13-2a），假设点汇吸风量为Q，等速面的半径为r1、r2，相应气流速度为u1、u2，由于通过每个等速面的风量相等，则有

Q=4πr12u1=4πr22u2(13--1)

于是：u1/u2=(r2/r1)2(13--2)

表明吸气口外气流速度衰减很快，应尽量减少罩口至污染源的距离。

2.罩口的设置位置对气流分布的影响

如果吸气口设在墙上，如图13—2b所示,吸气范围减少一半,其等速面为半球面,则吸气口的吸气量为

Q=2πr12u1=2πr22u2(13--3)

比较式(13-1)(13-3)，可见：

（1）吸气速度相同时，同一距离上Q（悬空设置的吸气口）=2Q（有一面阻挡的吸气口）

（2）吸风量相同时，同一距离上u（有一面阻挡的吸气口）=2u（悬空设置的吸气口）

3.吸风罩的形式对气流速度分布的影响

有边的吸风口比无边的吸风口流速衰减慢，实际等速面为椭圆形。

吹出气流

空气从管口喷出，在空间形成的一股气流称为空气射流.

(1)空气射流的一般特性。如图13一6所示，这是等温圆射流的示意图。管口速度假设是完全均匀的。M为射流极点，射流中保持原出口速度v。的部分称为射流核心，速度小于v。的部分称为射流主体，射流核心消失的断面BOE称为过渡断面，出口断面至过渡面称为起始段，过渡断面以后称为主体段。

等温自由圆射流的一般特性为:

①射流边缘有卷吸周围空气的作用，这主要是由于紊流动量交换引起的。

②由于射流边缘的卷吸作用，射流断面不断扩大，射流量随射流长度增加而增大。

③射流核心段呈锥形不断缩小。

④核心段以后，射流速度逐渐下降。

⑤射流中的静压与周围静止空气的压强相同。

⑥射流各断面动量相等。

等温圆射流和扁射流主体参数计算公式

吸入气流与吹出气流

（1）吹出气流由于卷吸作用,沿射流方向流量不断增加,射流呈锥形；吸入气流的等速面为椭球面,通过各等速面的流量相等,并等于吸入口的流量。

（2）射流线上的速度基本上与射程成反比,而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比。所以,吸气口能量衰减很快,其作用范围较小。

吹吸气流

吹吸气流是两股气流组合而成的合成气流。在集气罩设计中，利用吹出气流与吸入气流联合作用来提高所需“控制风速”的形成，称为吹吸式集气罩。

3集气罩的基本类型

集气罩：是烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。

形式：

（1）按罩口气流流动方式分为：吸气式和吹吸式；

（2）按集气罩与污染源的相对位置及适用范围，可将吸气式集气罩分为：密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。

密闭罩

定义：将污染源的局部或整体密闭起来，在罩内保持一定负压，可防止污染物的任意扩散。特点：所需排风量最小，控制效果最好，且不受室内气流干扰，设计中应优先选用。

结构形式：局部密闭罩、整体密闭罩、大容积密闭罩

1.局部密闭罩

特点：体积小，材料消耗少，操作与检修方便；

适用：产尘点固定、产尘气流速度较小且连续产尘的地点。

2.整体密闭罩

特点：容积大，密闭性好。

适用：多点尘源、携气流速大或有振动的产尘设备。

3.大容积密闭罩

特点：容积大，可缓冲产尘气流，减少局部正压，设备检修可在罩内进行。

适用：多点源、阵发性、气流速度大的设备和污染源。

4.布置要求

a.设置必要的观察窗、操作门和检修门；

b.罩内应保持一定的均衡负压，避免烟尘逸出；

c.尽量避开扬尘中心,防止大量物料随气流带至罩口被吸走；

d.处理热物料时，应考虑热压对气流运动的影响，通常适当加大密闭罩容积，吸风点设于罩子顶部最高点。

排气柜

排气柜可使产生有害烟尘的操作在柜内进行。

1.结构形式

a、排气口在操作口对面操作口气流分布较均匀，有害气体外逸的可能性较小。

b、排气口设在柜顶操作口上部形成较大进气流速，而下部进气流速较小，气柜内易形成涡流，可能造成有害气体外逸

c、在对面和顶部同时设置排气口

2.布置要求：尽量避开门窗和其它进风口。

外部吸(集、排)气罩

定义:通过罩的抽吸作用，在污染源附近把污染物全部吸收起来的集气罩。

特点:结构简单，制造方便；但所需排风量较大，且易受室内横向气流的干扰，捕集效率较低。

常见形式:顶吸罩、侧面吸罩、底吸罩、槽边吸气罩

接受式排气罩

1.定义：接受由生产过程（如热过程、机械运动过程）

产生或诱导出来的污染气流的一种排气罩。

2.特点：罩口外的气流运动不是由于罩子的抽吸作用，而是由于生产本身过程产生。

3.类型:a.低悬罩（罩口高度<1.5A1/2）

b.高悬罩（罩口高度>1.5A1/2）A-热设备的水平投影面积。

吹吸式排气罩及空气幕

1.吹吸式排气罩的工作原理

当外部吸气罩与污染源的距离较大时，可以在外部吸气

罩的对面设置一吹气口，从而形成一层空气幕阻止污染物

的散逸，同时也诱导污染气流一起向排气罩流动。

吹吸式排气罩的工作情况

槽子吹吸式排气罩

2.特点：采用气幕抑制污染物扩散，具有气量小，抗干扰能力强，不影响工艺操作、效果好的特点。

3.吹吸式排气罩的设计计算

a.适用：在槽、台宽度较大（≥2m）的工作槽上，采用此类排气罩控制污染物的扩散，效果较佳。

b.设计时注意事项

（1）防止吹气射流产生弯曲；

（2）条缝口宽度速度；

（3）吹气罩排气量；

（4）吹气口高度。

4.气幕及其应用

a.作用：可有效地抑制污染物扩散。

b.应用：

（1）当接受罩悬挂较高时，用吹气射流阻挡横向气流

（2）采用气幕控制破碎机料坑的扬尘

（3）采用气幕控制整个车间的污染源。

4集气罩性能参数及计算

一、排风量的确定

1.排风量的测定方法

集气罩排风量Q(m3/S)，可以通过实测罩口的平均吸气速度ν0(m/S)和罩口面积A0（m2）确定。

Q=ν0A0(m3/S)

也可以通过实测连接罩口上的平均吸气速度ν(m/S)，气流动压Pd(Pa)或静压PS(Pa)及其管道断面积A（m2）按下式确定。

Q=νA=A【(2/ρ)Pd】1/2(m3/S)

Q=φA【(2/ρ)PS】1/2(m3/S)

式中:ρ—气体密度,kg/m3

φ--集气罩的流量系数

2.排风量的计算

（1）控制速度法

指在罩口前污染物扩散方向的任意点上均能使污染物吸入气流流入罩内并将其捕集所必须的最小吸气速度。

（2）流量比法

把集气罩排风量Q3看作是污染气流量Q1和从罩口周围吸入室内空气量Q2之和,即

Q3=Q1+Q2=Q1(1+Q2/Q1)=Q1(1+K)

KV=(Q2/Q1)linit

K---为流量比

KV通过实验研究求出,与污染物发生量无关,只与污染源和集气罩的相对尺寸有关.

二、压力损失的确定

由于集气罩罩口处于大气中,所以该处的全压等于零.因而集气罩的压力损失写为

△P=0－P=－(Pd+Ps)=|Ps|－Pd

φ=（Pd/|Ps|）1/2

φ=1/（1＋ξ）1/2

Φ---流量系数

ξ---压力损失系数

5集气罩的设计方法

原则：

a.集气罩应尽可能将污染源包围起来，使污染物的扩散限制在最小的范围内，以便防止横向气流的干扰，减少排气量。

b.集气罩的吸气方向尽可能与污染气流运动方向一致，充分利用污染气流的初始动能。

c.在保证控制污染的条件下，尽量减少集气罩的开口面积，以减少排风量；

d.集气罩的吸气气流不允许经过人的呼吸区再进入罩内；

e.集气罩的结构不应妨碍人工操作和设备检修。

相关阅读：

专题报道：1400亿VOCs 市场空间如何落到实处?

手机端微专题更精彩，请扫描下方二维码查看专题：

编辑：张伟