《环保设备及其应用（第三版》-课件 第1、2章 绪论、 环保设备材料及其选用.ppt
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环境工程中的处理工艺多种多样，不同的工艺对设备材料有不一样的要求，合理选择和正确使用材料十分重要。 设备的设计与选择，需考虑：材料的力学性能、物理性能、化学性能、加工工艺性能、耐腐蚀和抗老化性能及材料价格与来源、供应等方面。 2.1 设备材料的性能 力学性能 物理性能 化学性能 加工工艺性能 2.1.1 力学性能 力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。 这些性能是环保设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据。 2.1.2 物理性能 密度、熔点、比热容、导热系数、热线胀系数、导电性、磁性等。 2.1. 3 化学性能 材料的化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性。 （1）抵抗腐蚀能力 （2）抗氧化性 2.1. 4 加工工艺性能 （1）可铸造性能 （2）可锻造性能 （3）可焊性能 （4）可切削加工性能 2.2 环保设备材料及防腐 2.2.1 常用的环保设备材料 金属材料 铸铁、碳钢、合金钢、有色金属材料。 （2）非金属材料 无机非金属材料(包括陶瓷、搪瓷、玻璃等) 有机非金属材料(最重要的包含塑料、涂料、橡胶等) 复合材料(玻璃钢等) 2.2.2 材料腐蚀与预防 材料腐蚀定义： 材料由于环境的作用而引起的破坏和变质过程 腐蚀、氧化、磨损等是材料最基本的环境行为效应。 这些效应直接影响材料的结构、性质及使用性能。 金属材料腐蚀 高分子材料腐蚀（老化） 无机非金属材料腐蚀 材料腐蚀类型 2.2.2.1 金属材料的腐蚀与预防 （1）金属腐蚀定义： 金属和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作 用，引起金属的变质和破坏，称为金属腐蚀。 （2） 金属腐蚀的机理 非物理性腐蚀 电非物理性腐蚀 化学腐蚀是金属表面与环境介质发生化学作用而产生的损 坏，其特点是腐蚀在金属的表面上，腐蚀过程中没有电 流的产生。 在生产中，有很多机器和设备是在高温下操作的，如垃 圾焚烧炉、氨合成塔、硫酸氧化炉、石油气制氢转化炉等。 金属在高温下受蒸汽和气体作用，发生金属高温氧化及脱 碳就是一种高温下的气体腐蚀，是高温设备中常见的化学 腐蚀之一。 ① 化学腐蚀 金属的高温氧化 当钢和铸铁温度高于300℃时，就在其表面出现可见的氧化皮。随着温度的升高，钢铁的氧化速度大为增加。在570℃以下氧化时，在钢表明产生的是Fe2O3、Fe3O4的氧化层。这个氧化层组织致密、稳定，附着在铁的表面上不易脱落，从而起到了保护膜的作用。在570℃以上时，钢件表层由Fe2O3、Fe3O4和FeO所构成，氧化层主要成分是FeO。由于FeO直接依附在铁上，而它结构疏松，容易剥落，不能阻止内部的铁进一步被氧化。因此，钢件加热温度愈高或加热时间愈长，则氧化愈严重。 为了更好的提高钢的高温抗氧化能力，就要阻止FeO的形成，可以在钢里加人适量的合金元素铬、硅或铝。因为这些元素的氧化物比铁氧化物（FeO）的保护性好。 钢的脱碳 钢是铁碳合金，碳可以渗碳体的形式存在。所谓钢的高温脱碳是指在高温气体作用下，钢的表面在产生氧化皮的同时，与氧化膜相连接的金属表面层发生渗碳体减少的现象。之所以发生脱碳，是因为在高温气体中含有O2、H2O、CO2、H2等成分时，钢中的渗碳体Fe3C与这些气体发生反应而使渗碳体中的碳以碳氧化物形式排出。 脱碳使碳的含量减少，金属的表面硬度和抗疲劳强度降低。同时由于气体的析出，破坏了钢表面膜的完整性，使耐蚀性更逐步降低。改变气体的成分，以减少气体的侵蚀作用是防止钢的脱碳的有效方法。 金属的电化学腐蚀 定义：金属与电解质溶液间产生电化学作用所发生的腐蚀. 特点：在腐蚀过程中有电流产生，在绝大多数情况下，这种电池为短路的原电池。电解质的化学性质、外因（温度、压力、流速等）、金属的特性、表面状态及其组织架构和成分的不均匀性、腐蚀产物的物理化学性质等，都对腐蚀过程有很大的影响。 电化学腐蚀现象是相当普遍的。例如，在潮湿的大气中，桥梁、钢结构的腐蚀，在海水中海洋采油平台、舰船壳体的腐蚀，土壤中地下输油、输气管线的腐蚀以及在含酸、含盐、含碱的水溶液等工业介质中金属的腐蚀，均属此类。 把锌片与铜片相接触并浸入稀硫酸中（图1），则可见到锌 被腐蚀，同时在铜片上逸出了大量的氢气泡。如含少量锡、 铅、铁等元素的锌后浸入稀硫酸中，也可观察到这些金属显 著地加速了锌的腐蚀。 锌与铜接触时，在稀硫酸中的溶解图 根据腐蚀的电化学历程予以分析，金属的阳极溶解（或称金属的氧化）过程和环境中物质的还原过程可以是在不同的部位相对独立地进行，电子的传递依靠金属本身作为回路间接进行。图2示意地表示了金属与氧发生电化学作用形成金属氧化物的腐蚀过程。 （3） 金属腐蚀损伤与破坏的形式 按照金属腐蚀破坏的形态可分为均匀腐蚀和局部腐蚀（非均匀腐蚀）。而局部腐蚀又可分为区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀等。各种腐蚀形式如下图所示。 腐蚀破坏的形式 (a)均匀腐蚀 (b)区域腐蚀 (c)点腐蚀 (d)晶间腐蚀 《环保设备及应用》 第1章 绪论 环保产业定义 环保设备分类 我国环保装备产业高质量发展现状及前景 “十四五”环保设备领域发展的新趋势 环保设备选择与设计的原则 图3-1 当前国际环保产业的构成 1.1 环保设备概念 1.1.1 环保产业 1.1.2 环保设备定义 环保设备是环境保护设备的简称，是以控制环境污染为最大的目的的设备。 环保设备制造业是环保产业的主体。 环保装备是制造业的重要组成部分，是实现绿色发展和生态文明建设的重要技术支撑。当前国家对推动经济高水平质量的发展提出了新的更高的要求，要坚持问题导向，深入研究环保装备产业高质量发展的方向和目标，充分的发挥行业协会等咨询服务机构的作用，加快提升技术水平和国际竞争力，实现产业健康可持续发展。 （1）按设备的功能分类 可分水污染控制设备、大气污染控制及除尘设施、固体废弃 物处理设备、噪声与振动控制设备、环境监视测定及分析设备、 采暖通风设备、反射性与电磁波污染防护设备。 环保设备的分类详见（中华人民共和国环境保护 行业标准－环境保护设备分类与命名(HJ 11-1996)） 1.2 环保设备分类 （2） 按设备的性质分类 ①机械设备: 指各种用于治理污染和改善环境质量的机械加工设施，如除尘器、机械式通风机、机械式水处理设备等。机械设备是目前环保设备中种类及型号最多，应用最普遍，使用最方便的环保设备。 ②仪器设施: 指各种用于环境监视测定及环境工程实验的仪器，如各种电化学分析、光学分析、色谱分析仪器、各种采样器、各种自动监测仪器、在线监测系统等。 ③构筑物: 一般是指为治理环境而用的钢筋混疑土结构件和玻璃钢、钢结构或其它材料建造的设施，如各种沉砂池、沉淀池、塔滤等。 （3）按设备的构成分类 ①单体设备：是环保设备的主体，如各种除尘器、单体水处理设备等等。单体设备能为机械加工件，也可以为混凝土或其它材料（如玻璃钢等）建造的构筑物。 ②成套设备：是以单体设备为主，含各种附属设备（如风机、电机等）组成的整体。 ③生产线: 指由一台或多台单体设备、各种附属设备及其管线所构成的整体，如废旧轮胎回收制胶粉生产线）按设备的通用性分类 ①通用设备：常用已定型的可用于环境污染治理的设备，如各类水泵、风机等。 ②专用设备：专用为某种污染去除而选取或开发的设备，如吸收塔、填料塔等。 1.3 我国环保装备产业高质量发展现状及前景 近年来，国家全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战并且在近十年出台了一系列有关政策推动环保设备及相关产业的发展。2011年国家工业与信息化部发布的《环保装备“十二五”发展规划》及在“十三五”期间工信发布的《关于快速推进环保装备制造业发展的指导意见》都极大推动了我国环保装备产业的进步。 截止2021年目前我国在大气污染治理设备、水污染治理设备和固态废料处理设备三大领域已经形成了一定的规模和体系。环保设备已成为我国环境保护的重要物质基础，在战略性新兴产业中居于重要位置，并且形成了门类相对齐全的产品体系。 环保设备行业取得成就： （1） 规模迅速扩大 （2） 技术水平大幅提升 （3） 生产智能化、绿色化 （4） 差异化、集聚化融合发展 （5） 产品多元化、品牌化发展 但由于产业起步较晚，依然存在诸多问题。主要表现为： （1）集中度偏低，产业规模依旧不足。 （2）技术创新能力不强，关键成套装备依赖进口。 （3）标准体系不完善，缺乏产品质量认证 （4）引导产业健康发展的政策环境不健全。 我国环保装备市场需求旺盛，发展前景广阔 在全球能源资源和环境压力日益突出的背景下，节能环保已成为当今世界产业发展潮流。我国适应国际产业竞争需要，大力发展环保装备，是打破发达国家技术贸易垄断，提升我国环保产业竞争力的重要基础。我国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲对环境保护提出了新的要求，节能降耗、减排治污的新任务为环保装备产业发展提供了新的驱动力。 “十四五”期间，我国环保设备行业产值将有望达到1.48万亿元。 1.4 “十四五”环保设备领域发展趋势 随着《环保装备“十二五”发展规划》以及《关于加快推进环保装备制造业发展的指导意见》等环保装备相关政策的一步步实施，环保装备制造业发展有了巨大的市场空间和更高的要求。 近年来，环保装备制造业规模迅速扩大，发展模式不断创新，服务领域不断拓宽，技术水平大幅提升，部分装备达到国际领先水平。 2021年实施了“十四五”计划，其中提到了一些关于对生态环境保护的纲要，而接下来根据“十四五”的纲要将会加快整个环保设备行业的发展。 根据我国的环保装备发展现状及未来趋势，提出如下领域环保装备发展方向： 各领域环保装备 发展方向 大气污染防治装备 ①重点研究超低氮燃烧技术，推进化工、冶金、轻工等行业气体燃料锅炉清洁生产改造 ②开发智能涂料喷涂技术，用于船舶外壳等大型作业面涂料喷涂清洁生产改造。 ③研发PM2.5和臭氧主要前体物联合脱除、三氧化硫（SO3）、重金属、二噁英处理等趋势性、前瞻性技术装备。 ④研发除尘用脉冲高压电源等关键零部件，推广垃圾焚烧烟气、移动源尾气、挥发性有机物（VOCs）废气的净化处置技术及装备，燃煤电厂超低排放以及钢铁、焦化、有色、建材、化工等非电行业多污染物协同控制和重点领域挥发性有机物控制技术装备的应用示范。 各领域环保装备 发展方向 水污染防治装备 ①重点攻关氧化石墨烯定向膜过滤装备，应用于制药、农药、化工等工业园区污水深度净化与资源化。 ②研发碟式陶瓷膜分离装备和振动膜生物反应器污水深度处理集成装备，推进石油化工行业、市政和工业污水废水的深度处理。 ③厌氧氨氧化技术装备和电解催化氧化、超临界氧化装等氧化技术装备，研发生物强化和低能耗高效率的先进膜处理技术与组件，开展饮用水微量有毒污染物处理技术装备等基础研究。 ④重点推广低成本高标准、低能耗高效率污水处理装备，燃煤电厂、煤化工等行业高盐废水的零排放治理和综合利用技术，深度脱氮除磷与安全高效消毒技术装备。 各领域环保装备 发展方向 水污染防治装备 ⑤推进黑臭水体修复、农村污水治理、城镇及工业园区污水厂提标改造，以及工业及畜禽养殖、垃圾渗滤液处理等领域高浓度难降解污水治理应用示范。 土壤污染修复装备 ①重点研发土壤原位修复智能喷射装备、土壤异位淋洗智能撬装装备和有机污染土壤异位微波修复装备等推进工业企业污染地块 重金属、石油类、农药类及其他有机污染物污染土壤修复技术和手段的发展。 ②强化土壤生物修复、强化气相抽提（SVE）、重金属电动分离等技术装备的研发。 ③推广热脱附、化学淋洗、氧化还原等技术装备。研究石油、化工、冶炼、矿山等污染场地对人居环境和生态安全影响，开展农田土壤污染、工业用地污染、矿区土壤污染等治理和修复示范。 各领域环保装备 发展方向 固体废物回收处理处置装备 ①重点研发建筑垃圾湿法分选、污染底泥治理修复、垃圾高效厌氧消化、垃圾焚烧烟气高效脱酸、焚烧烟气二噁英与重金属高效吸附、垃圾焚烧飞灰资源化处理等技术设备。 ②重点推广水泥窑协同无害化处置成套技术装备、有机固废绝氧热解技术装备、先进高效垃圾焚烧技术装备、焚烧炉渣及飞灰安全处置技术装备，燃煤电厂脱硫副产品、脱硝催化剂、废旧滤袋无害化处理技术装备、低能耗污泥脱水、深度干化技术装备、垃圾渗滤液浓缩液处理、沼气制天然气、失活催化剂再生技术设备等。 ③针对生活垃圾、危险废物焚烧处理领域技术装备工艺稳定性、防治二次污染，以及城镇污水处理厂、工业废水处理设施污泥处理处置等重点领域开展应用示范。 各领域环保装备 发展趋势 资源综合利用装备 ①重点研发基于物联网与大数据的智能型综合利用技术装备，研发推广与污染物末端治理相融合的综合利用装备。 ②在尾矿、赤泥、煤矸石、粉煤灰、工业副产石膏、冶炼渣等大宗工业固废领域研发推广高值化、规模化、集约化利用技术装备。 ③在废旧电子电器、报废汽车、废金属、废轮胎等再生资源领域研发智能化拆解、精细分选及综合利用关键技术装备，推广应用大型成套利用的环保装备。加快研发废塑料、废橡胶的改性改质技术，以及废旧纺织品、废脱硝催化剂、废动力电池、废太阳能板的无害化、资源化、成套化处理利用技术装备。 ④在秸秆等农业废弃物领域推广应用饲料化、基料化、肥料化、原料化、燃料化的“五料化”利用技术装备。 各领域环保装备 发展趋势 环境污染应急处理装备 ①重点研发危险化学品事故、航运中危化品（氰化物）防泄漏及应急治理的应急技术装备。重点推广移动式三废应急处理技术装备、水上溢油应急处置技术装备等。 ②开展危险化学品事故、蓝藻水华应急处置等技术装备的应用示范。 ③研发危爆环境重度污染应急处理装备用于核电站、化工厂、储存剧毒物质的仓库危爆环境污染应急处理。 环境监测专用仪器仪表 ①重点研发环境空气、室内、车内、污染源废气中甲醛等污染物的在线监测设备以及工业炉窑烟尘排放及除尘设备效率监测仪器。 ②污染源水质聚类分析、水质毒性监测，石化、化工园区大气污染多参数连续监测与预警，生物监测及多目标物同步监测，以及应急环境监测等技术装备。 各领域环保装备 发展趋势 环境监测专用仪器仪表 ③重点推广污染物现场快速监测、挥发性有机物、氨、重金属、三氧化硫（SO3）等多参数多污染物连续监测，车载、机载和星载等区域化、网格化环境监测技术装备，以及农田土壤重金属和持久性有机污染物快速检测、诊断等技术装备。 噪声与振动控制 装备 重点推广轨道交通隔振技术装备、高速铁路声屏障技术装备、阵列式消声器、低频噪声源头诊治装备等关键技术装备等，推进道路交通、铁路及工业等领域噪声污染防治技术手段的研发与应用。 1.5 环保设备选择的原则 环保设备是用于环境污染防治、环境质量的机电产品和构筑物及其系统，其设计和选择关系到对污染物的处理效果，同时也关系到处理的投资与处理系统运行费用。 1.5.1 定型设备选择的原则 定型设备，也称标准设备，如泵、风机、管道、阀门 定型设备有产品目录或样本手册，有各种规格牌号，有不同的生产厂家，国家有相应的技术标准，包括设备的型号规格、技术条件、使用条件、使用寿命、检测检验、适用范围等方面的规定，生产厂家均应按照归家标准执行。 合理性：必须满足处理工艺一般要求，与工艺流程、处理规模、操作条件、控制水平相适应，又能充分发挥设备的作用。 先进性：设备的运行可靠性、自控水平、处理能力、处理效率要尽量达到先进水平，同时还应满足规划发展的要求，还要查看所配置的设备是否属于国家规定的淘汰产品。 安全性：要求安全可靠、操作稳定、有缓冲能力、无事故隐患，既要考虑处理工艺对介质的要求，还应注意周边环境的要求。 经济性：选用时应考虑设备的性价比。 定型设备选择的原则 1.5.2 非定型设备设计的原则 环境工程中需要专门设计的特殊设备，称为非标准设备或非定型设备。 由于污染物的种类非常多，处理的方法也较多，非标准设备在环境工程中大量存在。环保非标准设备一般是设计者根据所处理对象（污染物）进行选取或开发，没有国家规定的技术标准。 非定型设备设计原则与定型设备的相同。主要的设计程序： （1）根据工艺条件（流程）确定处理设备的类型。例如生活污水采用活性污泥法处理，曝气池和二沉池常为构筑物；除尘常用机械设备。 （2）确定设备的材质。根据处理的污染物、工艺流程和操作条 件，确定适合的设备材料。如上述处理水的曝气池和二沉池一般 采用钢筋混凝土材料；除尘机械采用钢铁材料；气态污染物处理 设备一般采用不锈钢或工程塑料等防腐材料。 主要的设计程序： （1）根据工艺条件（流程）确定处理设备的类型。例如生活污水采用活性污泥法处理，曝气池和二沉池常为构筑物；除尘常用机械设备。 （2）确定设备的材质。根据处理的污染物、工艺流程和操作条件，确定适合的设备材料。如上述处理水的曝气池和二沉池一般采用钢筋混凝土材料；除尘机械采用钢铁材料；气态污染物处理设备一般采用不锈钢或工程塑料等防腐材料。 非定型设备设计原则与定型设备大致相同。 （3）汇集设计条件和参数。根据污染物的处理量、处理效率、物料平衡和热量平衡等条件，确定设备的负荷、操作条件，如温度、压力、流速、加药、卸灰形式、工作周期等，作为设备设计计算的主要依据。 （4）选定设备的基本结构形式。根据各类处理设备的性能、使用特点和使用范围，依据各类规范、样本和说明书，参照国家已颁布的环境保护产品认定技术条件，确定设备的基本结构形式。 （5）设计设备的基本尺寸。根据设计数据进行有关的计算和分析，确定处理设备的外形尺寸，画出设备简图。 （6）进行结构计算。参考化工设备设计计算手册、机械设备设计手册等资料，进行结构计算，明确设计使用寿命。 （7）按照有关国家标准，进行非标准设备图纸的制作。提出制作技术要求。 第2章 环保设备材料及其选用
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