劉陽(yáng)昊， 武珊珊， 于金寧，張昌運(yùn)，孫 迪

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，許多工藝存在含有污染物的浮射流無組織逸散問題，從而引起高溫物料所攜帶蒸汽向外逸散，向周圍環(huán)境中揮發(fā)大量的有毒污染物和熱量，造成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不佳且危害作業(yè)人員身體健康。對(duì)于局部裝置含高溫污染物捕集問題，排風(fēng)罩是控制工業(yè)建筑中浮射流的最直接、最有效的手段。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工業(yè)環(huán)境內(nèi)局部裝置的污染物逸散特性和上部排風(fēng)罩的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[1]。例如，孫一堅(jiān)[2]針對(duì)熱羽流問題提出了污染物排風(fēng)罩的設(shè)計(jì)方法，并將設(shè)計(jì)的排風(fēng)罩在卷煙廠、焊接車間等進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，取得了較好的捕集效果。郭建中等[3]對(duì)含有污染物的等溫射流上部排風(fēng)罩的物理參數(shù)與捕集效率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。黃艷秋、王怡等[4]對(duì)煉鐵廠擺動(dòng)流嘴生產(chǎn)過程中的高溫?zé)煔膺M(jìn)行了流場(chǎng)特性分析，基于CFD仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了局部排風(fēng)罩并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。由于現(xiàn)場(chǎng)裝置測(cè)試條件限制，不宜動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)污染物變化過程，故通過理論分析并借助CFD模擬等手段，對(duì)工業(yè)建筑內(nèi)污染物分布進(jìn)行研究，掌握其逸散規(guī)律及影響其捕集效果的主要原因，并且提出合理有效的改進(jìn)方案，能為項(xiàng)目改造提供參考依據(jù)[5]。

本文針對(duì)橡膠生產(chǎn)后處理工序中雙螺旋提升軌道內(nèi)產(chǎn)生的高溫污染物浮射流無組織逸散、且無局部捕集裝置的問題，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)既有工況下氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況給出3種捕集優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行比對(duì)分析,為后期工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)。

1 問題分析

雙螺旋提升機(jī)是橡膠生產(chǎn)后處理車間傳輸順丁橡膠顆粒的重要設(shè)備，由2個(gè)不同旋向的斜齒組成雙螺旋圓柱。該設(shè)備物料運(yùn)輸是靠傳輸機(jī)有規(guī)律地振動(dòng)，將烘干后的橡膠顆粒由下而上送至傳送帶處，在此過程中，橡膠顆粒因自身攜帶高溫余熱及有毒污染物質(zhì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，雙螺旋提升裝置軌道局部溫度50 ℃以上，且現(xiàn)場(chǎng)未設(shè)置局部通風(fēng)及捕集設(shè)施，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境較差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，該區(qū)域生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的污染物主要成分為正己烷，并含有少量丁二烯、環(huán)己烷、水汽、順丁橡膠微細(xì)固體膠沫等成分，其中正己烷、丁二烯和環(huán)己烷均有毒性并帶有刺激性氣味，被人體吸入后造成慢性中毒，威脅作業(yè)人員身體健康，因此，對(duì)該裝置污染物逸散問題進(jìn)行局部捕集治理勢(shì)在必行。

2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

為獲得提高雙螺旋排風(fēng)罩捕集效率的方法，采用計(jì)算流動(dòng)動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)浮射流散發(fā)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體流動(dòng)的控制方程包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)、動(dòng)量方程及能量守恒方程[10-12]。

2.1.1 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程如式(1)：

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

ux、uy、uz——流體沿x、y、z方向上的速度分量，m/s。

2.1.2 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程如式(2)：

(2)

式中：p——流體微元體上的壓力，Pa；

f——單位質(zhì)量力，m/s2；

θ——黏度系數(shù)。

2.1.3 能量方程

能量方程如式(3)：

(3)

式中：cp——比熱容，J/(kg·K)；

T——溫度，K；

K——流體的傳熱系數(shù)；

ST——流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，簡(jiǎn)稱為黏性耗散項(xiàng)，J。

2.1.4 湍流模型及組分運(yùn)輸模型

工程案例計(jì)算中應(yīng)用最廣泛、最基本的湍流模型為RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型，其中RNGk-ε模型適合高Re數(shù)的湍流計(jì)算模型，當(dāng)Re數(shù)比較低時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型就會(huì)出現(xiàn)問題。相比之下，Realizablek-ε模型能夠更好地表現(xiàn)工程中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離、強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)等問題[9-11]。本文的湍流模型選用Realizablek-ε模型，以更平穩(wěn)、更精確地反映工業(yè)中的氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于壁面處采用壁面函數(shù)處理，動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能等參數(shù)采用二階迎風(fēng)差分格式，對(duì)壓力與速度的非耦合采用SIMPLE算法求解。

2.2 物理模型

2.2.1 原有系統(tǒng)物理模型及網(wǎng)格劃分

為研究雙螺旋裝置污染物隨浮射流逸散特性，對(duì)未設(shè)排風(fēng)罩下原有系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，利用SCDM構(gòu)建物理模型，并建立外部流體域。使用ICEM軟件對(duì)該模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)雙螺旋裝置散發(fā)表面采用局部網(wǎng)格加密處理，以兼顧計(jì)算效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格總數(shù)為744 000，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，以證明結(jié)果可靠性。

2.2.2 邊界條件設(shè)定

雙螺旋結(jié)構(gòu)處非散發(fā)表面均設(shè)置為壁面，壁面溫度Te為333 K，施加無滑移固體邊界條件并設(shè)置為絕熱，垂直于壁面上的壓力梯度為0，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；雙螺旋結(jié)構(gòu)圓柱上表面即為散發(fā)面，設(shè)置為污染物浮射流散發(fā)速度入口邊界，浮射流初始溫度T0設(shè)置為340 K，初始速度為1.2 m/s，為垂向浮射流；計(jì)算域邊界速度和壓力均未知，設(shè)定為壓力出口。

3 裝置既有狀態(tài)下浮射流特性分析

3.1 浮射流速度、溫度模擬結(jié)果分析

圖1為雙螺旋結(jié)構(gòu)處含污染物浮射流溫度、速度三維云圖，由圖1(a)速度云圖可以看出，兩雙螺旋裝置污染物氣流均總體呈現(xiàn)垂直向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，少量氣流沿螺旋圓柱體向四周逸散，由圓形表面初始向上散發(fā)的速度很小，但隨著浮射流流程的增大，兩雙螺旋裝置浮射流速度開始匯聚到中心軸線處進(jìn)行疊加，原因?yàn)槭艿礁∩铀僮饔门c卷吸作用引發(fā)，使得浮射流速度在兩裝置中心線一定流程高度處逐漸增大。在浮射流高度斷面內(nèi)，速度也呈現(xiàn)正態(tài)分布，并由軸心向周圍衰減。此外，由圖1(b)溫度云圖可以看出，雙螺旋軌道散發(fā)表面由于承載高溫物料運(yùn)動(dòng)，溫度較高，最高處可達(dá)62 ℃，但隨著垂直向上沿程不斷的卷吸，主流質(zhì)量增大，熱流體與周圍卷吸進(jìn)來的空氣進(jìn)行熱量交換，根據(jù)傳遞的熱量守恒，使得溫度在雙螺旋裝置上方呈遞減的趨勢(shì)，當(dāng)卷吸到飽和時(shí)，溫度值趨于穩(wěn)定。

3.2 污染物濃度模擬結(jié)果分析

圖2為原系統(tǒng)雙螺旋裝置處丁二烯、環(huán)己烷和正己烷的濃度分布三維云圖，可以看出3種污染物氣流總體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)差別不大，在溫差造成的熱浮升力影響下，污染物氣流同時(shí)具有垂直向上部空間運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這可能是污染物濃度分布與溫度分布呈現(xiàn)相似的原因之一。因雙螺旋結(jié)構(gòu)散發(fā)特性，污染物氣流沿軸心橫向逃逸顯著。圖3(a)表示3種污染物濃度最大值均出現(xiàn)在雙螺旋結(jié)構(gòu)正上方，與圖2污染物濃度分布一致。圖3(b)、(c)分別表示散發(fā)源上方的壓力為正值，且原系統(tǒng)雙螺旋處的速度分布曲線與污染物濃度分布曲線趨于一致，污染物跟隨廠房?jī)?nèi)的氣流流動(dòng)。以上結(jié)果表明原雙螺旋工藝處污染物逸散嚴(yán)重且分布范圍較大，存在較大的污染暴漏風(fēng)險(xiǎn)和職業(yè)安全隱患，亟需設(shè)置局部排風(fēng)裝置對(duì)污染物進(jìn)行有效控制，且優(yōu)先考慮頂部排風(fēng)罩。

圖1 雙螺旋結(jié)構(gòu)處含污染物浮射流溫度、速度三維云圖

4 排風(fēng)罩方案設(shè)計(jì)及捕集效率比對(duì)

4.1 排風(fēng)罩結(jié)構(gòu)模型及模擬條件設(shè)置

根據(jù)雙螺旋裝置工藝特點(diǎn)及污染物逸散特性，考慮原有系統(tǒng)3類污染物隨浮射流均有向上散發(fā)的趨勢(shì)，在該雙螺旋裝置區(qū)域上方增設(shè)排風(fēng)頂吸罩。本文設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的捕集罩，設(shè)定總風(fēng)量Qe為18 m3/s、安裝高度H(排風(fēng)罩罩口距離雙螺旋圓柱散發(fā)表面的垂直距離)為0.5 m，通過數(shù)值模擬分析3種結(jié)構(gòu)在該工況下的浮射流污染物的捕集情況。

圖3 原系統(tǒng)雙螺旋處中軸線污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力及速度分布曲線

3種排風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案物理模型如圖4所示：方案1設(shè)計(jì)為單頂吸排風(fēng)罩(圖4(a))，罩口為2.0 m×4.8 m的矩形，面積為9.6 m2，罩體高為1.2 m。方案2在方案1的基礎(chǔ)上改變排風(fēng)罩的罩口形式，在雙螺旋裝置對(duì)應(yīng)的正上方形成2個(gè)環(huán)形風(fēng)口，罩口其余部分封閉(圖4(b))。此外，在罩體內(nèi)正中處增設(shè)導(dǎo)流板，引導(dǎo)污染物隨氣流從環(huán)形罩口吸入后向正上方罩口排出，防止污染物進(jìn)入罩體內(nèi)向四周逸散。單個(gè)環(huán)形罩口的面積約為2.3 m2，罩體頂部罩口的面積為0.64 m2，導(dǎo)流板高度為0.6 m。方案3將單頂吸罩改分為雙頂吸罩，并分別置于2個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的正上方(圖4(c))。雙頂吸罩形狀、大小均相同，罩口為2.0 m×2.0 m的矩形，面積為4.0 m2，罩體高1.2 m，單個(gè)頂吸罩風(fēng)量為9 m3/s，總風(fēng)量為18 m3/s。

方案模型網(wǎng)格劃分方法與原系統(tǒng)網(wǎng)格劃分方法相同，對(duì)裝置散發(fā)表面及排風(fēng)罩罩口進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，3種方案模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為270 000，912 000，740 000，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。增設(shè)排風(fēng)罩后，計(jì)算邊界條件與原系統(tǒng)大致相同，湍流計(jì)算模型及算法與未設(shè)排風(fēng)罩時(shí)計(jì)算方法保持一致。

4.2 不同方案模擬結(jié)果比對(duì)分析

分別對(duì)3種方案排風(fēng)罩內(nèi)流場(chǎng)情況進(jìn)行模擬研究，得到3種方案排風(fēng)罩布置下流場(chǎng)溫度及速度云圖如圖5～7所示?？梢悦黠@看出，在雙螺旋結(jié)構(gòu)上方增加排風(fēng)罩有效控制了溫度的影響區(qū)域，影響了浮射流的空間分布。相比之下，方案1排風(fēng)罩內(nèi)抽風(fēng)速度分布較方案2差，方案2排風(fēng)罩內(nèi)增設(shè)的內(nèi)部導(dǎo)流板能夠合理的組織罩體內(nèi)空氣流場(chǎng)的分布。導(dǎo)流板主要起到兩方面的作用：①擋板能使浮射流貼附其表面流動(dòng)，浮射流主體隨沿程高度的增加半徑不斷減小，向擋板方向發(fā)生偏移，擋板越長(zhǎng)，貼附效應(yīng)形成得越早，越有利于吸附浮射流的走向；②擋板能夠減少浮射流對(duì)周圍空氣的卷吸量，提高排風(fēng)罩捕集效率。

圖4 雙螺旋結(jié)構(gòu)頂吸罩計(jì)算模型

浮射流污染物捕集問題的關(guān)鍵因素在于排風(fēng)罩內(nèi)壓力的分布，在排風(fēng)罩設(shè)計(jì)過程中，罩頂內(nèi)的壓力值是重要指標(biāo)[12]。正壓值越大，浮射流污染物逃逸情況就越嚴(yán)重，相反，如果在排風(fēng)罩頂內(nèi)形成負(fù)壓狀態(tài)，可消除氣流的無組織逸散現(xiàn)象。圖8為3種方案排風(fēng)罩作用下雙螺旋裝置中軸線上的壓力分布曲線，可以看出3種方案罩口處的壓力為負(fù)值，保證了罩口處從外向里進(jìn)風(fēng)并防止污染物向外逸出，方案1和方案3所能達(dá)到的負(fù)壓值更大。相同風(fēng)量作用下，方案2形成的負(fù)壓值明顯大于方案1，說明排風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口面積減小，可以保證通風(fēng)氣流與浮射流疊加作用后在罩頂內(nèi)形成相對(duì)負(fù)壓狀態(tài)，因此，減小排風(fēng)罩罩口面積可作為優(yōu)化排風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的途徑之一。

圖5 增設(shè)方案1排風(fēng)罩后雙螺旋結(jié)構(gòu)處溫度、速度三維云圖

圖6 增設(shè)方案2排風(fēng)罩后雙螺旋結(jié)構(gòu)處溫度、速度三維云圖

圖7 增設(shè)方案3排風(fēng)罩后雙螺旋結(jié)構(gòu)處溫度、速度三維云圖

圖8 雙螺旋提升裝置中軸線壓力分布曲線

由模擬結(jié)果，同樣得到3種方案作用下，風(fēng)量18 m3/s時(shí)雙螺旋裝置中軸線上3種主要污染物濃度分布曲線，如圖9所示。可以看出，增設(shè)排風(fēng)罩后，3種主要污染物濃度值較未設(shè)排風(fēng)罩時(shí)明顯降低，污染物集中于排風(fēng)罩罩口(X軸線坐標(biāo)為6～8 m處)被捕集。對(duì)各方案排風(fēng)罩罩口處和雙螺旋裝置結(jié)構(gòu)污染物散發(fā)面處各取2 000個(gè)均勻分布的點(diǎn)，導(dǎo)出罩口和散發(fā)面處3類污染物的濃度值并計(jì)算出平均值和捕集效率，得到3種方案對(duì)于丁二烯(C4H6)、環(huán)己烷(C6H12)和正己烷(C6H14)3種主要污染物的捕集效率分別為：方案1：78.85%，67.86%，74.64%；方案2：79.12%，73.37%，75.38%；方案3：78.85%，67.86%，74.64%。

圖9 雙螺旋提升裝置中軸線污染物濃度分布曲線

4.3 風(fēng)量對(duì)方案捕集效率的影響

局部排風(fēng)罩通過風(fēng)機(jī)在罩內(nèi)形成負(fù)壓抽風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)含污染物浮射流的捕集，因此，風(fēng)量的控制是影響污染物捕集效率的重要因素，合適的風(fēng)量既能提高對(duì)浮射流的捕集效率，還可減少通風(fēng)系統(tǒng)能源消耗，根據(jù)3.2節(jié)數(shù)值模擬得到3種方案作用下丁二烯、環(huán)己烷和正己烷在雙螺旋處中軸線上濃度分布曲線，采用相同的方法模擬計(jì)算了各優(yōu)化方案在3，6，10，14，8 m3/s 5個(gè)工況下的捕集效率，并將計(jì)算結(jié)果繪制曲線如圖10所示。

圖10 3種方案對(duì)三類污染物的捕集效率與設(shè)計(jì)風(fēng)量的關(guān)系曲線

由圖10可得，3種方案對(duì)于3種主要污染物的捕集效率η均隨著風(fēng)量Qe的增大而提高，但在風(fēng)量達(dá)到一定值時(shí)捕集效率均出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后隨著風(fēng)量的增加捕集效率基本持平。對(duì)于丁二烯和環(huán)己烷的捕集，方案2和方案3效果明顯優(yōu)于方案1；方案2對(duì)于3種污染物的捕集均能在風(fēng)量為Qe=6 m3/s時(shí)達(dá)到最大捕集率，但方案3對(duì)于3種污染物質(zhì)的捕集達(dá)到最大捕集率所需要的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案1和方案2；從節(jié)能的角度來考慮，排風(fēng)量越大，風(fēng)機(jī)的能耗也就越高；因此，綜合考慮捕集效果和能源消耗，選定方案2作為最佳排風(fēng)罩設(shè)計(jì)方案，排風(fēng)量Qe確定為6 m3/s,即21 600 m3/h，此工況下對(duì)于3種污染物的捕集效率分別為80.05%，70.20%，69.80%。

5 結(jié)論

針對(duì)廠房?jī)?nèi)部雙螺旋提升裝置浮射流捕集問題，提出了適用于含高溫污染物浮射流分析的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：

a) 原雙螺旋裝置污染物逸散嚴(yán)重，浮射流具有垂直向上部空間運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，且沿螺旋軌道向四周散發(fā)，受溫差造成的浮升力的影響，污染物濃度和溫度呈現(xiàn)相同的分布，因此對(duì)于雙螺旋提升裝置浮射流的捕集優(yōu)先考慮頂吸罩。

b) 增加排風(fēng)罩的排風(fēng)量可以在一定程度上提高捕集效率，當(dāng)風(fēng)量達(dá)到一定值時(shí)捕集效率均出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后隨著風(fēng)量的增加捕集效率基本持平，從節(jié)能的角度來看排風(fēng)量增大是有限的。但在罩內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板可以使浮射流貼附其表面流動(dòng)，同時(shí)減少浮射流對(duì)周圍空氣的卷吸，從而提高捕集效率。

c) 針對(duì)該廠房雙螺旋提升裝置，提出了3種捕集方案，最優(yōu)方案能在排風(fēng)量6 m3/s條件下，對(duì)3種主要污染物的捕集效率分別達(dá)到80.05%，70.20%，69.80%，為工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)。