恶臭真空瓶洗脱设备的开发与应用分析

1.研究背景

近年来，关于恶臭的环境污染事件逐年增多，恶臭监测工作也明显增加。这就使得真空瓶的重复使用频率在不断增加。真空瓶每次使用之前要对其进行清洗，对于化学性质活跃且吸附性不强的恶臭气体，一般采用抽气泵进行吹洗;对于化学性质不活跃或吸附性强的恶臭气体，要采用高温蒸煮或是重铬酸钾洗液对真空瓶进行处理，该方法存在一定的安全隐患，并且这两种方法都会使得真空瓶的处理过程较为繁琐，无法满足大批量采样、连续执行监测任务的要求。虽然国外生产的一次性采气袋可避免上述问题，但限于成本等问题，今后一段时间真空瓶仍然是一些地市级监测站的主要采样设备，因此，现今开发一套工作效率高，操作简便的蒸汽清洗设备用于真空瓶的洗脱，具备上述各种方法的优势，对各种性质的残留恶臭气体均达到较好的洗脱效果。

2.设备运行原理

本设备通过高温产生的蒸汽，具备一定热分解功能，根据观察喷射出蒸汽可以达到大约1 0m/s的速度，可以加快污垢面分子的运动速度，通过破坏它们之间的结合力，来达到清除各种残留气体的目的。

对于气体，可忽略重力，此处各项分别称为静压、动压和总压。高压蒸汽在未被喷出之前，具有较大的压力，即静压大;在被喷出后，静压基本消失，根据该方程能量守恒，能量转化为气体的动能，因此蒸汽可以获得较大的速度。

此外。恶臭气体一般可发生氧化、吸附、溶解等反应。当蒸汽喷入到瓶内，一部分蒸汽会冷凝为水，可以溶解一部分的恶臭气体，从而也可达到洗脱恶臭气体的效果。

3设备研发

本项工作选择了一台小型电热蒸汽发生器作为基础设备，该电热蒸汽发生器不同于一般的蒸汽锅炉，其原理是在小型水泵的作用下，微量的水流经高温加热体，在流动过程中吸收热量气化变为蒸汽，该设备所产生的蒸汽具有一定的压力和温度。该蒸汽洗脱设备是以一台电热蒸汽发生器为核心部件，在此基础上，对其进行一定程度的改造，并加装相关设备、配件，将其开发改造成为适用于恶臭气体洗脱的设备。根据实际工作的要求，蒸汽的温度设定在100-200℃之间为最适宜，温度过低达不到洗脱要求;如温度要求至200℃以上，不仅设备造价高、体积大，而且易造成安全隐患、耗电量还会增加。同样基于安全的考虑，蒸汽压应控制在10Bar以内。此外，考虑到耗水量及水箱的体积，选择4-6L的水箱为宜。

3.1电热蒸汽发生器

电加热蒸汽发生器主要由供水系统、自控系统、炉胆与加热系统及安全保护系统等组成。它的基本工作原理是:通过一套自动控制装置，确保运行过程中液体控制器或高、中、低电极探棒反馈控制水泵的开启、闭合、供水量长短、炉胆加热时间;由压力继电器调定的最高蒸汽压力随着蒸汽的不断输出，炉胆水位不断下降，当处于低水位，缺水指示灯亮，应向内部补水;到高水位时，满水指示灯亮;与此同时，炉胆内电热管继续加热，源源不断产生蒸汽。 炉胆本体一般均采用锅炉专用无缝钢管制成，呈细长直立式。电加热系统采用的电热管大多由1根或多根不锈钢电热管弯曲组合而成，其额定电压通常为220V。而其表面负荷一般在20w/cm左右。由于发生器正常工作时有较高的压力和温度，安全保护系统可使其在长期运行中安全、可靠、高效。

3.2设备开发改造过程

3.2.1水箱

安装一个放置水的圆形容器，体积设计为4L，上下部安装有液位计。下部与导管相连，用于供应水。底部安装了一阀门，在设备停止使用的时候，将多余的水排出水箱，避免残留在设备内对设备造成影响。

3.2.2液位计

本设备安装了一个水箱，体积为4L，在水箱的低水位和高水位处均安装了液位计，其中低水位安装在O.5L处，高水位安装在3.5L处。其原理是磁翻板液位指示器安装在桶槽外侧，用以指示和控制桶槽内的封形式，可根据需要加装排污阀。接续法兰是一种可接受定制液位高度的控制仪表，指示器由磁性色片组成，当本体管内的磁性浮球随液位上升时色片翻转，即可显示液位高度。也可在本体管上加装磁性技术，开关或远传变送器，输出开关信号或模拟量信号。适合用于高温、高压、耐腐蚀等场合。

3.2.3水路系统

安装电控电路以及水泵。当水源进入水箱后，打开电源开关，经自控信号的驱动，耐高温电磁阀打开，水泵工作，通过单向阀注入炉胆。当电磁阀、单向阀堵塞或损坏，供水达到一定压力时将经过过压阀溢水回到水箱，从而保护水泵。当水箱断水或在水泵管路内有残余空气时，只进空气不进水，只要通过排气阀迅速排气，待有水喷出，关闭排气阀，水泵就能正常工作。供水系统中最主要的部件是水泵，本设备由于用水量较小，因此采用膜片泵。

3.2.4气路系统

在加热体上方，水转变成蒸汽，此时，蒸汽本身具备一定的压力，通过一根蒸汽管向设备的外部输送。设备外接管接头通过连接与喷枪相连，使用时扣动喷枪下部的扳机，具有一定压力的蒸汽即从喷口喷射而出。

3.2.5气体温度干湿转初调节

通过调节按钮，调节加热体的电阻使其具备不同的电能，不同电能转化为相应的热能，从而达到调节温度的作用。应用到本设备内，温度低即体现为水多汽少;温度高即为水少汽多。

3.2.6布置控制开关、按钮及控制面板

为了使该设备的操作明确无误，掌握设备内部各部件的运行情况，安装了指示灯、控制按钮、电源开关等。

3.2.7打造不锈钢外壳及底座车轮

为了保护内部部件，使其正常运行，并考虑到日常的使用需求，方便其移动:在外部打造了一个不锈钢外壳，在底座处安装了车轮。

3.2.8安装蒸汽喷枪

蒸汽喷枪的原理类似于加油枪，主要有枪体、主阀、顶杆、开关膜、自封杆、自控杆、喷嘴等组成。工作时，打开喷枪，高压蒸汽通过枪体及出管路，同时高速的蒸汽通过伞状主阀产生负压气流，主阀打开，蒸汽进入枪体主、副阀间空腔，克服副阀弹簧阻力推开副阀，经喷嘴喷出。

3.2.9设置强排系统

该设备水箱下部安装一阀门，可以将水箱内的水排入，但无法将设备系统内部的水排出，以此加装了强行排出，通过空气反吹，将导管内的水排出。

3.3设备运行过程

设备接通电源前，手动将水添加到水箱内;接通电源后，电源指示灯亮。此时，如缺水指示灯亮，并伴有蜂鸣声警示缺水，应继续向水箱添加水;如满水指示灯亮，则应停止加水，并打开水箱底部阀门，放出一部分水。

待水位正常时，打开启动开关，加热指示灯亮，大约等待1 min后，即可有蒸汽供应。通过扳动喷枪扳机，可将蒸汽喷出。蒸汽的干湿度可有相应按钮调节。

停机后先关闭启动开关，打开喷枪将所有剩余蒸汽全部喷出，水箱水应排空，同时按下强排开关，排空管路中的积水。

4.设置运行效果测试

4.1实际使用效果测试

在验证过程中，采集三种气体，分别为制药发酵罐发酵气体、三磷酸二甲脂、硫化氢标气发酵气成分主要为小分子有机气体、胺类等混合气体，吸附性不强，易分解;三磷酸二甲脂、硫化氢吸附性较强，但由于自身化学结构的特点，吸附性有一定差别，因此选用三种气体作为本项目实验用气。其中发酵气、亚磷酸三甲脂(二者均在某制药有限公司采集)均采集两瓶，分别使用蒸汽洗脱与抽气泵吹洗进行处理;硫化氢标气采集三瓶，分别使用蒸汽洗脱、抽气泵吹洗以及高温蒸煮进行处理。对比不同处理方法的效果。其中洗脱时间设定为30s,温度设置为最高，即干湿旋钮调质最左侧干处。

其中，采集完污染源样品，当日进行嗅辨。然后将真空瓶放置1d，用于模拟气体在真空瓶内的吸附过程;1d后分别用不同的方法对真空瓶进行处理，观察处理效果。其中由于条件所限，发酵气和亚磷酸三甲脂只采集了两个真空瓶，没有进行蒸煮处理。硫化氢标气采集了三个真空瓶，在设备洗脱、空气吹洗的基础上增加蒸煮处理实验。根据该标气的浓度以及硫化氢的嗅阂值进行推算，该标气的臭气浓度约为2000左右。

4.2结果分析

(1)采集发酵气体的真空瓶通过不同处理方法的嗅辨结果比对:在工艺属于发酵工段的有机含氨废气，一般分子量较小，链短，大多吸附性不强，属于易挥发气体，因此空气吹洗的处理结果与蒸汽洗脱处理的差别并不是很大。

(2)采集亚磷酸三甲脂气体(CC3H903P)的真空瓶通过不同处理方法的嗅辨结果比对，蒸汽洗脱效果要好于空气吹洗的效果。其中该气体的化学结构属于极性结构:亚磷酸三甲醋是无色透明液体，有刺激性臭味，易燃。是一种重要的农药中间体，属于极性结构，具有一定的吸附性。在实验中，采集该气体的真空瓶放置1d，经空气吹洗后，通过嗅辨发现依然有一定的气味残留吸附在真空瓶内部，如果再用此真空瓶采集恶臭气体，明显会对下次嗅辨结果造成影响。

(3)采集硫化氢标气的真空瓶通过不同处理方法的嗅辨结果比对，蒸汽洗脱与高温蒸煮的效果要好于空气吹洗的效果。但高温蒸煮大约需要40min且最多一次只能处理两个真空瓶，处理效率大大低于蒸汽洗脱。硫化氢的化学结构同样为极性结构，具有吸附性。硫化氢是硫的氢化物中最简单的一种。其分子的几何形状和水分子相似，为弯曲形。中心原子S原子采取spa杂化，电子对构型为正四面体形，分子构型为V形，硫化氢分子结构S-H键角为92.10,属极性分子。

亚磷酸三甲脂与硫化氢属于极性分子，极性分子中正负电荷中心不重合，从整个分子来看，电荷的分布是不均匀的，不对称的，这样的分子为极性分子，以极性键结合的双原子分子一定为极性分子，极性键结合的多原子分子视结构情况而定。极性分子具有一定的吸附性，且一般的空气吹洗不能完全清除，会有一定的残留。

通过真空泵吹洗后，亚磷酸三甲脂瓶的臭气浓度大于硫化氢瓶的臭气浓度，证明亚磷酸三甲脂吸附性大于硫化氢，原因可能是分子键能不同以及空间分子结构的差别所导致的结果。

5结论

通过以一小型电热蒸汽发生器为核心部件，通过开发、改造出一套能有效洗脱恶臭气体、适应恶臭监测要求的蒸汽洗脱设备;通过不同处理方法的对比验证，表明蒸汽洗脱相比于空气吹洗、高温蒸煮在处理效果、效率方面具备一定的优势。同时，在处理吸附性较弱气体时，空气吹洗基本可以达到与蒸汽洗脱一样的效果，但是相比蒸汽洗脱，该方法经济性更好，因此在处理此类气体中，可优先推荐空气吹洗法。

本项工作由于设备及日常工作的所限，实验的频次偏低，导致现场采集的发酵气和亚磷酸三甲脂气体嗅辨结果平行性有所差距。今后应扩展实验对象，加大实验频次，探索不同性质恶臭气体的洗脱方法;此外，通过蒸汽洗脱虽然可以将恶臭气体排出真空瓶，但排出气体的同时会对周围环境造成污染，今后设计一套废气收集系统，减少对周围的影响。