工廠廢氣處理計量方法與原理

 

在工業(yè)生產(chǎn)中，工廠廢氣的排放對環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴重威脅。為了有效控制廢氣排放并確保符合環(huán)保標準，準確的廢氣處理計量方法和深入理解其原理至關(guān)重要。本文將詳細探討工廠廢氣處理的計量方法與原理。

 

 一、工廠廢氣處理的重要性

工廠在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生***量含有各種污染物的廢氣，如二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NO?）、顆粒物、揮發(fā)性有機物（VOCs）等。這些廢氣若未經(jīng)有效處理直接排放到***氣中，會導致酸雨、霧霾、臭氧層破壞等環(huán)境問題，危害生態(tài)平衡，影響農(nóng)作物生長，還可能引發(fā)呼吸道疾病等健康問題。因此，對工廠廢氣進行處理是保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

 

 二、廢氣處理計量方法

 

 （一）流量計量

1. 畢托管法

     原理：基于伯努利方程，通過測量廢氣流動時的總壓和靜壓之差來計算流速，進而得到流量。畢托管通常由兩根管子組成，一根管子開口朝向氣流方向測量總壓，另一根管子側(cè)面開孔測量靜壓。根據(jù)公式\(v = \sqrt{2(p_t  p_s)/\rho}\)（其中\(zhòng)(v\)為流速，\(p_t\)為總壓，\(p_s\)為靜壓，\(\rho\)為廢氣密度），可以計算出廢氣流速，再結(jié)合管道橫截面積得出流量。

     應用場景：適用于***口徑管道且廢氣流速相對穩(wěn)定的場合，如***型火力發(fā)電廠的煙囪排氣監(jiān)測。但在實際應用中，畢托管容易堵塞，需要定期維護和清潔，且對氣流的穩(wěn)定性要求較高，若氣流波動較***，測量誤差會增***。

2. 熱式質(zhì)量流量計法

     原理：利用熱傳導原理，在廢氣流經(jīng)的管道中安裝加熱元件和溫度傳感器。當廢氣流動時，會帶走熱量，導致溫度傳感器的溫度發(fā)生變化。通過測量加熱元件的功率和溫度變化，根據(jù)熱力學公式計算出廢氣的質(zhì)量流量。這種方法基于廢氣的質(zhì)量流量與所吸收熱量之間的關(guān)系，不受廢氣壓力和溫度變化的直接影響，能夠較為準確地測量不同工況下的廢氣流量。

     應用場景：廣泛應用于各種工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)，尤其適用于中小流量、復雜工況且對測量精度要求較高的場合，如化工、電子等行業(yè)的廢氣排放監(jiān)測。不過，熱式質(zhì)量流量計的價格相對較高，且對廢氣中的粉塵和雜質(zhì)較為敏感，需要安裝過濾裝置以保證測量的準確性和穩(wěn)定性。

3. 超聲流量計法

     原理：通過安裝在管道外的超聲換能器發(fā)射和接收超聲波信號。當廢氣在管道中流動時，超聲波在順流和逆流方向的傳播時間會因廢氣流速的不同而產(chǎn)生差異。根據(jù)時間差與流速的關(guān)系，利用公式\(v = (L \Delta t)/(2 \sin \theta)\)（其中\(zhòng)(v\)為流速，\(L\)為超聲傳播路徑長度，\(\Delta t\)為順流和逆流傳播時間差，\(\theta\)為超聲發(fā)射角度），計算出廢氣流速，進而得到流量。超聲流量計具有非接觸式測量的***點，不會對廢氣流動產(chǎn)生干擾，安裝方便，且適用于各種管徑和腐蝕性廢氣介質(zhì)。

     應用場景：在冶金、電力、制藥等行業(yè)的廢氣排放計量中得到了廣泛應用。然而，超聲流量計的測量精度可能會受到廢氣成分、溫度、濕度以及管道振動等因素的影響，需要對這些因素進行適當?shù)难a償和校正，以提高測量的準確性。

 （二）污染物排放濃度計量

1. 吸收光譜法

     原理：不同的氣體分子具有***定的吸收光譜***性。例如，二氧化硫在紫外波段有***征吸收峰，氮氧化物在***定波長范圍內(nèi)也有吸收。通過使用光源發(fā)射***定波長的光，使光穿過廢氣樣品，然后測量透射光的強度變化。根據(jù)朗伯  比爾定律\(A = \epsilon b c\)（其中\(zhòng)(A\)為吸光度，\(\epsilon\)為摩爾吸光系數(shù)，\(b\)為光程長度，\(c\)為污染物濃度），可以計算出廢氣中污染物的濃度。這種方法具有較高的靈敏度和選擇性，能夠同時測量多種污染物成分。

     應用場景：常用于連續(xù)監(jiān)測廢氣中低濃度的污染物，如火力發(fā)電廠煙氣中二氧化硫、氮氧化物的在線監(jiān)測。但吸收光譜法的設備成本較高，且對光源的穩(wěn)定性和光學系統(tǒng)的校準要求嚴格，需要專業(yè)人員進行操作和維護。

2. 電化學傳感器法

     原理：基于電化學反應原理，當廢氣中的污染物分子擴散到電化學傳感器的電極表面時，會發(fā)生氧化或還原反應，產(chǎn)生與污染物濃度相關(guān)的電流信號。通過測量電流的***小，根據(jù)事先校準的曲線，即可確定污染物的濃度。例如，對于一氧化碳（CO）傳感器，當 CO 分子在電極表面被氧化時，會產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，形成電流。電化學傳感器具有體積小、響應速度快、便于攜帶等***點，適合現(xiàn)場快速檢測和便攜式監(jiān)測設備的應用。

     應用場景：廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場的廢氣泄漏檢測、環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測以及移動監(jiān)測車等***域。不過，電化學傳感器的使用壽命相對較短，容易受到交叉干擾，即其他氣體成分可能會對目標污染物的測量產(chǎn)生影響，需要定期校準和更換傳感器以保證測量的準確性。

3. 氣相色譜法

     原理：利用不同物質(zhì)在固定相和流動相之間的分配系數(shù)差異進行分離和分析。廢氣樣品被注入氣相色譜儀后，在載氣（通常是惰性氣體，如氦氣、氮氣等）的帶動下，通過裝有固定相（如毛細管柱）的色譜柱。由于各組分在固定相和流動相中的吸附和解吸***性不同，它們在色譜柱中的停留時間不同，從而依次從色譜柱中流出，進入檢測器。檢測器根據(jù)各組分的物理或化學性質(zhì)產(chǎn)生相應的信號，通過對比標準樣品的保留時間和峰面積，確定廢氣中各污染物的成分和濃度。氣相色譜法具有高分辨率、高靈敏度和準確性的***點，能夠同時分析多種復雜的有機和無機污染物成分。

     應用場景：在化工、石化、制藥等行業(yè)的廢氣分析中具有重要地位，尤其適用于對廢氣成分的詳細剖析和定性定量分析。然而，氣相色譜法的設備復雜昂貴，分析時間較長，需要專業(yè)的操作人員和實驗室條件，不適合實時在線監(jiān)測，一般用于定期的抽樣分析和實驗室研究。

 

 （三）廢氣處理效率計量

1. 去除率計算法

     原理：通過分別測量廢氣處理前和處理后的污染物濃度，根據(jù)公式\(\eta = (c_1  c_2)/c_1 \times 100\%\)（其中\(zhòng)(\eta\)為去除率，\(c_1\)為處理前污染物濃度，\(c_2\)為處理后污染物濃度）計算廢氣處理設備的去除效率。這種方法簡單直觀，能夠直接反映廢氣處理設備對***定污染物的去除能力。

     應用場景：廣泛應用于各種廢氣處理工藝的效果評估，如布袋除塵器對顆粒物的去除效率、活性炭吸附裝置對揮發(fā)性有機物的去除效率等。但在實際應用中，需要注意采樣位置的合理性和采樣方法的準確性，以確保測量結(jié)果能夠真實反映廢氣處理設備的性能。同時，對于一些難以直接測量的污染物成分或復雜的廢氣處理工藝，可能需要結(jié)合其他方法進行綜合評估。

2. 對照實驗法

     原理：設置兩組相同的廢氣排放源，一組經(jīng)過廢氣處理設備處理，另一組不經(jīng)過處理作為對照。在相同的環(huán)境條件下，同時采集兩組廢氣樣品并進行分析，對比兩組樣品中污染物濃度的差異，從而評估廢氣處理設備的實際效果。這種方法能夠排除其他因素對廢氣處理效果的影響，更準確地反映廢氣處理設備在實際應用中的性能。

     應用場景：常用于新型廢氣處理技術(shù)的研發(fā)和應用效果驗證，以及對現(xiàn)有廢氣處理設備進行性能對比和***化研究。例如，在評估一種新型的催化燃燒廢氣處理裝置時，采用對照實驗法可以清晰地看出該裝置與傳統(tǒng)處理方法在去除效率、能耗等方面的***劣。然而，對照實驗法需要耗費較多的人力、物力和時間，且實驗條件的控制要求較高，在實際操作中存在一定的難度。

 

 三、廢氣處理計量原理

 

 （一）物理原理

1. 過濾原理

     概述：過濾是利用多孔性材料（如濾紙、濾布、纖維濾料等）攔截廢氣中的顆粒物，使其從氣流中分離出來。當廢氣通過過濾介質(zhì)時，顆粒物因慣性碰撞、攔截、擴散等作用被捕獲在過濾材料的纖維表面或內(nèi)部孔隙中，而凈化后的氣體則通過過濾介質(zhì)排出。

     影響因素：過濾效率主要取決于過濾介質(zhì)的孔隙***小、厚度、纖維結(jié)構(gòu)以及廢氣的流速和顆粒物的***性（如粒徑、密度、形狀等）。一般來說，過濾介質(zhì)的孔隙越小，對小粒徑顆粒物的捕集效率越高，但同時也會增加氣流阻力，降低過濾速度。因此，在設計過濾裝置時，需要綜合考慮過濾效率和氣流阻力之間的平衡，選擇合適的過濾介質(zhì)和過濾參數(shù)。

     應用場景：常見的過濾設備包括布袋除塵器、濾筒除塵器、空氣過濾器等，廣泛應用于鋼鐵、水泥、電力、化工等行業(yè)的廢氣處理中，對去除廢氣中的粉塵顆粒具有顯著效果。例如，布袋除塵器通過濾袋對含塵廢氣進行過濾，當濾袋表面的粉塵層達到一定厚度時，通過清灰系統(tǒng)將粉塵清除，使濾袋恢復過濾能力，從而實現(xiàn)連續(xù)的廢氣凈化過程。

2. 吸附原理

     概述：吸附是利用固體吸附劑（如活性炭、分子篩、硅膠等）表面的活性位點與廢氣中的污染物分子發(fā)生相互作用，將污染物分子吸附在吸附劑表面，從而達到凈化廢氣的目的。吸附過程可分為物理吸附和化學吸附兩種形式。物理吸附是基于分子間范德華力的作用，吸附過程可逆，適用于吸附低濃度、易揮發(fā)的有機物和一些無機氣體；化學吸附則是基于吸附劑表面與污染物分子之間的化學反應，形成化學鍵，吸附過程不可逆，對***定污染物具有更高的選擇性和吸附容量。

     影響因素：吸附效果主要受吸附劑的性質(zhì)（如比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學性質(zhì)等）、廢氣的溫度、濕度、污染物濃度以及接觸時間等因素影響。一般來說，吸附劑的比表面積越***，孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達，其吸附容量越***；較低的廢氣溫度有利于吸附過程的進行，而過高的濕度可能會降低吸附劑的吸附性能，因為水分子會與污染物分子競爭吸附位點。此外，增加廢氣與吸附劑的接觸時間可以提高吸附效率，但過長的接觸時間可能會導致吸附飽和。

     應用場景：活性炭吸附廣泛應用于印刷、涂裝、電子等行業(yè)的揮發(fā)性有機物（VOCs）廢氣處理，以及化工、醫(yī)藥等行業(yè)的異味治理。例如，在活性炭吸附裝置中，廢氣***先經(jīng)過預處理去除顆粒物和水分，然后通過裝滿活性炭的吸附床，VOCs 分子被活性炭吸附，凈化后的氣體排放到***氣中。當活性炭吸附飽和后，可以通過熱空氣脫附、蒸汽脫附等方法對活性炭進行再生，使其恢復吸附能力，實現(xiàn)循環(huán)使用。

3. 冷凝原理

     概述：冷凝是利用廢氣中污染物組分在不同溫度下的飽和蒸氣壓差異，通過降低廢氣溫度使污染物凝結(jié)成液態(tài)或固態(tài)，從廢氣中分離出來。當廢氣冷卻時，其中的水汽、油脂、有機蒸汽等高沸點物質(zhì)會先達到飽和狀態(tài)并凝結(jié)析出，而***部分空氣仍保持氣態(tài)。冷凝過程可以通過制冷設備（如壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器等）實現(xiàn)，也可以利用自然冷卻（如冷卻塔、風冷等）方式。

     影響因素：冷凝效果主要取決于廢氣的溫度、壓力、污染物成分及其濃度、冷卻介質(zhì)的溫度等因素。一般來說，降低廢氣溫度有利于提高冷凝效果，但過低的溫度會增加制冷成本和能源消耗。同時，廢氣中的污染物濃度越高，冷凝回收的量越***，但也需要考慮到冷凝后物質(zhì)的處理和處置問題。此外，冷凝過程中可能會伴隨有部分氣體的溶解和吸收現(xiàn)象，這也會影響冷凝效果和***終的排放濃度。

     應用場景：冷凝法常用于處理高濃度、高沸點的有機廢氣，如石油化工、制藥、涂裝等行業(yè)的溶劑回收。例如，在涂裝車間的噴漆廢氣處理中，通過冷凝回收可以將廢氣中的油漆顆粒和有機溶劑凝結(jié)成液態(tài)，進行回收利用，減少廢氣排放和資源浪費。同時，冷凝法也可以與其他廢氣處理技術(shù)（如吸附、燃燒等）聯(lián)合使用，提高廢氣處理效率和經(jīng)濟效益。

 

 （二）化學原理

1. 燃燒原理

     概述：燃燒是將廢氣中的可燃污染物（如揮發(fā)性有機物 VOCs、一氧化碳 CO 等）在高溫條件下與氧氣發(fā)生氧化反應，轉(zhuǎn)化為二氧化碳（CO?）、水（H?O）和其他無害物質(zhì)的過程。根據(jù)燃燒方式和條件的不同，燃燒可分為直接燃燒、催化燃燒和蓄熱燃燒等形式。

     直接燃燒：直接燃燒是將廢氣中的可燃污染物與空氣混合后，在高溫爐膛或燃燒室內(nèi)進行燃燒。燃燒溫度通常較高（一般在 800℃以上），可以使***多數(shù)有機物完全燃燒分解。直接燃燒的***點是設備簡單、投資成本低，但缺點是能耗較高，且對于低濃度、***風量的廢氣處理效果不佳，可能會產(chǎn)生二次污染（如氮氧化物 NO?的生成）。

     催化燃燒：催化燃燒是在催化劑的作用下，降低廢氣中可燃污染物的燃燒溫度，使其在較低的溫度下（通常為 200  500℃）就能發(fā)生完全燃燒。催化劑可以是貴金屬（如鉑、鈀、銠等）或金屬氧化物（如銅、錳、鈷等氧化物），它們能夠提高燃燒反應的速率和選擇性，減少能源消耗和二次污染的產(chǎn)生。催化燃燒適用于處理低濃度、***風量的有機廢氣，如化工、印刷、涂裝等行業(yè)的 VOCs 廢氣治理。但催化燃燒需要使用催化劑，催化劑的成本較高，且對廢氣中的雜質(zhì)和毒性物質(zhì)敏感，容易中毒失效，需要定期更換和維護。

     蓄熱燃燒：蓄熱燃燒是利用蓄熱體（如陶瓷填料、蜂窩狀蓄熱體等）儲存燃燒過程中釋放的熱量，用于預熱進入燃燒室的廢氣，提高燃燒效率和熱回收率。在蓄熱燃燒過程中，廢氣***先通過蓄熱體被預熱，然后進入燃燒室與燃料（如天然氣、液化石油氣等）混合燃燒，燃燒后的高溫氣體通過另一組蓄熱體進行熱交換，將熱量儲存起來，***后排放到***氣中。蓄熱燃燒具有高效節(jié)能、污染物排放低等***點，適用于處理***流量、中等濃度的有機廢氣，如鋼鐵、建材、化工等行業(yè)的廢氣治理。但蓄熱燃燒設備結(jié)構(gòu)復雜，占地面積***，投資成本較高，且對蓄熱體的材質(zhì)和性能要求較高，需要定期維護和更換。

     影響因素：燃燒效果主要受廢氣成分、濃度、溫度、停留時間、空氣與燃料的比例以及催化劑的性能（對于催化燃燒）等因素影響。合理的空氣與燃料比例是保證完全燃燒的關(guān)鍵，過多或過少的空氣都會影響燃燒效率和產(chǎn)物質(zhì)量。同時，足夠的停留時間可以使廢氣中的可燃污染物充分燃燒分解，提高處理效果。此外，催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性對催化燃燒的性能起著決定性作用，需要根據(jù)廢氣的成分和***點選擇合適的催化劑，并控制***反應溫度和空速等參數(shù)。

     應用場景：燃燒法廣泛應用于各種工業(yè)廢氣的處理，***別是對于高濃度、高熱值的有機廢氣治理效果顯著。例如，在石油化工行業(yè)，催化燃燒技術(shù)被用于處理煉油過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物廢氣；在汽車制造行業(yè)，噴涂車間的有機廢氣采用蓄熱燃燒技術(shù)進行處理，既滿足了環(huán)保要求，又實現(xiàn)了能源的回收利用。

2. 吸收原理

     概述：吸收是利用氣體混合物中各組分在同一種液體（吸收劑）中的溶解度差異，使廢氣中的污染物溶解于吸收劑中，從而實現(xiàn)廢氣凈化的過程。吸收過程通常在吸收塔內(nèi)進行，廢氣從塔底進入，與從塔***噴淋而下的吸收劑逆流接觸，在接觸過程中，污染物分子從氣相轉(zhuǎn)移到液相，被吸收劑吸收。吸收后的廢液經(jīng)過處理后排放或回收利用。

     影響因素：吸收效果主要取決于吸收劑的性質(zhì)（如溶解度、酸堿性、揮發(fā)性等）、廢氣的溫度、濕度、污染物濃度、吸收塔的結(jié)構(gòu)（如塔徑、塔高、填料類型等）以及氣液比等因素。一般來說，吸收劑對污染物的溶解度越***，吸收效果越***；較低的廢氣溫度有利于吸收過程的進行，因為氣體的溶解度通常隨溫度的降低而增加。同時，增加氣液比可以提高吸收效率，但過***的氣液比會增加能耗和吸收劑的用量。此外，吸收塔內(nèi)的填料類型和裝填方式也會影響氣液接觸效果和傳質(zhì)效率，常用的填料有活性炭、陶瓷環(huán)、塑料球等。

     應用場景：吸收法廣泛應用于化工、電力、冶金等行業(yè)的廢氣處理，主要用于去除廢氣中的二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NO?）、氯化氫（HCl）等酸性氣體以及氨氣（NH?）等堿性氣體。例如，在火力發(fā)電廠的煙氣脫硫中，常用的吸收劑是石灰石  石膏法，即用石灰石漿液作為吸收劑，在吸收塔內(nèi)與煙氣中的二氧化硫反應生成亞硫酸鈣和硫酸鈣，從而達到脫硫的目的；在電鍍行業(yè)的酸霧治理中