0引言實(shí)驗(yàn)室污染物常被人忽視，比如高校實(shí)驗(yàn)室，科技創(chuàng)新能力的提升帶來了更加頻繁的科研活動(dòng)，作為嚴(yán)重污染源之一，滯后、不夠規(guī)范的廢氣治理與通風(fēng)系統(tǒng)不僅會(huì)傷害到實(shí)驗(yàn)室使用人員的身體健康，還會(huì)帶來環(huán)境污染事故，影響人和自然的和諧發(fā)展。本文以高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，分析通風(fēng)機(jī)廢氣治理工程設(shè)計(jì)，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全與能效。1化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣概述化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣構(gòu)成復(fù)雜，可分為兩種，分別為有機(jī)廢氣與無機(jī)廢氣。其中，前者以四氯化碳、乙硫醇、甲烷、醛類、乙醚、苯為主；后者以二氧化碳/硫、氮、硫化氫、氨氣、一氧化氮、氯氣、溴化氫等為主。與工業(yè)生產(chǎn)期間產(chǎn)生的廢氣不同，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣體量、濃度均相對(duì)較小，但成分復(fù)雜、分散，排放具有間歇性，若是廢氣累積也會(huì)產(chǎn)生不容小視的惡劣效應(yīng)[1]。尤其在人體危害方面，以硫化氫為例，若實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)較為老舊，廢氣治理效果不佳，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室使用者吸入較多硫化氫，輕則頭疼惡心，重則休克。對(duì)于環(huán)境來說，若廢氣未經(jīng)規(guī)范處理便排出，將加劇酸雨等現(xiàn)象，影響大氣、水體、土壤環(huán)境，由此帶來嚴(yán)重社會(huì)公害。2研究化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)及廢氣治理工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)現(xiàn)階段，應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣的治理手段有干、濕之分，為強(qiáng)化本文研究結(jié)果的真實(shí)可靠性，故引入某高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室。2.1通風(fēng)設(shè)計(jì)2.1.1氣量計(jì)算為使化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)順利發(fā)揮作用，需計(jì)算實(shí)驗(yàn)室換氣量與廢氣量。（1）換氣量計(jì)算。根據(jù)此類實(shí)驗(yàn)室常見的有害氣體，換氣速度區(qū)間在10～20次/h。一般情況下，10次/h主要用于散逸程度低、廢氣危害程度小的場(chǎng)景，反之則取15次/h以上。由于案例實(shí)驗(yàn)室為改建工程，逸散方面無法得到保證，外加實(shí)驗(yàn)室有效空間體積較大（300m2），故設(shè)計(jì)換氣速度為18次/h。由此可得到案例實(shí)驗(yàn)室換氣量（室內(nèi)有效空間體積×換氣速度）為5400m2/h。（2）廢氣量估算。室內(nèi)設(shè)有通風(fēng)柜，根據(jù)其工作口敞開面積、工作風(fēng)速、泄露安全系數(shù)（取1.1），可計(jì)算得到廢氣量。公式如下：式中：Q——實(shí)驗(yàn)室廢氣量，m3/h；V——通風(fēng)柜工作風(fēng)速，m/s，案例實(shí)驗(yàn)室為0.7m/s；A——通風(fēng)柜工作狀態(tài)下的敞口面積，m2，案例實(shí)驗(yàn)室為1.92m2。通過將數(shù)值一一代入，案例實(shí)驗(yàn)室廢氣量在5400m3/h左右。2.1.2氣流方向正確氣流方向的明確，有助于提高室內(nèi)有害氣體排除效率，故在設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，需確定室內(nèi)氣流方向，避免換氣氣流短路[2]。一般情況下，室內(nèi)氣流方向與進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的位置有關(guān)，案例實(shí)驗(yàn)室出風(fēng)口分別位于房間上部和靠墻位置，進(jìn)風(fēng)口以窗戶為主，這意味著室內(nèi)氣流的循環(huán)往復(fù)方向?yàn)橹料露希瑥乃闹芗辛飨虺鲲L(fēng)口。2.1.3通風(fēng)管道由于案例實(shí)驗(yàn)室建造時(shí)間較早，故風(fēng)管以碳鋼制為主，為提高實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)性能，本次項(xiàng)目需要根據(jù)布局方案重新設(shè)計(jì)管道。案例實(shí)驗(yàn)室位于整幢樓的二層，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室使用需求，其廢氣以刺激性氣體為主，故優(yōu)選耐腐蝕管道。在管道規(guī)格設(shè)計(jì)方面，為保證管道口徑滿足通風(fēng)量需求，同時(shí)避免噪聲產(chǎn)生，需根據(jù)通風(fēng)量估算管道直徑，根據(jù)上述數(shù)值，管道直徑設(shè)計(jì)為40cm左右。案例實(shí)驗(yàn)室選用兩條管道，分別用于整體通風(fēng)和通風(fēng)柜排風(fēng)，沿墻壁設(shè)計(jì)使用，合并進(jìn)入吸收塔。2.1.4定/變排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相較于以往“定風(fēng)量排風(fēng)+自然補(bǔ)風(fēng)”系統(tǒng)，案例實(shí)驗(yàn)室調(diào)整為“定風(fēng)量+變風(fēng)量”排風(fēng)設(shè)計(jì)。其中，排風(fēng)柜為定風(fēng)量排風(fēng)柜，排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)閥為手動(dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)量整定后不作調(diào)節(jié)。當(dāng)排風(fēng)柜處于開啟狀態(tài)時(shí)，搭配設(shè)計(jì)空調(diào)新風(fēng)換氣。同時(shí)，為使實(shí)驗(yàn)室總排風(fēng)量穩(wěn)定，定風(fēng)量柜門上方設(shè)置旁通百葉，當(dāng)柜門降低時(shí)，旁通排風(fēng)量增大。在變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，排風(fēng)管上的變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥保證排風(fēng)柜門啟閉時(shí)面風(fēng)速滿足控制要求，閥門開度通過面風(fēng)速信號(hào)或柜門位移信號(hào)控制。其他需保持穩(wěn)定排風(fēng)量的排風(fēng)設(shè)施如藥品柜等的排風(fēng)管可采用壓力無關(guān)定風(fēng)量閥，維持排風(fēng)量恒定。其中，排風(fēng)機(jī)可采用定靜壓法或總風(fēng)量法實(shí)現(xiàn)變頻控制。2.1.5補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)受建筑室內(nèi)風(fēng)平衡影響，一般化學(xué)實(shí)驗(yàn)室需保持微負(fù)壓，根據(jù)《科研建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ91—2019）文件，設(shè)置機(jī)械送排風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室建筑應(yīng)進(jìn)行風(fēng)平衡及熱平衡的分析計(jì)算，在排風(fēng)量較大時(shí)應(yīng)設(shè)置機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。案例實(shí)驗(yàn)室主要根據(jù)門窗滲透量確定補(bǔ)風(fēng)量，以自然進(jìn)風(fēng)為主。另外，設(shè)計(jì)使用分散式變風(fēng)量補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，通過單個(gè)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)變頻的方式即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。2.1.6風(fēng)機(jī)選型案例實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量（Q）為10800m3/h，管網(wǎng)漏風(fēng)附加率15%，在該情況下，風(fēng)量計(jì)算公式如下：式中：Q——實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量，m3/h；Qf——風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h。根據(jù)式（2），案例實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)風(fēng)量為12420m3/h。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到系統(tǒng)壓力損失在300Pa左右，同時(shí)存在管網(wǎng)壓力損失（取值15%），外加廢氣處理期間喊聲的壓力損失（取值500Pa），在風(fēng)機(jī)全壓負(fù)差系數(shù)為1.05的情況下，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為888Pa。根據(jù)風(fēng)壓及上述數(shù)據(jù)選擇合適的風(fēng)機(jī)設(shè)備，案例實(shí)驗(yàn)室所選設(shè)備規(guī)格為：流量在8288～16576m3/h；壓力在1116～1760Pa；功率為7.5kW。2.2廢氣處理設(shè)計(jì)由于案例實(shí)驗(yàn)室廢氣以硫酸霧、鹽酸霧為主，均易溶于水，故設(shè)計(jì)選用濕法（噴淋填料塔）吸收塔治理廢氣，治理流程如圖1所示。從濕法（噴淋填料塔）吸收塔進(jìn)行廢氣治理設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從塔徑、填料、噴嘴、壓降、塔高5個(gè)方面入手。圖1廢氣治理流程2.2.1塔徑從廢氣治理角度設(shè)計(jì)噴淋填料塔時(shí)，應(yīng)以操作氣速為依據(jù)設(shè)計(jì)塔徑。結(jié)合設(shè)計(jì)來看，噴淋填料塔操作氣速不可一味提升，當(dāng)該參數(shù)達(dá)到特定程度后，將會(huì)引發(fā)噴淋填料塔壓降驟然升高現(xiàn)象，破壞噴淋填料塔原有的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)的操作氣速又被稱之為泛點(diǎn)氣速[3]。不同物系、不同填料的泛點(diǎn)氣速各有不同。結(jié)合現(xiàn)有研究來看，泛點(diǎn)氣速與密度、粘度、填料因子、空塔速度、重力加速度等指標(biāo)進(jìn)行確定，通常情況下，噴淋填料塔的泛點(diǎn)氣速為2.5m/s。確定泛點(diǎn)氣速后，則可按照泛點(diǎn)氣速數(shù)值確定噴淋填料塔的操作氣速，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，1/2～3/4的泛點(diǎn)氣速則為操作氣速，若泛點(diǎn)氣速為2.5m/s，則操作氣速通常為1.5m/s。隨后則可充分考慮氣體處理量、操作氣速而明確噴淋填料塔塔徑。2.2.2填料噴淋填料塔填料應(yīng)具備優(yōu)異濕潤(rùn)性及較好比表面積，同時(shí)具備良好穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度，且要求質(zhì)量低、氣流阻力低，當(dāng)滿足上述要求后，進(jìn)一步控制填料成本即可。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣治理設(shè)計(jì)期間，可原則階梯環(huán)、鮑爾環(huán)、拉西環(huán)等結(jié)構(gòu)的填料。2.2.3噴嘴噴嘴性能可影響噴淋填料塔運(yùn)行效果，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣治理設(shè)計(jì)時(shí)可選擇螺紋噴嘴，材料為PVC，耐腐蝕性較強(qiáng)，此外，要求噴嘴流道通暢，降低噴嘴液體阻塞問題的出現(xiàn)概率。完成噴嘴材料及結(jié)構(gòu)選擇后，以工藝為依據(jù)確定噴嘴流量及霧化角度。一般情況下，完成噴嘴選擇后，其噴嘴流量已基本固定。從霧化角度來看的，為確保噴嘴能夠充分覆蓋噴淋填料塔內(nèi)部區(qū)域，應(yīng)將霧化角度設(shè)計(jì)為90°，并將噴嘴設(shè)置于特定位置，最大限度地去除廢氣。采用噴淋填料塔方式治理廢氣時(shí)，噴嘴的噴淋覆蓋率應(yīng)控制在200%左右，并實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋。2.2.4壓降噴淋填料塔填料層壓降主要結(jié)合氣體密度、氣體質(zhì)量流率、液體，密度、液體質(zhì)量流率、填料層高度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。但通常情況下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行廢氣治理設(shè)計(jì)時(shí)，所運(yùn)用的噴淋填料塔填料層壓降多為300～700Pa/m[4]。2.2.5塔高填料層高度應(yīng)根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)、調(diào)料直徑、填料比表面積、吸收總共系數(shù)、氣體流量、氣體出入口濃度進(jìn)行確定。此外，設(shè)計(jì)噴淋填料塔高度時(shí)，還應(yīng)同時(shí)確定填料段間隙，而填料段間隙通常情況下處于25～100cm?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室以廢氣治理為目標(biāo)設(shè)計(jì)噴淋填料塔時(shí)，因廢氣內(nèi)的顆粒物成分相對(duì)較少，故無須在噴淋填料塔內(nèi)部額外增設(shè)沉淀槽，可直接于噴淋填料塔下部維持一定液位，將其作為液槽結(jié)構(gòu)即可。2.2.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于案例實(shí)驗(yàn)室每日產(chǎn)生的廢氣以酸性廢氣為主，故塔體結(jié)構(gòu)選用聚丙烯板材，為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加大厚度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與管道設(shè)計(jì)相統(tǒng)一。將氣流分布裝置設(shè)置在填料層下部，將除水裝置設(shè)置在噴淋系統(tǒng)上部，為給后續(xù)檢修、維護(hù)提供便利，將檢修觀察口設(shè)置在塔壁上。2.2.7吸收劑設(shè)計(jì)選用綜合考慮實(shí)驗(yàn)室廢氣主要成分、工程效益目標(biāo)后，案例實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)選用5%氫氧化鈉水溶液作為吸收液。同時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)用27m3/h的循環(huán)用水量。2.3設(shè)計(jì)效益模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)及廢氣處理工程測(cè)試效果，發(fā)現(xiàn)鹽酸霧吸收效率在95%左右，硫酸霧吸收效率在75%左右，室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。由此可見，整套廢氣凈化裝置成本較低，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作維護(hù)使用方便，同時(shí)，可有效改善室內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境，避免重復(fù)建設(shè)、節(jié)約項(xiàng)目成本。3化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)及廢氣治理工程設(shè)計(jì)展望在當(dāng)前時(shí)代背景下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)機(jī)廢氣治理工程愈發(fā)注重環(huán)境保護(hù)與節(jié)能降耗，因此，此類工程的設(shè)計(jì)發(fā)展方向與要點(diǎn)可總結(jié)如下。（1）基于安全前提設(shè)計(jì)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品。優(yōu)選變風(fēng)量控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制排風(fēng)柜風(fēng)俗的同時(shí)，減少運(yùn)行能耗；采用“余風(fēng)量+壓差監(jiān)視”控制設(shè)計(jì)，利用新一代信息技術(shù)實(shí)施監(jiān)控通風(fēng)與廢氣治理情況；為提高通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能水平，采用“雙靜壓控制點(diǎn)”的定靜壓變頻設(shè)計(jì)；設(shè)備產(chǎn)品優(yōu)選國(guó)家節(jié)能認(rèn)證。（2）應(yīng)用U型除濕三維熱管技術(shù)。熱管屬于傳熱元件，利用工質(zhì)汽液相變來吸收和釋放熱量。熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、壓降低、效率高以及無輔助動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，吸收外面流動(dòng)空氣的熱量時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)壓力，進(jìn)而形成熱毛細(xì)動(dòng)力循環(huán)。三維熱管氣流流向如圖2所示。圖2三維熱管氣流流向通過將其安裝于空調(diào)箱表冷器兩側(cè)，能夠高效率處理外部空氣。夏季時(shí)，針對(duì)室外高溫、高濕空氣的處理可依靠該裝置實(shí)現(xiàn)，通過表冷段深度降溫、除濕，然后通過U型除濕三維熱管二次除濕，最后進(jìn)入風(fēng)機(jī)成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的新風(fēng)補(bǔ)償[5]。該技術(shù)裝置可廣泛應(yīng)用于華東、華南等夏季室外空氣高溫高濕地區(qū)及化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，滿足實(shí)驗(yàn)室全新風(fēng)工況運(yùn)行需求，解決空氣