第2章　大气污染控制工程设计

2.1　工程设计

2.1.1　大气污染控制系统

大气污染控制（air pollution control）是为保护和改善大气环境，采取污染物排放控制技术和控制污染物排放政策，减少、清除生产和生活活动过程产生的大气污染物，推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展。大气污染控制工程（air pollution control engineering）就是利用一些特殊装置，通过工程分析、设计、建造、安装和运行，达到预期的污染物去除、污染物排放量减少的效果。

大气污染控制工程涉及锅炉烟气、炉窑烟气、工业废气、机动车尾气、居室及公共场所空气污染、无组织排放源控制等领域。大气污染控制系统的基本组成如图2-1所示，主要由以下几部分组成。

①集气单元。用于捕集污染气流，其性能对净化系统的技术经济指标有直接影响。由于污染源设备结构、生产工艺以及通风方式等不同，集气单元的形式是多种多样的。

②风管。用于输送气流，并将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，达到排放要求后，才能排入大气。

④风机。系统中气体流动的动力设备。为了防止通风机的磨损和腐蚀，通常把风机放置在净化设备后面。

⑤排气筒。净化系统的排气装置。由于净化后废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、悬浮或沉降到地面。为了保证污染物落到地面时浓度不超过环境空气质量标准，排气筒必须设置一定高度。

2.1.2　工程设计程序

2.1.2.1　工程设计概念

工程设计（engineering design）是人们运用科技知识和方法，根据工程项目和法律法规要求，对工程项目的建设提供有技术依据的设计文件和图纸的活动过程，包括建设工程所需的技术、经济、资源、环境等条件综合分析、论证。工程设计不仅是建设项目实施极为重要的环节，也是工业创新的核心内容，代表着现代社会生产力的龙头。因此，工程设计的水平和能力是一个国家工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。

具体地，工程设计包括以下几个方面。

①理解工程建设单位（用户）的期望、需要、动机，并掌握业务、技术和行业上的需求和限制。

②分析、论证工程建设所需的技术、经济、资源、环境等条件，处理好技术与经济的关系。这是设计的意义和基本要求所在。

③提供相关的图纸、工艺设备、建筑、结构、自动控制等系列文件。

与工程设计相关的内容还有工程勘察和工程咨询，可以通过参阅相关资料进行了解。

2.1.2.2　工程设计程序

大气污染控制工程是生产性建设项目的重要组成部分，其设计主要内容是工艺设计（process design），这是由生产性建设项目的特点、生产性质和功能来确定的。工艺设计有工艺规程设计和工艺装备设计两部分，具体内容包括：①了解车间产品产量和生产工艺过程，了解使用原辅材料、燃料、水、电等，掌握废气污染物组成、浓度、废气量及排放特性；②拟定废气处理工艺，说明工艺流程、主要设备和辅助设备的规格及数量，确定工程占地面积、设备平面布置和剖面高度，明确蒸汽、空气、电力等需要量和供应方法，拟定安全技术与劳动保护措施；③计算废气处理过程对药剂等材料的需求量，以及给排水量，确定必要的工时与劳动力消耗量，计算固定投资、运行成本和投资效益；④确定污染处理项目的管理体系，明确任务和其他环节之间的协作联系，拟定工作制度等。

下面，我们通过“工艺设计”阐述大气污染控制工程项目如何从设想、计划阶段到具体实施阶段。设计程序中的主要环节是拟解决的问题分析、甄别，以及工艺和设备的比选。每个环节，工程师必须评估可供选择的各种方案，并选择技术可行、经济合理的最终方案，同时分析所选方案可能涉及的所有相关问题，如二次污染控制、资源回收利用等。

以一个粉尘处理工艺选择为例，说明工艺设计的具体步骤。某公司生产木质层压板产品，碎木原料干燥过程会产生大量的肉眼可见的细粉尘，从干燥工序排出的废气粉尘浓度超过了允许的排放值。在这种情况下，企业需要从感官和监管角度对排放的粉尘进行治理。处理工艺设计程序如图2-2所示。

第一步，现场测量排放的气流量，对排放气体采样，带回实验室分析粉尘浓度及其粒径大小分布。核算企业所用材料的物料平衡，掌握处理工艺设计所需的数据信息，包括气体流量、粉尘浓度、气体温度和压力等。结合排放控制标准，明确处理工艺需要的处理效率。

第二步，选择处理工艺。粉尘处理工艺有旋风除尘、静电除尘、过滤除尘和湿式洗涤除尘等，工程师需要对每种处理工艺的去除效率、产生的次生问题等进行评估。来自干燥的木质类粉尘具有易燃性，因此，电除尘器基于安全考虑被排除，湿式洗涤除尘因涉及污泥处置（含水的木质粉尘）不被接受，旋风除尘只能起到预处理的效果，过滤除尘对细粉尘拦截效率高，但木质粉尘有一定黏性。

综合考虑，选择旋风除尘作为预处理、过滤除尘作为深度处理。进一步地，考虑旋风除尘器结构、去除负荷，过滤除尘器的滤袋材料、去除负荷、操作压降、清灰方式等。另外，还需考虑旋风除尘和过滤除尘后的细粉尘收集、回收利用等处置措施。

第三步，具体参数设计。主要包括旋风除尘器进口、筒体、锥体、出口等结构单元具体尺寸计算，过滤除尘器的滤袋面积、数量、清灰时间，输送系统（管道）布局、支干管尺寸、压降计算，整个系统风量、压降、风机功率、摆放位置等，以及资源回收利用系统的设计。工程设计还需要绘制工艺流程图、平面布置图、控制系统图、设备基础图等。

第四步，工程实施。包括工程建设和工程开机调试运行两个环节。

第五步，技术经济评估和工程验收。工程调试完成后进入正常运行，需要对设计的工程系统进行技术和经济方面评估，优化局部参数，为下一个工程设计总结经验。技术和经济评估包括去除效果、单位能耗、运行成本、资源回收利用情况等。工程验收是项目委托方（或用户）依据前期签订的合同条款，检验工程项目整个过程落实到位情况，并作出完整评价。

污染控制工程与其他构筑物建设、生产线设计、产品开发一样，也需要贯彻绿色、可持续的设计理念。因此，工程师要尽可能使用更少的能源和资源，实现可持续设计。

2.1.3　工程设计主要内容

2.1.3.1　大气污染控制系统设计的基本内容

如2.1.1所述，大气污染控制系统包括污染物的捕集装置（集气罩）、净化设备、管道系统、风机及排气筒五个部分。因此，设计内容主要包括集气方式及罩结构形式、安装位置以及性能参数确定；净化效率要求、净化方法、技术经济指标比较、型号规格及运行参数等；管道布置、管道内气体流速确定、管径选择、压力损失计算；通风机选型，排气筒高度、出口直径、排气速度等。

当然，为满足污染控制系统正常运行的需要，还应根据具体处理对象，如污染物特性、企业装备水平等，增设一些设备和部件，如高温烟气的冷却装置、余热利用装置、满足钢材热胀冷缩变化的管道补偿器、输送易燃易爆气体时所设的防爆装置，以及用于调节系统风量和压力平衡的各种阀门、测量系统内各种参数的测量仪表和控制仪表、降低风机噪声的消声装置、满足管理要求的自控系统等。因此，整个控制系统可能需要完成上述系统增加设备及部件的设计。

2.1.3.2　工艺流程图

工艺流程图提供了处理工艺的图形描述，可以是简单的框图，也可以是含显示仪表和工艺操作条件的详图，其详细程度主要由工程设计时间阶段和流程图的使用功能所决定。

工艺流程图在工程设计过程的每一个环节都是非常有用的。初期，可以使用简单的定性流程图来表示各工艺单元的连接，包括处理流程的各个单元连接和处理系统与生产车间设备单元的连接。如使用固定炭吸附床从干燥单元排气中回收甲苯和乙酸乙酯的混合溶剂项目，初期的流程图如图2-3所示，定性描述了该吸附回收工艺的基本组成。

随着设计工作的深入，流程图被逐渐完善、细化。例如，吸附床经蒸汽再生后用热空气进行干燥。由于乙酸乙酯微溶于水，如果回收的溶剂混合物仅作为燃料燃烧，则不需要进一步分离；否则，需要采用蒸馏步骤，将滗水器的含水混合溶剂进行蒸馏分离，脱水后的溶剂返回到生产工序使用，详细流程图如图2-4所示。详细的流程图有利于列出设备清单，可以初步估算成本。此外，详细流程图还包括了流体流向和控制仪表等信息。