环境工程设计-方法选择与工艺流程设计

第四章方法选择与工艺流程设计污染治理系统设计工艺设计非工艺设计土建电气控制动力采暖通风给排水工艺设计任务污染治理方法选择物料流向工艺流程设计能量变化设备设计与选择工艺流程图、车间工段布置图工艺管道设计：主、辅设备间联通的管道设计非工艺项目的条件提出编制概/预算书主体设备与辅助设备间的工艺关系主要物料辅助物料主体设备工艺参数确定辅助设备选型流程运行操作条件和控制方式（1）治理方法的选择治理方法和工艺路线的选择是所有环境工程设计最重要的开端，必须对各种治理方法作全面的分析，进行技术经济比较，选择合理的治理方法。（2）工艺流程设计以图解的形式表示出整个治理过程的全貌，即从待处理的废气、废水或固体废弃物到处理达标排放或实现无害化，需要经过那些过程和设备，这些设备之间的关系、衔接以及它们的相对位差如何，并对流程图作出叙述等。一般而言，工艺流程设计开始最早而结束最晚。（3）物料计算在物料衡算的基础上求出废气、废水或固体废弃物及它们中的污染物、处理剂等进、出处理系统的各种物料的质量、体积和成分等，最后汇总出物料平衡表或原材料消耗表。通过物料衡算，设计工作由定性转入定量阶段，可以正确地进行能量计算、设备计算和工艺流程设计。（4）能量计算根据能量衡算确定传入或传出的热量，加热剂（或燃料）或冷却剂的消耗量，同时结合设备设计，可算出设备的传热面积，最后得出能量消耗综合表。能量计算一般在物料计算后结合设备设计一起进行。（5）设备设计与选择通过计算，确定保证达到处理能力和达标排放的设备结构和尺寸。对非标准设备必须进行单独的设计计算，对标准设备则根据计算结果进行选择。在某些环境工程设计中（例如湿法烟气脱硫系统中烟气再加热设备的设计，催化燃烧法处理有机废气系统中利用燃烧后的高温净化气预热低温待处理有机废气换热器的设计等），设备的设计也包括换热面积的大小，因此“设备设计”和“能量计算”常结合在一起进行。设备设计的最后结果是得到“设备示意图”和“设备一览表”。（6）车间（工段）布置设计目的是解决厂房、场地的配制与设备的排列问题。首先要对车间的各工段、动力间、机修间、化验室、仓库、办公室等作出整体布置和厂房轮廓设计；整体布置和厂房轮廓设计基本就绪后，即可进行设备的排列与布置工作。车间布置设计常同建筑及其他非工艺设计项目发生密切关系，设计工作常是交错进行的。在施工图设计阶段，尚有设备安装设计。（7）工艺管道设计大部分工作在施工图设计阶段完成，其主要内容有：管道设计（包括各种介质、管径计算、管道材料、管壁厚度和选择以及管道的配置等）；管道地沟断面条件、位置的确定；管道架设方法；管架、保温设计等。（8）工艺系统的操作条件和控制条件需要提供两个文件，即:a）系统检测、控制条件，是自控人员进行工作的基础；以及，b）统操作条件/规程，是系统运行的规范（9）其他非工艺设计项目的考虑当车间工艺设计基本告一段落后，其他非工艺设计项目（设备的机械设计、自动控制、土建、采暖、通风、动力、电气等）就要着手进行。这些非工艺项目设计的根据是由工艺设计提供的资料。因此在进行工艺设计的同时，就要考虑其他非工艺设计的条件，以使其他非工艺设计能更好地为治理工艺服务。（10）绘制设计图纸，编制设计说明书。图纸包括PFD图、PID图、平面布置图、甚至立面布置图等，还要编制设计说明书。（11）编制概（预）算书概算是根据初步设计的内容，大概计算每项工程项目建设费用的文件，列入初步设计文件；预算是根据施工图设计内容，计算每项工程项目建设费用的文件，列入施工图设计文件。治污工艺选择原则合法性先进性可靠性结合实际情况简洁和简单安全性选择方法收集资料设备、设施、仪器等的落实全面比较治污工艺路线的最终确定[例1]汽车、家具喷漆，印刷等行业排放出的含苯系物有机废气的治理，其处理方法有几种可供选择。实际中，要根据具体的情况来确定处理的工艺路线，如果排放要求较为严格，可采用几种处理方法联合使用：含苯有机废气处理方法对比处理方法处理原理主要设备处理效果投资状况运行费用吸收法气体在液体中的溶解度吸收塔中等中等中等吸附法吸附剂较大的表面积吸附塔良好较高较高催化法催化剂降低活化能催化燃烧塔良好较高高冷凝法降低温度达到露点冷凝器中等较高高燃烧法燃烧使有机物氧化燃烧器较好较高高电晕法电晕放电的物化过程电晕反应器良好中等较高生化法微生物的生命活动生化反应器较好中等较低含苯有机废气处理方法对比（续）处理方法优点缺点备注吸收法工艺路线较为简单吸收液处理处理浓度较高吸附法处理效果好吸附剂再生费用高处理浓度较低催化法处理效果好运行费用较高处理浓度较高冷凝法能回收有用物质运行费用高，只适用高浓度废气处理浓度较高燃烧法工艺简单运行费用高处理浓度较高电晕法工艺简单、管理方便处于实验阶段生化法运行费用低、无二次污染生物抗冲击能力差处于实验阶段例如：汽车、家具、印刷等行业的有机废气治理的工艺路线选择：含苯有机废气处理大致工艺路线焦碳去除漆皮水幕纤维过滤吸收预处理含苯有机废气吸附净化深度净化风机烟囱[例2]啤酒生产主要以玉米和大麦为原料，加入啤酒花和鲜酵母进行酿造而成。其废水主要包括浸麦废水、糖化废水、废酵母液、洗涤废水和冷却排水等。污水中的主要成分为糖类和蛋白质，主要水质指标为COD=1000～2500mg/L，BOD=700～1500mg/L，SS=300～600mg/L，pH=5～6，属于中等浓度可生物降解的有机废水。该废水处理工艺路线有以下几种选择：选择说明：①如果废水浓度较大，需要进行多级才能达到排放标准；②同时有高浓度和低浓度废水时要分别进行处理；③如果场地较小，要选择占地较小的处理工艺。[例3]城市污水成熟的处理工艺路线是：预处理、一级处理、二级处理、三级处理(深度处理)和污泥处理，其中的核心部分是二级的生化处理。目前，预处理都是格栅和沉沙池，原有的二级生化处理是指活性污泥法，现在由于处理的要求提高，不仅要去除有机污染物，而且要去除氮和磷等污染物，因此就在活性污泥法这一成熟的技术上延伸和发展出新技术、新工艺和新设备，并被开发和推广应用，这些方法有A－B法、A2／O法、SBR法、ICEAS(改进的SBR法)、氧化沟及酸化水解与耗氧串联处理工艺等。现在我国的城市污水处理的二级生化处理基本上是采用以上工艺流程，因此在设计城市污水处理流程时，可采用上述的处理方法。[例4]在除尘系统中防止风机噪声时，一种方法是采用帆布类进行风机进口软连接，另一种是对风机本身进行加大基础或单独设计基础，即设计减振的措施，这些都是成熟的技术，在设计中可以采用。[例5]采用吹脱法处理含氨废水，如果不对吹脱的气体进行有效的处理，就会把水中的氨转换成空气中的氨，造成污染物转移，这样并没有达到真正的去除氨的目的。可用HCl吸收吹脱气体中的氨，避免污染物的转移。避免二次污染物的产生：[例6]采用燃烧法处理固体废弃物，因固体废弃物中的成分十分复杂，如果燃烧的温度较低，不仅固体废弃物中的碳不能完全燃烧，会产生碳的小颗粒，污染环境，而且有机物燃烧可产生二噁英类物质，这是国际上公认的致癌物质，所以设计燃烧温度应在805℃以上，可避免二次污染物的产生。避免二次污染物的产生：[例7]采用燃烧法处理有机废气时，由于燃烧可使排放的烟气温度较高，具有较大的热量，因此可使排放的烟气经过热交换器，将热量交换给要进燃烧室的废气，以减少能量的消耗，其工艺见图：处理量较大时选择连续的处理工艺对于连续生产产生的污染，要处理的量较大时采用连续的处理工艺较为适宜。[例8]催化燃烧法处理浓度较高的有机废气时，在该工艺开始启动(开车)时，需要进行加电预热，启动后就可利用有机物自身燃烧产生的热量进行工作，维持整个系统的稳定。该处理工艺需要采用连续的处理工艺。处理量较小时选择间歇处理工艺生产规模较小，产生的污染不是连续的，且要处理的量小,时可采用间歇的处理工艺。[例9]清洗汽车产生的废水是不连续的，考虑处理工艺应是间歇性的处理工艺。尽可能回收有用的物质：在生产中排放的污染物有些是有回收价值的，在处理时要充分考虑这些污染物的回收利用，尽量做到能直接利用收集的污染物，同时要还要考虑以废治废。[例10]采用以萘为原料的流化床法生产苯酐时，在其热熔工序中产生含顺酐的有机废气，顺酐被水吸收成为顺酸水溶液，由于顺酸可异构为反丁烯二酸，其溶解度甚小，在室温下就可从母液中结晶析出，从而生产了有用的物质。考虑处理能力的配套性和一致性，且要有一定操作的弹性：设计的处理能力一般要略大于实际所需要的处理量，使处理能力有一定的富余量，以使处理系统能适应实际的变化。选择设备的处理能力不能过大或过小，与实际要基本一致；对易损和易坏的部件采用双套切换，保证系统能正常运行；一般的配件要选择基本一样的，如选择法兰的螺丝尽量使整个系统的一致。工艺流程设计工艺流程设计的主要任务是设计各个污染物处理单元的具体内容、大小尺寸、顺序和排列方式，以达到有效处理污染物的目的★设备大小尺寸等主要依靠工艺计算来完成★设备的组合依据工艺要求来进行设计物料流向工艺流程设计能量变化主体设备与辅助设备间的工艺关系主要物料辅助物料工艺流设计设备工艺参数，（主要设备、辅助设备、管道）监测控制方案，PID图操作运行方案工艺计算工艺计算常包括物料衡算、能量衡算以及工艺设备的计算。物料衡算是设计的基础，能量衡算等其他工艺计算都必须以物理衡算结果为依据★明确物料衡算范围★明确衡算系统中的化学变化★明确计算对象★选择计算基准★画出物理衡算示意图能量衡算的作用★确定流体输送机械（泵、压缩机、通风机）和其他操作机械（搅拌机、过滤机、粉碎机等）所需功率★确定各单元过程（如冷却过程等）所需热量、冷量、及其传递速率★核算能耗能量衡算时常常需要考虑的能量：★物料带入的能量★过程的热效应★加热设备时所需的热量★加热（冷却剂）带入（走）的能量★物料带出的热量★热损失如图所示，有一气体洗涤除尘塔（湍球填料），不洁净气体从塔的底部进入，用离心水泵从槽抽水，送至洗涤塔顶部喷下，从上往下与气体逆流接触，污水从塔底经过水封排出，经过洗涤后的气体（净气）从塔的上部引出，已知：填料除尘塔水封不净气净气离心泵水槽00'Z1Z222'11'1．处理干气量2442.82Nm3/h；2．洗涤塔的操作温度为35℃（塔内平均温度）；3．操作压力为3100mmH2O（表压），全塔压降为100mmH2O；4．湍球填料经验操作空塔气速ws=2.5m/s，喷淋密度40m3/m2h；5．塔顶水进口处距地面的距离为11m，地下水槽液面距地面3m；6．地下水槽液面上的压强为750mmHg；7．泵的效率为60％；8．管道的阻力损失10mH2O；求：1．洗涤塔内径；2．泵的轴功率及电机功率一、洗涤塔内径的计算设进塔气体被水蒸气饱和，可由《手册》查得35℃的饱和水蒸气分压pH2O=42.17mmHgp进=750+3100/13.6=977.94mmHgp出=750+3000/13.6=970.59mmHgp平均=(977.94+970.59)/2=974.07mmHg则进塔气体中水蒸气量：OHOHpppvv22平均干水汽84.11317.4207.97417.4282.2442水汽v92.222007.97475027335273)84.11382.2442(操作v561.036005.214.392.222044swvD60.2360055.014.392.222042swNm3/hm3/hm/s操作状态下的气体量：塔内径：m取整，D＝0.55m；核算实际空塔气速：二、泵的功率计算1．每小时泵需要输送的液体量：泵每小时需要输送的液体量可根据喷淋密度而求得。根据条件，喷淋密度40m3/m2h；则小时液体用量：W=（3.14/4）×0.552×40=0.785×0.552×40＝9.5m3/h2．能量衡算选择地下水槽的液面1－1’截面为基准面0－0’，列1－1’截面与2－2’截面的能量衡算式（即柏努利方程式）：fhpgwzpgwzl2222121122gw221gw2221