曹東明 于文俊

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 北京 100082）

0 引言

現(xiàn)階段垃圾處理廠房?jī)?nèi)除臭研究主要集中在臭氣處理工藝及對(duì)周邊環(huán)境的影響[1-10]，對(duì)于臭氣收集端，也就是吸風(fēng)口布置位置及相關(guān)參數(shù)的研究比較少，且現(xiàn)階段文獻(xiàn)大多集中在分析室內(nèi)除臭工況或氣流走向等方面[11,12]，缺乏臭氣收集吸風(fēng)口布置的相關(guān)研究。但臭氣吸風(fēng)口的設(shè)置參數(shù)直接影響到后端臭氣處理風(fēng)量及室內(nèi)氣流組織，從而影響室內(nèi)臭氣收集效果，并對(duì)除臭系統(tǒng)處理風(fēng)量影響較大。

以生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站為例，臭氣源主要集中在生活垃圾卸料坑內(nèi)，卸料門處需為負(fù)壓，以阻止臭氣外逸。工程上的負(fù)壓措施主要是設(shè)置吸風(fēng)口，垃圾卸料坑內(nèi)吸風(fēng)口位置的不同對(duì)臭氣捕集效果有所不同。卸料坑內(nèi)空氣污染物以濃度差或密度差為動(dòng)力向上揮發(fā)，而吸風(fēng)口處形成的負(fù)壓不僅吸入揮發(fā)出的污染物，同時(shí)吸入周邊空氣。為便于分析吸風(fēng)口位置對(duì)臭氣捕集效果的影響，忽略吸風(fēng)口補(bǔ)風(fēng)方式、周圍工藝操作引起的氣流干擾等影響因素，默認(rèn)各種吸風(fēng)方式均為自然補(bǔ)風(fēng)，且補(bǔ)風(fēng)面積相同。

選擇典型的三種吸風(fēng)口布置位置：上吸風(fēng)、側(cè)吸風(fēng)、下吸風(fēng)三種方式。以吸風(fēng)口負(fù)壓值為變量，對(duì)比三種風(fēng)口布置形式下的臭氣捕集效果。

生活垃圾組成物質(zhì)主要有餐廚類、橡塑類、紙類、紡織類、木竹類、金屬類以及陶瓷、玻璃等無機(jī)材料類等[13,14]。垃圾在卸料、輸送、分選等過程中，在微生物作用下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生H2S、NH3和揮發(fā)性有機(jī)物等多種惡臭氣體[15-17]。

以臭氣成分硫化氫[18]為例，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同吸風(fēng)位置進(jìn)行模擬?？偨Y(jié)對(duì)比吸風(fēng)口位于不同位置、不同負(fù)壓值等情況下，卸料坑附近的氣流特性，并分析其對(duì)硫化氫逸散的影響。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（computational fluid dynamics,CFD）常用于研究包括室內(nèi)氣流組織、室內(nèi)污染物研究等[19,20]諸多領(lǐng)域，并能達(dá)到較好效果。

1 模擬參數(shù)設(shè)置與驗(yàn)證

以生活垃圾卸料坑及卸料門的常規(guī)尺寸和參數(shù)進(jìn)行建模。料坑尺寸為6m×4m×3m；卸料坑設(shè)置卸料門，尺寸為8m×5.5m。

頂吸風(fēng)口位于卸料坑頂部；側(cè)吸風(fēng)口位于卸料坑側(cè)方，與卸料門相對(duì)；下吸風(fēng)口位于卸料坑內(nèi)部卸料口一下。三處風(fēng)口尺寸一致，各個(gè)風(fēng)口布置位置詳見圖1。

圖1 物理模型Fig.1 3D physical model

CFD模擬采用Phoenics軟件，考慮室內(nèi)空氣流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，采用三維N-S方程作為控制方程，并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型建立封閉的控制方程組[21,22]，采用迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散計(jì)算，收斂殘差為10-3。

室內(nèi)空氣流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，采用三維N-S方程作為控制方程[23,24]，并采用k-ε模型[25]建立封閉的控制方程組。

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；U為速度矢量，m/s；T為空氣溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；cp為定壓比熱，kJ/kg·K；φ為速度變量，代表三個(gè)坐標(biāo)方向上的分速度u、v、w，m/s；η為動(dòng)力粘度，N·s/m2；ST、Sφ為廣義源項(xiàng)，cs為組分s體積濃度，ρcs為組分s質(zhì)量濃度，Ds為組分s擴(kuò)散系數(shù)，SS為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分s的質(zhì)量。k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ηt為湍動(dòng)粘度；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；σε、σε分別是與k、ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，取值1.0、1.3；C1ε、C2ε為模型常數(shù)，取值1.44、1.92。

模擬假設(shè)：

（1）不考慮料坑外空間通風(fēng)對(duì)料坑的影響。

（2）計(jì)算區(qū)域內(nèi)氣體為不可壓縮牛頓流體，

流態(tài)為穩(wěn)態(tài)。

（3）臭氣散發(fā)量不隨時(shí)間改變，為恒定值。

（4）不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)流體造成的阻損。

（5）暫不考慮補(bǔ)風(fēng)位置對(duì)流體的影響。

（6）暫不考慮風(fēng)口尺寸對(duì)氣流分布的影響。

邊界設(shè)置：

料坑內(nèi)設(shè)置臭氣吸風(fēng)口，補(bǔ)風(fēng)為卸料空間外墻自然補(bǔ)風(fēng)。垃圾臭氣散發(fā)受溫度、濕度、垃圾成分等諸多因素影響。為了便于觀察特定污染物散發(fā)量下的通風(fēng)除臭效果，散發(fā)量取定值進(jìn)行分析，且具體取值不做進(jìn)一步研究與闡述。

表1 邊界設(shè)置Table 1 Boundary Settings

模型計(jì)算區(qū)域尺寸為12m×28m×13m，采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，取負(fù)壓值為1Pa時(shí)，進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量及對(duì)應(yīng)結(jié)果如下所示。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of different mesh numbers

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.2 Results contrast of different mesh numbers

計(jì)算結(jié)果可以看出2、3號(hào)網(wǎng)格數(shù)計(jì)算結(jié)果基本一致，本模擬采用2號(hào)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬。

卸料坑內(nèi)設(shè)置INLET作為臭氣散發(fā)源，料坑外空間設(shè)置OUTLET作為自然補(bǔ)風(fēng)口。

2 結(jié)果與討論

理論上，負(fù)壓值越大，吸風(fēng)口附近臭氣越容易吸入吸風(fēng)口。同時(shí)，吸風(fēng)量相應(yīng)增加，引起卸料口周邊風(fēng)速增加，更容易捕捉外逸臭氣。

對(duì)于頂排風(fēng)和側(cè)排風(fēng)，為便于模擬分析，此處忽略料坑的深度對(duì)吸風(fēng)的影響，認(rèn)為料坑內(nèi)臭氣散發(fā)平面與地面一致。吸風(fēng)口采用OUTLET，并分別設(shè)置其負(fù)壓值。

2.1 風(fēng)口負(fù)壓值與卸料門負(fù)壓值分析

吸風(fēng)口位于不同位置，隨著吸風(fēng)口負(fù)壓值變化，卸料門處負(fù)壓平均值變化規(guī)律如圖3所示。下吸風(fēng)垃圾堆放面深選取0.6m、1.5m、3.0m等典型值進(jìn)行分析，此時(shí)的料坑深度即為臭氣散發(fā)面深度。為了便于對(duì)比分析，簡(jiǎn)稱為頂吸風(fēng)、側(cè)吸風(fēng)、0.6m下吸風(fēng)、1.5m下吸風(fēng)及3.0m下吸風(fēng)。

圖3 吸風(fēng)負(fù)壓值與卸料門處負(fù)壓平均值Fig.3 Correlations of average negative pressure values between head-outlet and door area

分析上吸風(fēng)數(shù)值結(jié)果可以看出，卸料門處的負(fù)壓絕對(duì)值隨著吸風(fēng)口負(fù)壓增大成線型增長(zhǎng)關(guān)系。頂吸風(fēng)卸料門處的負(fù)壓基本為吸風(fēng)口負(fù)壓的0.7倍，側(cè)吸風(fēng)卸料門處的負(fù)壓基本為吸風(fēng)口負(fù)壓的0.88倍，下吸風(fēng)口負(fù)壓根據(jù)垃圾堆放面深度不同，基本為吸風(fēng)口負(fù)壓值的0.04～0.4倍。

側(cè)吸風(fēng)引起的卸料門處平均負(fù)壓最大，頂吸風(fēng)次之，下吸風(fēng)平均負(fù)壓最小。針對(duì)吸風(fēng)口位于下部情況，卸料門處風(fēng)速在垃圾堆放面深3.0m時(shí)，平均負(fù)壓最大，1.5m次之，深0.6m時(shí)，最小。

由于卸料門至吸風(fēng)口的氣流流動(dòng)軌跡基本為直線，無變向，其流動(dòng)阻力較小。同時(shí)，由于吸風(fēng)口位于下部時(shí)，氣流變向較多，卸料門處負(fù)壓值最小。

垃圾堆放面對(duì)于下吸風(fēng)布置的主要影響是氣流通道面積，堆放面越高，氣流流通面積越小，此時(shí)造成卸料門處的負(fù)壓也較小。

2.2 風(fēng)口負(fù)壓值與卸料門處風(fēng)速分析

吸風(fēng)口分別位于卸料坑上、側(cè)、下部（-0.6m）時(shí)，取-5Pa負(fù)壓值情況下，卸料門處風(fēng)速分布云圖如圖4所示。

吸風(fēng)口分別位于卸料坑上、側(cè)、下部（-0.6m）時(shí)，取-5Pa負(fù)壓值情況下，料坑內(nèi)風(fēng)速分布云圖如圖5所示。

圖5 卸料坑內(nèi)速度云圖Fig.5 Distribution of velocities in the pit

對(duì)比速度分布云圖可以看出，側(cè)吸風(fēng)情況下，卸料門處速度分布比較均勻，且速度值相對(duì)較大，料坑內(nèi)流速分布也比較均勻。下吸風(fēng)引起的卸料門及料坑內(nèi)氣流流態(tài)發(fā)展并不明顯，呈流速低，分布不均現(xiàn)象。頂吸風(fēng)引起的料坑內(nèi)氣流效果介于兩者之間。

吸風(fēng)口分別位于卸料坑上、側(cè)、下部時(shí)，隨著負(fù)壓值增大，卸料門處的平均風(fēng)速變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 吸風(fēng)口負(fù)壓值與卸料門處風(fēng)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)

對(duì)比分析模擬云圖可以看出，側(cè)吸風(fēng)卸料門處平均風(fēng)速值最大，頂吸風(fēng)次之，下側(cè)吸風(fēng)卸料門處的平均風(fēng)速值最小。

隨著負(fù)壓值增大，卸料門處的平均風(fēng)速逐漸增大，并成二次函數(shù)關(guān)系。其中，下吸風(fēng)隨著料坑深度的增加卸料門平均風(fēng)速呈增大趨勢(shì)。

下吸風(fēng)情況，卸料門處平均風(fēng)速在垃圾堆放面3.0m時(shí)最大，1.5m次之，0.6m時(shí)最小。料坑越深，下吸風(fēng)氣流發(fā)展越充分，其阻力越小，因而引起卸料門處的平均風(fēng)速越大。

2.3 卸料門處H2S濃度分析

吸風(fēng)口位置與卸料門處硫化氫濃度云圖如圖7所示。

圖7 H2S濃度云圖Fig.7 Distribution of H2S concentration

從濃度云圖可以看出，-1.5m下吸風(fēng)情況下，卸料門處及料坑內(nèi)H2S濃度最低。上吸風(fēng)及側(cè)吸風(fēng)在卸料門底部均會(huì)產(chǎn)生臭氣外逸區(qū)域，下吸風(fēng)在卸料門上部會(huì)產(chǎn)生臭氣外逸。此現(xiàn)象與吸風(fēng)口引起的氣流流態(tài)有關(guān)，吸風(fēng)口位置不同，遠(yuǎn)離吸風(fēng)口或有阻礙區(qū)域會(huì)產(chǎn)生氣流死區(qū)，此處容易產(chǎn)生臭氣外逸。

吸風(fēng)口負(fù)壓值與卸料門處硫化氫濃度變化如下圖所示。當(dāng)垃圾堆放面深為3m時(shí)，其臭氣捕集效果優(yōu)于1.5m及0.6m。為了便于與側(cè)吸風(fēng)及頂吸風(fēng)方式進(jìn)行對(duì)比，此處暫不分析3m深情況。

圖8 吸風(fēng)口負(fù)壓值與卸料門處H2S濃度值Fig.8 Negative pressure values of outlet and average H2S concentration values of pit door area

吸風(fēng)口位于卸料下部時(shí)，卸料門處的硫化氫濃度值明顯小于頂吸風(fēng)和側(cè)吸風(fēng)情況。同時(shí)垃圾堆放面越深，卸料門處硫化氫濃度越小。

側(cè)吸風(fēng)情況卸料門處濃度平均值相對(duì)頂吸風(fēng)卸料門處濃度平均值較小，說明側(cè)吸風(fēng)對(duì)于臭氣捕集效果優(yōu)于頂吸風(fēng)。

在負(fù)壓值在小于5Pa時(shí)，0.6m深堆料面的下吸風(fēng)口作用下，卸料門處H2S平均濃度值最大，頂吸風(fēng)口次之，1.5m深堆料面的下吸風(fēng)最小。隨著負(fù)壓值增大，下吸風(fēng)情況卸料門處H2S平均濃度值逐漸增減小，卸料門處的濃度減小量增速最大。同時(shí)，堆料深度越大，卸料門處硫化氫濃度越小。

由以上分析可以看出，下吸風(fēng)對(duì)于防止臭氣逸散效果跟垃圾堆料面深度和負(fù)壓值密切相關(guān)。負(fù)壓值越大，堆料面越深，越有利于防止臭氣逸散。

從卸料門處的負(fù)壓值和速度值可以看出，吸風(fēng)口位于下部時(shí)，卸料門處的負(fù)壓和捕集風(fēng)速并非最大，但從卸料門處H2S平均濃度值對(duì)比分析可以看出，排風(fēng)口位于下部時(shí)，卸料門處臭氣外逸相對(duì)較少。

分析產(chǎn)生此問題的原因是，臭氣散發(fā)通過卸料口后再散發(fā)至卸料門處。因而，對(duì)臭氣的捕集有兩道重要區(qū)域：卸料口及卸料門，如圖9所示。雖然下吸風(fēng)作用下卸料門處的風(fēng)速相對(duì)偏小，但是卸料口處風(fēng)速較大，能夠較好阻礙臭氣逸散。但對(duì)于頂吸風(fēng)及側(cè)吸風(fēng)，卸料口則并非臭氣捕集區(qū)域。

圖9 卸料口及卸料門位置Fig.9 Positions of outlet in the pit and door area

因而，對(duì)于臭氣逸散，應(yīng)盡量在靠近臭氣源的區(qū)域進(jìn)行捕集，如此才能提高臭氣吸風(fēng)口的捕集效率：以較小的風(fēng)量防止臭氣逸散。

3 結(jié)論

綜上，吸風(fēng)口布置位置對(duì)臭氣捕集效果影響較大，合理采用吸風(fēng)口布置能夠在保證臭氣收集效果的前提下降低吸風(fēng)量。

本文是以垃圾站卸料坑臭氣捕集為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)口布置的研究，總結(jié)對(duì)比了常規(guī)風(fēng)口布置的除臭效果，對(duì)工程設(shè)計(jì)尤其臭氣源卸料區(qū)域有一定參考意義。

工程設(shè)計(jì)中，在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用下吸風(fēng)的方式對(duì)垃圾坑內(nèi)臭氣進(jìn)行收集，也就是靠近垃圾源附件布置吸風(fēng)口。同時(shí)，垃圾料坑卸料口尺寸應(yīng)盡量小，便于以最小風(fēng)量捕集臭氣。垃圾堆放面深度應(yīng)盡量大于0.6m，以保證氣流能夠充分發(fā)展，減少其流動(dòng)阻力。

由于下吸風(fēng)口對(duì)于卸料門處造成的負(fù)壓值較小，因而，對(duì)于卸料門處有臭氣源的情況，應(yīng)盡量采用側(cè)吸風(fēng)口布置形式。

工程上常用的頂部吸風(fēng)罩類似于頂吸風(fēng)工況，對(duì)于臭氣捕集效果最差。

本研究未考慮補(bǔ)風(fēng)方式、卸料擾動(dòng)、室內(nèi)氣流波動(dòng)等對(duì)臭氣外逸的影響，但這些情況是現(xiàn)階段卸料過程中臭氣外逸的重要影響因素，在以后研究中需進(jìn)一步細(xì)化。