中咨海外咨詢有限公司 姚瓏璐

0 引言

運(yùn)行狀態(tài)下，垃圾倉(cāng)焚燒爐一次風(fēng)保證垃圾倉(cāng)內(nèi)形成負(fù)壓，防止臭氣外溢。當(dāng)焚燒爐處于檢修期時(shí)，垃圾倉(cāng)事故除臭系統(tǒng)為垃圾倉(cāng)除臭提供最后一道防護(hù)，通過對(duì)活性炭吸附、除塵器(袋式)及洗滌設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的有效凈化，從而使排放達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前，焚燒發(fā)電廠暖通設(shè)計(jì)多根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及判斷，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。艾慶文等人介紹了垃圾焚燒廠除臭敏感區(qū)域設(shè)計(jì)，將活性炭、紫外線等除臭方式措施進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)提出了垃圾坑保持-40～-30 Pa負(fù)壓所需的換氣次數(shù)為1.5 h-1，但垃圾坑排煙量依據(jù)GB 50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》排煙量60 m3/(m2·h)計(jì)算[3]。李軍等人從惡臭來(lái)源進(jìn)行分析，比較正常焚燒爐燃燒臭氣與事故狀態(tài)下暖通系統(tǒng)除臭環(huán)節(jié)的差異，按照不同區(qū)域?qū)Τ舴绞竭M(jìn)行歸類并提出改進(jìn)思路，提出了除臭風(fēng)量應(yīng)按垃圾倉(cāng)、卸料平臺(tái)及垃圾料斗平臺(tái)的容積進(jìn)行計(jì)算，換氣次數(shù)取1 h-1[4]。徐銘明采用CFD數(shù)值模擬方法研究了垃圾倉(cāng)焚燒爐一次排風(fēng)機(jī)對(duì)于垃圾庫(kù)內(nèi)壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的影響[5]。國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)發(fā)電廠垃圾倉(cāng)換氣次數(shù)選用1.0 h-1或1.5 h-1存在爭(zhēng)議，因此垃圾焚燒電廠除臭系統(tǒng)應(yīng)該如何科學(xué)合理設(shè)置值得更深入地研究。為判斷排風(fēng)量對(duì)于倉(cāng)內(nèi)壓力的影響，本文采用數(shù)值模擬方法完善設(shè)計(jì)，使其滿足工藝及環(huán)保的要求，實(shí)現(xiàn)電廠環(huán)境質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益的提升。

1 系統(tǒng)概況

垃圾焚燒廠正常運(yùn)行時(shí)，通過焚燒爐燃燒引風(fēng)的負(fù)壓保證垃圾池區(qū)域臭氣不外溢。當(dāng)所有焚燒爐處于檢修狀態(tài)時(shí)，開啟垃圾倉(cāng)事故除臭系統(tǒng)。除臭系統(tǒng)與垃圾池消防排煙系統(tǒng)共用。垃圾池內(nèi)設(shè)消防炮，消防排煙系統(tǒng)參照GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中9 m高倉(cāng)庫(kù)(有噴淋)的設(shè)計(jì)要求，按不少于142 000 m3/h排煙量計(jì)算[6]。除臭與排煙控制進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常用垃圾倉(cāng)除臭系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 垃圾倉(cāng)除臭裝置及排煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型及基本條件

以南方某垃圾焚燒廠為案例，該項(xiàng)目生活垃圾設(shè)計(jì)規(guī)模為1 200 t/d，一期建設(shè)2條400 t/d生活垃圾焚燒線，配置12 MW凝氣式發(fā)電機(jī)組，研究對(duì)象為一期建設(shè)的垃圾倉(cāng)。假定垃圾倉(cāng)底部標(biāo)高為+0.000 m，整個(gè)區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則多邊形，其中31.5 m以下為垃圾倉(cāng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為垃圾倉(cāng)混凝土池壁；31.5 m以上為垃圾倉(cāng)頂部焚燒爐進(jìn)料口區(qū)域,有連通焚燒廠房的前室及2組單扇門，前室為防止臭氣泄漏采取正壓控制，模型將上述門設(shè)為密封狀態(tài)，外倉(cāng)內(nèi)無(wú)其他可開啟門窗。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼保溫板，垃圾倉(cāng)總高度50 m，體積59 967 m3。垃圾倉(cāng)頂部高度43 m處設(shè)置除臭排風(fēng)管，排風(fēng)管有6個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口側(cè)向開啟，每個(gè)風(fēng)口尺寸為2 000 mm×800 mm。13 m高度處設(shè)置4組垃圾卸料門，每個(gè)卸料門尺寸為3 800 mm×5 000 mm。溝道間位于垃圾倉(cāng)側(cè)面朝下位置，垃圾倉(cāng)內(nèi)滲出的垃圾滲瀝液需通過倉(cāng)底部格柵(格柵通風(fēng)凈面積較小，模型考慮封閉)進(jìn)入滲瀝液溝道間，再由泵系統(tǒng)送至污水處理系統(tǒng)。溝道間設(shè)置通風(fēng)設(shè)備便于人員檢修，溝道間臭氣經(jīng)2組高側(cè)送風(fēng)口送入垃圾倉(cāng)，每組進(jìn)風(fēng)口面積1.89 m2，共2組。

假設(shè)模型內(nèi)部空氣為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，考慮重力及地面輻射的影響，最終垃圾倉(cāng)模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 垃圾倉(cāng)模型及網(wǎng)格劃分

本文使用Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分前處理，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模型網(wǎng)格步長(zhǎng)均按照200 mm、1.2的增長(zhǎng)倍數(shù)向中間擴(kuò)散，網(wǎng)格數(shù)量約為50萬(wàn)。Fluent軟件采用RealizableK-ε模型進(jìn)行計(jì)算，求解采用SIMPLE算法。

a 全封閉

2.2 方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證垃圾倉(cāng)除臭排風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)垃圾倉(cāng)內(nèi)負(fù)壓的影響，選取1.0、1.5、2.0、2.5 h-14種換氣次數(shù)，根據(jù)卸料門開啟大小選取卸料門不開啟及卸料門開啟1、2、4扇4種工況。考慮存在滲瀝液溝道間臭氣送風(fēng)至垃圾倉(cāng)內(nèi)，以卸料門開啟1扇作為基本條件，選取垃圾倉(cāng)除臭排風(fēng)1.0、1.5 h-12種換氣次數(shù)，溝道間進(jìn)風(fēng)口選取0.5、1、2、4 m/s 4種進(jìn)風(fēng)速度。

3 模擬結(jié)果

3.1 事故除臭換氣次數(shù)及卸料門開啟對(duì)負(fù)壓的影響

垃圾倉(cāng)內(nèi)存在壓力最大值處與最小值處，壓力最大值位于卸料門進(jìn)口處，壓力最小值位于除臭排風(fēng)口處，倉(cāng)內(nèi)負(fù)壓按兩者平均壓力計(jì)算。門扇開啟數(shù)量不變時(shí)，倉(cāng)內(nèi)負(fù)壓隨著換氣次數(shù)(通風(fēng)量)的增大而增大，不同門扇開啟狀況時(shí)，門扇開啟數(shù)量越少，負(fù)壓值隨換氣次數(shù)的增大變化越大，如圖3所示；同等換氣次數(shù)下，負(fù)壓值由大到小順序?yàn)椋洪_啟1扇卸料門>開啟2扇卸料門>開啟3扇卸料門>全封閉，如圖4所示。

開啟1扇門、換氣次數(shù)1.5 h-1和開啟2扇門、換氣次數(shù)2 h-12種工況下，風(fēng)口所在水平面(高43.8 m)最小壓力達(dá)-30 Pa。卸料門水平面(高15.5 m)中除卸料門邊緣壓力偏高，接近正壓外，平面垃圾倉(cāng)池壁內(nèi)壓力值為-20～-15 Pa，見圖5、6。

a 開啟1扇門、換氣次數(shù)1.5 h-1

圖5 開啟1扇門、換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)垃圾倉(cāng)內(nèi)壓力云圖

圖6 開啟2扇門、換氣次數(shù)2 h-1時(shí)垃圾倉(cāng)內(nèi)壓力云圖

2扇門和4扇門開啟狀態(tài)下，垃圾倉(cāng)內(nèi)風(fēng)速在0.54 m/s以下，氣體流速變慢，不利于除臭系統(tǒng)收集臭氣。相比于4扇門，2扇門開啟狀態(tài)時(shí)卸料門處風(fēng)速較高，如圖7所示。

圖7 開啟不同門扇數(shù)量的風(fēng)速流線圖(x=19.7 m)

不同卸料門開啟狀態(tài)下調(diào)節(jié)除臭排風(fēng)狀態(tài)，除卸料門周圍及垃圾倉(cāng)底部池壁存在部分超壓區(qū)域外，垃圾倉(cāng)其余部分均可實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)壓控制，如圖8所示。

倉(cāng)內(nèi)壓力受空氣流動(dòng)的影響，卸料門至排風(fēng)管風(fēng)口之間區(qū)域壓力值變化較大。根據(jù)已有文獻(xiàn)的負(fù)壓范圍，利用模型計(jì)算不同卸料門開啟情況下倉(cāng)內(nèi)平均負(fù)壓為-30、-40 Pa時(shí)的換氣次數(shù)，見表1。由表1可知，垃圾倉(cāng)負(fù)壓值受到排風(fēng)量(風(fēng)機(jī)工況)及卸料門開啟(過流面積)的雙重影響，應(yīng)根據(jù)卸料門開啟狀態(tài)設(shè)置排風(fēng)量，相應(yīng)調(diào)整倉(cāng)內(nèi)壓力至合理范圍。

表1 倉(cāng)內(nèi)不同平均負(fù)壓下的換氣次數(shù) h-1

3.2 溝道間送風(fēng)對(duì)負(fù)壓的影響

3.2.1垃圾倉(cāng)換氣次數(shù)1 h-1

圖9顯示了換氣次數(shù)1 h-1時(shí)溝道間送風(fēng)風(fēng)速對(duì)倉(cāng)內(nèi)壓力的影響。隨著溝道間送風(fēng)風(fēng)速增大，倉(cāng)內(nèi)壓力成正比增加；當(dāng)溝道間送風(fēng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，垃圾倉(cāng)平均壓力僅-19 Pa。

圖9 換氣次數(shù)1 h-1時(shí)溝道間送風(fēng)風(fēng)速對(duì)倉(cāng)內(nèi)壓力的影響

3.2.2垃圾倉(cāng)換氣次數(shù)1.5 h-1

圖10顯示了換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)溝道間送風(fēng)風(fēng)速對(duì)倉(cāng)內(nèi)壓力的影響。溝道間送風(fēng)風(fēng)速在0.5～2.0 m/s時(shí)，垃圾倉(cāng)平均壓力達(dá)到-27.79～-24.13 Pa。送風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，垃圾倉(cāng)平均壓力為-10.46 Pa。

圖10 換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)溝道間送風(fēng)風(fēng)速對(duì)倉(cāng)內(nèi)壓力的影響

圖11為換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)溝道間送風(fēng)風(fēng)速1、2 m/s的壓力云圖。溝道間送風(fēng)風(fēng)速1、2 m/s時(shí)該剖面平均壓力達(dá)到-21.74、-14.01 Pa，平面區(qū)域內(nèi)未產(chǎn)生正壓，送風(fēng)風(fēng)速對(duì)于垃圾倉(cāng)負(fù)壓的影響僅限于送風(fēng)口周邊區(qū)域。

圖11 溝道間送風(fēng)換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)垃圾倉(cāng)內(nèi)壓力云圖

溝道間送風(fēng)將抵消部分垃圾倉(cāng)除臭排風(fēng)產(chǎn)生負(fù)壓，使得倉(cāng)內(nèi)存在局部高壓區(qū)域，可能造成臭氣泄漏。排風(fēng)量不變情況下需控制溝道間送風(fēng)量，如換氣次數(shù)1.5 h-1，溝道間送風(fēng)量為3 400 m3/h，倉(cāng)內(nèi)平均負(fù)壓為-27.79 Pa，接近-30 Pa，送風(fēng)口處壓力保持為-21.74 Pa。

3.3 根據(jù)風(fēng)量平衡估算壓力值

根據(jù)溝道間送風(fēng)量與垃圾倉(cāng)排風(fēng)量平衡原理，得出的平衡排風(fēng)量(平衡排風(fēng)量=垃圾倉(cāng)除臭排風(fēng)量-溝道間送風(fēng)量)。通過與無(wú)溝道間送風(fēng)工況進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)平均壓力對(duì)比(見圖12)，可得出兩者倉(cāng)內(nèi)平均壓力變化趨勢(shì)一致。根據(jù)倉(cāng)內(nèi)平均壓力確定平衡風(fēng)量后，可依據(jù)溝道間送風(fēng)量估算需增加的垃圾倉(cāng)排風(fēng)量。

圖12 無(wú)溝道間與有溝道間送風(fēng)工況倉(cāng)內(nèi)壓力對(duì)比

4 結(jié)論

1) 垃圾倉(cāng)負(fù)壓控制需結(jié)合垃圾倉(cāng)排風(fēng)量及卸料門開啟狀態(tài)判斷。卸料門開啟1扇時(shí)，倉(cāng)內(nèi)平均壓力相比開啟2、4扇效果更好，此時(shí)風(fēng)量需保證垃圾倉(cāng)換氣次數(shù)1.54 h-1、倉(cāng)內(nèi)平均壓力-30 Pa。因此，應(yīng)盡量減少垃圾卸料過程中卸料門開啟的數(shù)量，同時(shí)不能采取完全封閉狀態(tài)。卸料門開啟較多時(shí)，應(yīng)加大除臭排風(fēng)量。

2) 溝道間送風(fēng)將抵消部分垃圾倉(cāng)排風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)壓，倉(cāng)內(nèi)換氣次數(shù)1.5 h-1時(shí)，需控制溝道間送風(fēng)量小于3 400 m3/h。

3) 溝道間送風(fēng)狀態(tài)下，通過計(jì)算平衡風(fēng)量估算倉(cāng)內(nèi)平均壓力，其變化趨勢(shì)與垃圾倉(cāng)除臭系統(tǒng)單獨(dú)排風(fēng)的平均壓力變化趨勢(shì)一致。