垃圾焚烧中心通风系统设计分析范文

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摘要：根据某垃圾焚烧处理中心建筑结构，确定通风方案布局，设计了一种新型除臭通风系统．利用CFD仿真分析的方法，模拟该方案的通风效果，结果表明：料坑与平台区域负压分布均匀，梯度变化明显，整体处于－32～－39Pa的微负压环境下，料坑内臭气浓度分布整体处于0．17mol／m3以下，通风效果较好，满足设计要求．

关键词：垃圾焚烧处理；计算流体力学；分子扩散；CFD仿真分析；除臭通风系统

随着城市化进程迅速加快，中心城区人口更加密集，人民生活水平不断提高，我国垃圾产量正在逐年增加．主要的垃圾处理方法包括填埋、堆肥、焚烧等［1－3］．垃圾焚烧发电作为非常重要的处理方式，工厂区环境对周围环境的影响也越来越引起各方关注．随着垃圾的运输和卸料翻动过程，垃圾处理区域产生的恶臭气体持续不断向四周扩散，从而对周围环境造成污染［4－6］．本文针对某垃圾焚烧处理中心通风除臭系统进行研究，设计合理的通风方案，并对臭气浓度较复杂的料坑区域进行CFD（computationalfluiddynamics）仿真分析，验证设计合理性，将周围环境受垃圾焚烧发电厂产出的恶臭气体的负影响减少到最低，既符合实现城市可持续发展的战略思想，又能有效减少臭气扰民等社会矛盾．

1某产业区工业固废处置现状

随着新化学物质的不断产生以及企业环保意识的加强，某园区内企业固废产生量逐年增加，园区共有企业120家，主要以医药化工、农药化工、涂料染料三大行业为主．2017年产业区固废预计年产生量21260t，其中适合焚烧处理的预计年产生量13260t，约占固废总量的62％．基于产业园日益增长的固体废料，某垃圾焚烧处理中心进行扩建：焚烧车间建筑面积4346．52m2，占地面积2745．42m2，建筑高度23．15m；暂存库建筑面积2207．2m2，占地面积2207．2m2，并重新设计了除臭通风系统．

2通风系统设计

某垃圾焚烧处理中心由料坑、卸料大厅、暂存库、垃圾焚烧炉等组成，其中料坑、卸料大厅、暂存库为恶臭物质散发源．通风系统需保证恶臭气味不扩散到建筑外界［7］．本研究在建筑内部设计排风管道，排风均匀，保证建筑内部维持一定的负压．通风方案如图1所示．

2．1通风系统设计说明

目前，国内对于危废储存仓库及车间需保持的负压值并无规范要求，故借鉴国内不同规范、不同场合的正压及负压要求进行设计．1）对于放散有害物质的空调区域应保持负压，其压差值宜取5～10Pa，但不应大于50Pa（空调区域并不直接面对室外）［8］．2）正压室设置的开启外窗及与室外直接相通的外门是不可行的，应该采用门斗或门廊．内外门均为密闭型，并且必须保证两道门不可同时开启，同时，门斗或门廊应保持正压不低于10Pa［9］．

2．2通风方案设计

通风除臭系统拟采用保持暂存库门斗内正压值为＋5～＋10Pa，保持室内与外界大气隔断；暂存库内负压值为－20Pa；卸料大厅门斗内正压值为＋5～＋10Pa；卸料大厅内负压值为－20～－30Pa；料坑内负压值为－30～－40Pa．根据臭气浓度的变化料坑排风换气次数为5次／h，卸料车间为4．5次／h［4］．同时于卸料车间大门内部设置空气幕，以隔绝室内外气体，在恶臭源较近的区域设置排风装置，料坑壁处设置排风口，卸料车间粉碎线上部设置局部排风罩，以降低恶臭源的无组织扩散．由于料坑臭气浓度较高，料坑和卸料车间的空间联通处设置软帘，以隔绝两个区域．暂存库排风换气次数为4次／h，并在暂存库大门内部设置空气幕，以隔绝室内外空气．暂存库内排风口位于货架之间，排风口设置上下两层，货架周边设置遮挡软帘，使每个货架区的臭气得到有效收集．

2．3通风量计算

通风量根据换气次数确定，其计算公式［10］为式中：L为通风量（m3／h）；n为换气次数（次／h）；Vf为通风房间体积（m3）．通风方案数据见表1．

3料坑流场分析

3．1物理模型

物理模型见图2．针对臭气浓度分布最复杂的料坑区域，利用FLUENT软件进行通风模拟．先对模型进行如下简化．1）不考虑风口圆角与角度，风口尺寸简化为500mm×500mm的方形风口和400mm×1250mm的矩形风口．2）不考虑废料堆积不均匀的情况，取废料高度为500mm，均匀铺在车间底部．3）由于抓斗、行车等体积相对整个料坑车间而言较小，对整体车间流场的影响可以忽略，所以在此不予考虑．4）考虑到工程实际风机效率达不到100％，管道存在泄漏等问题，模拟时入口与出口的风量按风机额定风量的80％确定．

3．2数学模型

料坑区域内部气流组织的湍流是一种不规则的运动，其特征是时空的随机变量，湍流运动能使污染物迅速扩散．湍流扩散的梯度输送理论是泰勒（GITayler）类比于费克（AFick）提出的分子扩散理论建立的，该理论简称K理论，其基本观点是将湍流运动的物质扩散类比分子扩散规律来研究．在湍流中扩散物质的浓度是脉动的，即浓度C随时间t作不规则随机性变化，用其浓度平均值C来讨论．由于湍流扩散的随机运动尺度远大于分子扩散随机运动尺度，因此，在湍流中分子扩散可以忽略［11－14］．在空气沿x水平方向以平均速度u正运动的情况下，当湍流扩散系数Kx、Ky、Kz为常数时，湍流扩散的微分方程为对于一个连续作用的发尘点源，当其发尘速率不随时间变化时，扩散过程可以认为是定常态，即空间任何点的浓度仅是空间坐标的函数在一般情况下，由空气的平均移动速度所引起的物质质量通量远比扩散脉动流流速所引起的质量通量大得多，即则湍流扩散微分方程（2）可以简化为基于以上数学模型，数值模拟采用等温不可压缩流动模拟，以RNGk－e湍流方程作为计算模型，废气组分的扩散过程通过组分输运方程模拟，对流项采用二阶迎风格式离散，速度与压力耦合采用SIMPLE算法进行求解．考虑流场稳定后时间对室内空气流动的影响不大，因此，采用稳态模拟，收敛精度选取0．001．

3．3边界条件

出口设置为质量入口边界条件，入口设置为压力入口边界，压力大小设置为1个大气压．考虑重力影响，给定重力加速度为9．816m／s2；考虑体积力的影响，设定操作密度为1．225kg／m3．臭气产生采用体积源法，假设废气从废料表面均匀逸出，逸出浓度为1500mg／（m2•s），废气质量分数为：氨60％，二氧化硫20％，硫化氢10％，二硫化碳10％．

3．4模拟结果与分析

运用ICEMCFD软件对模型进行网格划分，利用FLUENT软件进行仿真，得到流线分布图、浓度云图等模拟结果．

3．4．1压力场分析图3是采用该通风方案计算得到的压力云图．从图3中可以看出：料坑处于－36～－39Pa的微负压环境下，平台区域压力处于－32～－36Pa的微负压环境下；整个区域压力分布较为均匀；压力梯度变化明显，随着高度的增加，负压逐渐减小，满足设计要求．

3．4．2废气浓度云图分布图4是采用该通风方案计算得到的臭气浓度分布图．从图4中可以看出：浓度最高值出现在料坑底部，整个料坑区域的下部臭气浓度基本在0．14mol／m3以下，料坑上部及平台上部区域臭气浓度基本在0．17mol／m3以下．平台处利用新风稀释，料坑处利用双排抽风管路，使臭气浓度下降显著，通风效果较好．

4结语

根据某垃圾焚烧处理中心建筑结构，设计了一种新型除臭通风系统．CFD仿真分析模拟表明料坑与平台区域负压分布均匀，梯度变化明显，整体处于－32～－39Pa的微负压环境下，料坑内臭气浓度分布整体处于0．17mol／m3以下，通风效果较好，满足设计要求．

参考文献：

［1］艾庆文，李先旺．垃圾焚烧发电厂通风除臭设计［J］．暖通空调，2011，41（6）：72－75．

［2］汤建化，李文，赵欣，等．武汉市环保型垃圾压缩转运站除尘除臭设计［J］．环境卫生工程，2011，11（4）：55－60．

［3］陈东哲，陈朋飞，龚蓂杰．固体废弃物综合处理中心通风空调设计［J］．发电与空调，2015（5）：71－75．

［4］冯弼唯，谈荣华，宋琴．生化过程通风除臭方法与设计［J］．上海大学学报（自然科学版），2003，4（9）：181－183．

［5］田毅，王敏．大型垃圾中转站通风除尘除臭系统的研制［J］．环境卫生工程，2006，2（1）：56－61．

［6］王沨枫．高大工业整体厂房焊接烟尘控制与置换通风数值仿真平台和试验研究［D］．长沙：湖南工业大学，2011．

［7］徐铭明．某垃圾焚烧发电厂垃圾库数值模拟及通风方式优化［D］．上海：东华大学，2014．

［8］陆耀庆．实用供热空调设计手册［M］．2版．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［9］中华人民共和国建设部．城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准［M］．北京：中国计划出版社，2001．

［10］孙一坚．简明通风设计手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，1997．

［11］吴德铭．实用计算流体力学基础［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006．

作者：沈辉 孙明珠 张猛 殷超 单位：扬州大学 机械工程学院