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前言

集气罩主要是进行污染气体的捕集，由于设备污染源和生产操作工艺的不同，相应集气罩的形式是多种多样的。合理的设计和正确的使用对净化系统技术经济指标有直接影响。本文提出结合工厂生产的实际情况进行合理设计，使相关环保设备对有害气体的控制，取得了一定效果。

集气罩设计

密闭型

密闭型集气罩是将污染源局部或整体密封起来，使污染物的扩散被限制在一定的空间内，便于捕集和净化处理。但密闭型的必须在罩口留有必要的工作区或物料进出口，以及设有观察窗和检修门。

图1为PVC产品的印刷车间生产过程中集气罩结构，由于化工原料散发出刺鼻的气味，及有害气体的浓度极高，虽然加装了大功率的抽气吸味装置，由于机台转动工件随输送线运动及风扇等横向气流的干扰，集气罩结构不理想，捕集效果不好，致使大量气体外逸。针对这种情况改成密闭型结构如图2所示，将输送线全部密闭，由进出料口进风，通过罩口进行抽吸空气，使密封罩内保持负压，这样有效的控制了污染空气的扩散。从理论上分析，罩内的排风量Q为：Q=VA（m3/h） （1）

V—通过开口及缝隙处流速m/s；A—开口及缝隙的总面积m2。

从式(1)可知，若保持流速V不变，减小密封罩开口面积A，相应排风量Q减少，从而可使系统运行能耗降低。由于密封罩足够严密，使罩内能维持一定负压，防止污染气体逸出，车间内的生产环境明显好转。

因此，密封型集气罩是最经济有效，即是集气罩设计的首选型式。

外部型

当受到生产设备和工艺条件限制不能将污染源全部或局部密封时，可采用外部型，即将集气罩设在污染源近旁，将罩口对准污染源，靠罩口气流运动把污染源散发出来的混合气体吸入罩内。由于罩口离污染源有一定的距离，易受到其他方向气流干扰，与密封罩相比需要较大风量才能控制污染气流扩散，捕集效率较低。因此，根据目前各种形式集气罩的使用效果比较，合理的设计罩口能得到较好的效果。

设计实例分析

图3为工业生产中广泛使用的装配加工生产线的集气罩结构，采用大尺寸罩口，罩口吸气面积A较大，需配以较大排风量，因而不能有效集中控制风量吸捕污染源散发出来的污染气体。

若将其设计改为如图4所示，即在罩内加装弧形挡板，使整体大罩口被分隔成小罩口，对准工件（污染源）上方，这样大大减小了罩口面积A，相应排风量Q减小，使用较小的吸风量即有效的控制了污染气体的逸出，产生了较好效益。

图5为循环烘箱工件脱模工序的集气罩结构，经加热后的化工制品及模具离型剂，产生了大量的有害气体，为了有效吸气和不妨碍工人操作，将集气罩置于工作台的正上方，罩口距离较远，这样不仅增大了罩口的吸气范围，而且容易受到室内其他气流干扰，同时在污染气体抽吸入罩口过程，经过操作人员的口、鼻，直接危害工人的健康。

若将其设计改为如图6所示，即将集气罩置于操作人员的另一侧，并贴近污染源，这样使集气罩口面积减小，排风量也降低，用较少能耗得到所需的捕集速度，同时避免污染气体被吸入操作人员的口、鼻，改善了工作环境，保证了工人身体健康。

其他形式集气罩

工业生产过程中由于工艺操作的特点及现场实际情况集气罩必须满足其特殊要求，如喷漆工序产生大量的过剩雾化颗粒与周围空气形成的混合污染气体，通过罩口直接吸入就增加了净化设备的负担，且滞留、粘附于管壁的油漆不易清理。

如图7根据该工艺特点在集气口前加装了喷漆水嘴及挡板，使之形成一道水帘，喷漆枪喷出雾化的油漆经过挡板阻隔及水帘过滤后，利用导风板将处理后的混合气流吸入罩内，这样有效的控制了污染向周边环境扩散，减轻了净化设备的负担，也避免了油漆粘附于管壁，简化了日后的维修清理，水帘式喷漆机台的吸气结构较为经济，有效的控制喷漆工序造成的周边环境污染。

在某些情况下外部罩与污染源距离较远，结构上不允许将罩口靠近污染源，单纯依靠罩口的抽吸气流作用往往控制不了污染源的扩散。

采用图8吹吸式操作台联合罩结构产生了较好的效果。

联合罩利用吹气气流（喷射气流）比吸气气流速度衰减大数十倍的特性，即在一侧吸气的同时在另一侧吹出气流，形成一道气幕，从而组成吹吸联合集气罩，有效的阻止了有害气体外逸扩散，有效的提高了控制效果。吹吸式集气罩由于依靠吹吸气流联合对有害气体进行控制输送，具有风量小，污染控制效果好，抗干扰能力强，不影响工艺操作等的优点，近年来在国内外得到了日益广泛的应用。

结束语

工程应用中如何确定集气罩的结构形式是一个相当复杂的问题，通过实例分析比较，集气罩应结合具体不同使用环境，不同工作用途，以及污染源的状况而进行设计，可提高集气罩的控制能力和净化效果。对应用不良的集气罩，在不影响生产工艺和生产操作的前提下，进行合理改进，可获得风量能耗小，对有害物从污染源散入环境的控制效果较好等技术经济指标,一定程度上保证了操作工人的健康

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文章导读

introduction

目前，大气污染防治引起社会各界的广泛关注，尤其是VOCs污染治理；集气罩主要是进行污染气体的捕集，由于设备污染源和生产操作工艺的不同，相应集气罩的形式是多种多样的。合理的设计和正确的使用对净化系统技术经济指标有直接影响。

集气罩：是废气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。

本文(第一部分)从净化系统的组成及系统设计的基本内容、集气罩的集气机理、集气罩的基本类型、集气罩性能参数及计算、集气罩设计的方法等方面内容，全方位分析集气罩与管道系统的设计知识。

集气罩与管道系统的设计

主要内容

●净化系统的组成及系统设计的基本内容

●集气罩的集气机理

●集气罩的基本类型

●集气罩性能参数及计算

●集气罩设计的方法

●废气净化系统设计（第二部分）

1

净化系统的组成及系统设计的基本内容

局部排气净化系统的组成

局 部 排 气 净 化 系 统 示 意 图

1、集气罩；2、排风管；3、净化设备；4、风机；5、烟囱；

(1) 集气罩:集气罩是用来捕集污染空气的，其性能对净化系统 的技术经济指标有直接的影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式是多种多样的。    

(2)风管:在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使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，达到排放标准后 ，才能排人大气。    

(4)通风机 :通风机是系统中气体流动的动力。为了防止通风机的磨损和腐蚀 ，通常把风机设在净化装备的后面。      

(5)烟 囱: 烟囱是净化系统的排气装置。由于净化后的烟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，并最终沉降到地面。

局部排气净化系统设计的基本内容

1、捕集装置设计（结构、安装、性能）

2、净化系统的选择或设计

      (1)选择依据

      a.污染物的种类与性质；              

      b.处理量；                    

      c.净化效率；        

      d.净化系统的环境、经济及社会效益。

     (2)一般程序

      a.工程调查；                                      

      b.确定净化程度； 

c.选择合理的净化工艺；

    d.选择适当的净化装置，确定合理的净化系统配置；

    e.确定净化系统运行参数和技术经济指标。 

  (3)除尘系统与装置的选择

  (4)吸收系统与装置的选择

  (5)吸附系统与吸附装置的选择

  (6)净化装置的费用

     设备投资费、运行费用、总费用

3.管道系统的设计

4.排放烟囱设计

2

集气罩的集气机理

集气罩气流流动的基本理论

集气罩汇集污染物，是一种流体动力学捕集 ，因此要对集气罩合理设计，必须要了解吸气罩罩口的气流流动规律。

集气罩口气流流动方式有两种 :一种是吸气口气流的吸人流动，一种是吹气口气流的吹出流动。

吸入气流

1.外部吸气罩罩口气流流动规律

a.速度分布: 等速面的形式确定其分布规律

将吸气口近似视为一个点汇，等速面是以该点为中心的球面（见图13-2a） ，假设点汇吸风量为Q，等速面的半径为r1、r2，相应气流速度为u1、u2，由于通过每个等速面的风量相等，则有

Q = 4πr12u1 = 4πr22u2   (13--1)                    

   于是： u1/u2 = (r2/r1)2      (13--2)                     

表明吸气口外气流速度衰减很快，应尽量减少罩口至污染源的距离。

图13-2点汇气流流动情况

2.罩口的设置位置对气流分布的影响

  如果吸气口设在墙上，如图13—2b所示,吸气范围减少一半,其等速面为半球面,则吸气口的吸气量为

              Q=2πr12u1=2πr22u2    (13--3)

比较式(13-1)(13-3)，可见：

   （1）吸气速度相同时，同一距离上Q （悬空设置的吸气口）= 2 Q （有一面阻挡的吸气口） 

   （2）吸风量相同时，同一距离上 u（有一面阻挡的吸气口）= 2 u（悬空设置的吸气口）

3.吸风罩的形式对气流速度分布的影响

    有边的吸风口比无边的吸风口流速衰减慢，实际等速面为椭圆形。

吹出气流

空气从管口喷出，在空间形成的一股气流称为空气射流.    

(1)空气射流的一般特性。如图 13一6所示，这是等温圆射流的示意图。管口速度假设是完全均匀的。M 为射流极点，射流中保持原出口速度 v。的部分称为射流核心，速度小于v。的部分称为射流主体，射流核心消失的断面 BOE称为过渡断面，出口断面至过渡面称为起始段，过渡断面以后称为主体段。 

等温自由圆射流的一般特性为:    

①射流边缘有卷吸周围空气的作用，这主要是 由于紊流动量交换引起的。

②由于射流边缘的卷吸作用，射流断面不断扩大，射流量随射流长度增加而增大。

③射流核心段呈锥形不断缩小。

④核心段以后，射流速度逐渐下降。

⑤射流中的静压与周围静止空气的压强相同。

⑥射流各断面动量相等。

等温圆射流和扁射流主体参数计算公式

吸入气流与吹出气流

（1）吹出气流由于卷吸作用,沿射流方向流量不断增加,射流呈锥形；    吸入气流的等速面为椭球面,通过各等速面的流量相等,并等于吸入口的流量。

（2）射流线上的速度基本上与射程成反比,而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比。所以,吸气口能量衰减很快,其作用范围较小。

吹吸气流

吹吸气流是两股气流组合而成的合成气流。 在集气罩设计中，利用吹出气流与吸入气流联合作用来提高所需“控制风速”的形成，称为吹吸式集气罩。

3

集气罩的基本类型

集气罩：是烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。

形式：

（1）按罩口气流流动方式分为：吸气式和吹吸式；

（2）按集气罩与污染源的相对位置及适用范围，可将吸气式集气罩分为： 密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。 

密闭罩

定义：将污染源的局部或整体密闭起来，在罩内保持一定负压，可防止污染物的任意扩散。特点：所需排风量最小，控制效果最好，且不受室内气流干扰，设计中应优先选用。

结构形式：局部密闭罩、 整体密闭罩、大容积密闭罩   

1.局部密闭罩

 特点：体积小，材料消耗少，操作与检修方便；

  适用：产尘点固定、产尘气流速度较小且连续产尘的地点。

2.整体密闭罩

 特点：容积大，密闭性好。

 适用：多点尘源、携气流速大或有振动的产尘设备。

3.大容积密闭罩

 特点：容积大，可缓冲产尘气流，减少局部正压，设备检修可在罩内进行。

适用：多点源、阵发性、气流速度大的设备和污染源。

4.布置要求

a.设置必要的观察窗、操作门和检修门；

b.罩内应保持一定的均衡负压，避免烟尘逸出；

c.尽量避开扬尘中心,防止大量物料随气流带至罩口被吸走；

d.处理热物料时，应考虑热压对气流运动的影响，通常适当加大密闭罩容积，吸风点设于罩子顶部最高点。

排气柜

排气柜可使产生有害烟尘的操作在柜内进行。

1. 结构形式

a、排气口在操作口对面操作口气流分布较均匀，有害气体外逸的可能性较小。

b、排气口设在柜顶 操作口上部形成较大进气流速，而下部进气流速较小， 气柜内易形成涡流，可能造成有害气体外逸

c、在对面和顶部同时设置排气口

2. 布置要求：尽量避开门窗和其它进风口。

排 气 柜

外部吸(集、排)气罩

定义: 通过罩的抽吸作用，在污染源附近把污染物全部吸收起来的集气罩。

特点:结构简单，制造方便；但所需排风量较大，且易受室内横向气流的干扰，捕集效率较低。

常见形式:顶吸罩、侧面吸罩、底吸罩、槽边吸气罩 

外部吸气罩   a-顶吸罩；b-底吸罩；c-侧吸罩；d-槽边集气罩

接受式排气罩

1.定义：接受由生产过程（如热过程、机械运动过程）

产生或诱导出来的污染气流的一种排气罩。

2.特点：罩口外的气流运动不是由于罩子的抽吸作用，而是由于生产本身过程产生。

3.类型:  a.低悬罩（罩口高度<1.5A1/2）          

         b.高悬罩（罩口高度>1.5A1/2）A-热设备的水平投影面积。

接受式排气罩  a-热源上部伞形接受罩；b-砂轮机接受罩

吹吸式排气罩及空气幕

1.吹吸式排气罩的工作原理

当外部吸气罩与污染源的距离较大时，可以在外部吸气

罩的对面设置一吹气口，从而形成一层空气幕阻止污染物

的散逸，同时也诱导污染气流一起向排气罩流动。

   吹吸式排气罩的工作情况

槽子吹吸式排气罩

2.特点：采用气幕抑制污染物扩散，具有气量小，抗干扰能力强，不影响工艺操作、效果好的特点。 

3.吹吸式排气罩的设计计算

a.适用：在槽、台宽度较大（≥2m）的工作槽上，采用此类排气罩控制污染物的扩散，效果较佳。

b.设计时注意事项

（1）防止吹气射流产生弯曲；

（2）条缝口宽度速度；

（3）吹气罩排气量；

（4）吹气口高度。

4.气幕及其应用

a.作用：可有效地抑制污染物扩散。

b.应用：

（1）当接受罩悬挂较高时，用吹气射流阻挡横向气流

（2）采用气幕控制破碎机料坑的扬尘

（3）采用气幕控制整个车间的污染源。

4

集气罩性能参数及计算

一、排风量的确定

1.排风量的测定方法

    集气罩排风量Q(m3/S) ，可以通过实测罩口的平均吸气速度ν0 (m/S) 和罩口面积A0（m2）确定。

              Q= ν0 A0       (m3/S) 

也可以通过实测连接罩口上的平均吸气速度ν (m/S) ，气流动压Pd(Pa)或静压PS(Pa)及其管道断面积A （m2）按下式确定。

              Q= ν A =A【 (2/ρ) Pd】1/2 (m3/S) 

              Q=φA【 (2/ρ) PS】1/2 (m3/S)

式中: ρ—气体密度,kg/m3

       φ--集气罩的流量系数

2.排风量的计算

（1）控制速度法

    指在罩口前污染物扩散方向的任意点上均能使污染物吸入气流流入罩内并将其捕集所必须的最小吸气速度。

（2）流量比法

把集气罩排风量Q3看作是污染气流量Q1和从罩口周围吸入室内空气量Q2之和,即

               Q3=Q1+Q2=Q1(1+Q2/Q1)=Q1(1+K)

                KV=(Q2/Q1)linit

K---为流量比

KV通过实验研究求出,与污染物发生量无关,只与污染源和集气罩的相对尺寸有关.

二、压力损失的确定

  由于集气罩罩口处于大气中,所以该处的全压等于零.因而集气罩的压力损失写为

            △P=0－P=－ (Pd+Ps)=|Ps|－Pd

                     φ=（ Pd / |Ps| ）1/2

              φ=1/（ 1＋ξ ）1/2

             Φ---流量系数

             ξ---压力损失系数

5

集气罩的设计方法

原则：

a.集气罩应尽可能将污染源包围起来，使污染物的扩散限制在最小的范围内，以便防止横向气流的干扰，减少排气量。

b.集气罩的吸气方向尽可能与污染气流运动方向一致，充分利用污染气流的初始动能。

c.在保证控制污染的条件下，尽量减少集气罩的开口面积，以减少排风量；

d.集气罩的吸气气流不允许经过人的呼吸区再进入罩内；

e.集气罩的结构不应妨碍人工操作和设备检修。 

未完，待续

（VOCs前沿据摘录自《大气污染控制工程》教材）