垃圾处理厂卸料坑吸风口位置及负压值对臭气逸散影响分析

2022-08-01曹东明于文俊

制冷与空调 2022年3期

曹东明于文俊

（北京市市政工程设计研究总院有限公司北京 100082）

0 引言

现阶段垃圾处理厂房内除臭研究主要集中在臭气处理工艺及对周边环境的影响[1-10]，对于臭气收集端，也就是吸风口布置位置及相关参数的研究比较少，且现阶段文献大多集中在分析室内除臭工况或气流走向等方面[11,12]，缺乏臭气收集吸风口布置的相关研究。但臭气吸风口的设置参数直接影响到后端臭气处理风量及室内气流组织，从而影响室内臭气收集效果，并对除臭系统处理风量影响较大。

以生活垃圾转运站为例，臭气源主要集中在生活垃圾卸料坑内，卸料门处需为负压，以阻止臭气外逸。工程上的负压措施主要是设置吸风口，垃圾卸料坑内吸风口位置的不同对臭气捕集效果有所不同。卸料坑内空气污染物以浓度差或密度差为动力向上挥发，而吸风口处形成的负压不仅吸入挥发出的污染物，同时吸入周边空气。为便于分析吸风口位置对臭气捕集效果的影响，忽略吸风口补风方式、周围工艺操作引起的气流干扰等影响因素，默认各种吸风方式均为自然补风，且补风面积相同。

选择典型的三种吸风口布置位置：上吸风、侧吸风、下吸风三种方式。以吸风口负压值为变量，对比三种风口布置形式下的臭气捕集效果。

生活垃圾组成物质主要有餐厨类、橡塑类、纸类、纺织类、木竹类、金属类以及陶瓷、玻璃等无机材料类等[13,14]。垃圾在卸料、输送、分选等过程中，在微生物作用下会发生分解，产生H2S、NH3和挥发性有机物等多种恶臭气体[15-17]。

以臭气成分硫化氢[18]为例，采用计算流体动力学方法对不同吸风位置进行模拟。总结对比吸风口位于不同位置、不同负压值等情况下，卸料坑附近的气流特性，并分析其对硫化氢逸散的影响。计算流体动力学方法（computational fluid dynamics,CFD）常用于研究包括室内气流组织、室内污染物研究等[19,20]诸多领域，并能达到较好效果。

1 模拟参数设置与验证

以生活垃圾卸料坑及卸料门的常规尺寸和参数进行建模。料坑尺寸为6m×4m×3m；卸料坑设置卸料门，尺寸为8m×5.5m。

顶吸风口位于卸料坑顶部；侧吸风口位于卸料坑侧方，与卸料门相对；下吸风口位于卸料坑内部卸料口一下。三处风口尺寸一致，各个风口布置位置详见图1。

图1 物理模型Fig.1 3D physical model

CFD模拟采用Phoenics软件，考虑室内空气流动基本为湍流流动，采用三维N-S方程作为控制方程，并采用标准k-ε模型建立封闭的控制方程组[21,22]，采用迎风差分格式进行离散计算，收敛残差为10-3。

室内空气流动基本为湍流流动，采用三维N-S方程作为控制方程[23,24]，并采用k-ε模型[25]建立封闭的控制方程组。

式中，ρ为空气密度，kg/m3；t为时间，s；U为速度矢量，m/s；T为空气温度，K；λ为导热系数，W/m·K；cp为定压比热，kJ/kg·K；φ为速度变量，代表三个坐标方向上的分速度u、v、w，m/s；η为动力粘度，N·s/m2；ST、Sφ为广义源项，cs为组分s体积浓度，ρcs为组分s质量浓度，Ds为组分s扩散系数，SS为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的组分s的质量。k为湍动能；ε为湍流耗散率；ηt为湍动粘度；Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；σε、σε分别是与k、ε对应的Prandtl数，取值1.0、1.3；C1ε、C2ε为模型常数，取值1.44、1.92。

模拟假设：

（1）不考虑料坑外空间通风对料坑的影响。

（2）计算区域内气体为不可压缩牛顿流体，

流态为稳态。

（3）臭气散发量不随时间改变，为恒定值。

（4）不考虑围护结构对流体造成的阻损。

（5）暂不考虑补风位置对流体的影响。

（6）暂不考虑风口尺寸对气流分布的影响。

边界设置：

料坑内设置臭气吸风口，补风为卸料空间外墙自然补风。垃圾臭气散发受温度、湿度、垃圾成分等诸多因素影响。为了便于观察特定污染物散发量下的通风除臭效果，散发量取定值进行分析，且具体取值不做进一步研究与阐述。

表1 边界设置Table 1 Boundary Settings

模型计算区域尺寸为12m×28m×13m，采用六面体进行网格划分，取负压值为1Pa时，进行计算，网格数量及对应结果如下所示。

表2 不同网格数计算结果Table 2 Results of different mesh numbers

图2 不同网格数计算结果Fig.2 Results contrast of different mesh numbers

计算结果可以看出2、3号网格数计算结果基本一致，本模拟采用2号网格数量进行模拟。

卸料坑内设置INLET作为臭气散发源，料坑外空间设置OUTLET作为自然补风口。

2 结果与讨论

理论上，负压值越大，吸风口附近臭气越容易吸入吸风口。同时，吸风量相应增加，引起卸料口周边风速增加，更容易捕捉外逸臭气。

对于顶排风和侧排风，为便于模拟分析，此处忽略料坑的深度对吸风的影响，认为料坑内臭气散发平面与地面一致。吸风口采用OUTLET，并分别设置其负压值。

2.1 风口负压值与卸料门负压值分析

吸风口位于不同位置，随着吸风口负压值变化，卸料门处负压平均值变化规律如图3所示。下吸风垃圾堆放面深选取0.6m、1.5m、3.0m等典型值进行分析，此时的料坑深度即为臭气散发面深度。为了便于对比分析，简称为顶吸风、侧吸风、0.6m下吸风、1.5m下吸风及3.0m下吸风。

图3 吸风负压值与卸料门处负压平均值Fig.3 Correlations of average negative pressure values between head-outlet and door area

分析上吸风数值结果可以看出，卸料门处的负压绝对值随着吸风口负压增大成线型增长关系。顶吸风卸料门处的负压基本为吸风口负压的0.7倍，侧吸风卸料门处的负压基本为吸风口负压的0.88倍，下吸风口负压根据垃圾堆放面深度不同，基本为吸风口负压值的0.04～0.4倍。

侧吸风引起的卸料门处平均负压最大，顶吸风次之，下吸风平均负压最小。针对吸风口位于下部情况，卸料门处风速在垃圾堆放面深3.0m时，平均负压最大，1.5m次之，深0.6m时，最小。

由于卸料门至吸风口的气流流动轨迹基本为直线，无变向，其流动阻力较小。同时，由于吸风口位于下部时，气流变向较多，卸料门处负压值最小。

垃圾堆放面对于下吸风布置的主要影响是气流通道面积，堆放面越高，气流流通面积越小，此时造成卸料门处的负压也较小。

2.2 风口负压值与卸料门处风速分析

吸风口分别位于卸料坑上、侧、下部（-0.6m）时，取-5Pa负压值情况下，卸料门处风速分布云图如图4所示。

吸风口分别位于卸料坑上、侧、下部（-0.6m）时，取-5Pa负压值情况下，料坑内风速分布云图如图5所示。

图5 卸料坑内速度云图Fig.5 Distribution of velocities in the pit

对比速度分布云图可以看出，侧吸风情况下，卸料门处速度分布比较均匀，且速度值相对较大，料坑内流速分布也比较均匀。下吸风引起的卸料门及料坑内气流流态发展并不明显，呈流速低，分布不均现象。顶吸风引起的料坑内气流效果介于两者之间。

吸风口分别位于卸料坑上、侧、下部时，随着负压值增大，卸料门处的平均风速变化趋势如图6所示。

图6 吸风口负压值与卸料门处风速平均值（料坑深0.6m、1.5m、3.0m）Fig.6 Correlations between average negative pressure values of floor-outlet and average velocity values in door area(0.6m 1.5m 3.0m)

对比分析模拟云图可以看出，侧吸风卸料门处平均风速值最大，顶吸风次之，下侧吸风卸料门处的平均风速值最小。

随着负压值增大，卸料门处的平均风速逐渐增大，并成二次函数关系。其中，下吸风随着料坑深度的增加卸料门平均风速呈增大趋势。

下吸风情况，卸料门处平均风速在垃圾堆放面3.0m时最大，1.5m次之，0.6m时最小。料坑越深，下吸风气流发展越充分，其阻力越小，因而引起卸料门处的平均风速越大。