紫外光源對煉膠煙氣處理效率的影響分析

李志華，胡立皓，蘇 昕，趙憲冰，林廣義

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

橡膠制品以其良好的耐磨、緩沖吸震、絕緣、密封性能已成為現代工業不可或缺的產品[1-3]。煉膠作為制造橡膠制品的首道工序，在生產過程中會產生大量的煙氣，其成分主要為顆粒物和揮發性有機廢氣等[4-6]。顆粒物可以通過設置電磁脈沖反吹袋式除塵器予以收集。揮發性有機廢氣如不進行處理，人大量吸入后會對多個器官及系統造成損害，甚至使其發生病變而引發癌癥或者致人死亡；擴散到大氣中則會引起霧霾或化學煙霧，對大范圍的自然環境造成污染，對環境生物產生深遠而消極的影響[7-10]。

光催化氧化法是近年來新興的煙氣處理方法[11-12]，與其他方法相比具有明顯的優勢：與吸附法相比，不會產生吸附劑固廢污染；與燃燒法相比，消耗能量較低；與生物法相比，運行環境要求低、工藝簡單；與低溫等離子體法相比，不需要高電壓，并且更加安全可靠。此外，光催化氧化法運行設備體積小、維護簡便。煉膠過程產生的低濃度、多成分的有機廢氣（煉膠煙氣）在光催化氧化技術的處理范圍。因此，光催化氧化是處理煉膠煙氣較為有效的方法[13-14]。

光催化氧化設備的核心部件是紫外光源。煉膠煙氣在紫外光源射出的高能紫外線光束的照射下降解成無害低分子化合物，如CO2和H2O等[15]。合理布置紫外光源可以提高整體輻照強度及其均勻性，從而提高煉膠煙氣的處理效率。

本工作利用Ansys Fluent軟件對光催化氧化設備工作腔體進行分析，基于Do輻射模型模擬紫外光源的布置，研究紫外光源對煉膠煙氣處理效率的影響，可為光催化氧化設備的優化設計提供參考。

1 工作腔體模型

由于煉膠煙氣量較大，光催化氧化設備（其中包括與輻照無關的粉體過濾結構）的外形尺寸也較大。如果不對光催化氧化設備進行適當簡化，將會使模擬變得非常繁雜，降低仿真效率和精度。因此，本工作在符合實際的前提下，忽略光催化氧化設備工作腔體進出口端所設置的過濾網等裝置（不會對光氧化設備的輻照強度產生影響）。使用紫外燈管作為紫外光源，考慮到紫外燈管的支撐和固定，一般將紫外燈管在工作腔體內水平平行放置，且紫外燈管的軸線方向與被處理氣體的流動方向垂直。相鄰紫外燈管在工作腔體中的排列形式有多種，最常見的是相鄰紫外燈管呈正方形排列和菱形排列兩種形式，如圖1所示。

由于實際設計的工作腔體一般為左右對稱結構，在ICEM CFD軟件中建立半個腔體的反應器模型，可以大大減小網格數量，加快求解速度，同時通過設置對稱邊界條件可以獲得整個模型中輻照強度的大小和分布。將采用不同紫外燈管排列的工作腔體分別建模，在ICEM CFD軟件中劃分模型 網格，對紫外燈管附近的網格進行加密以獲得更加可靠的解，得到了紫外燈管呈正方形及菱形排列的模型網格，其鏡像顯示見圖2。

2 求解設置

調用ANSYS Workbench軟件中的Fluent子模塊，導入模型網格，選擇湍流模型并打開Do輻射模型、設置非灰體模型輻射波帶、設置仿真流體計算域空氣材料屬性、半透明邊界條件等，每只U形紫外燈管功率為150 W，根據C波段紫外光發光功率及紫外燈管尺寸，按照相關公式計算設置紫外燈管初始輻照強度為650 J·s-1·m-2。由于紫外燈管管壁由石英玻璃制作，需要設置紫外燈管壁面邊界條件為半透明，其折射率為1.5，其余壁面條件設置為不透明，設置漫反射分數及發射率分別為0.8和0.75。在Fluent子模塊中設置能量方程及輻射方程，收斂殘差為1×10-6。計算結束后將計算結果導入CFD-Post后處理軟件，并進行數據處理，得到輻照強度大小及其分布。

3 結果與討論

3.1 紫外燈管不同排列時工作腔體的輻照強度分布

通過CFD-Post后處理軟件對數據進行處理，得到紫外燈管采用正方形排列和菱形排列時在工作腔體中XOZ，XOY，YOZ截面方向的輻照強度分布云圖，分別如圖3和4所示。

從圖3和4可以看出：在工作腔體中輻照強度分布差異較大，輻照強度在燈管附近較大，遠離燈管則較小；與紫外燈管采用菱形排列時對比，紫外燈管采用正方形排列時輻照強度分布不均勻程度更為嚴重，在相鄰紫外燈管之間會出現較大面積的輻照強度較小的區域。這意味著當煉膠煙氣流經這些區域時，其接收到的輻照強度將顯著小于紫外燈管周圍區域，相應的煉膠煙氣處理效率自然會顯著下降，即紫外燈管采用菱形排列可以有效提高煉膠煙氣處理效率。

3.2 紫外燈管不同排列時工作腔體的輻照強度變化

為了進一步研究紫外燈管排列形式對工作腔體中輻照強度大小及分布均勻性的影響，通過在后處理器中創建輻照強度隨坐標軸變化的曲線來進行分析。

由于工作腔體兩端靠近氣流出入口處沒有紫外燈管，所以在工作腔體兩端輻照強度較小，但對于研究工作腔體中因紫外燈管排列引起的輻照強度變化沒有太大影響。取工作腔體長度方向（進出氣流運動方向，即X軸）的坐標為－0.65～0.65 m、工作腔體高度方向（垂直于進出氣流運動方向，即Z軸）的坐標為－0.20～0 m的區域進行研究，以X和Z軸上下限所形成的區域可以看作由紫外燈管之間連線組成的若干正方形或菱形的總和，即整個工作腔體可以看作是多個這種區域的總和，因此輻照強度在該區域的分布趨勢與在整個工作腔體中一致，當該區域內的紫外燈管在兩種排列方式下Z坐標取－0.20，－0.10，－0.05，0 m時，做出沿X軸工作腔體中輻照強度變化的曲線，分別如圖5和6所示。

從圖5和6可以看出：紫外燈管的正方形排列和菱形排列都存在工作腔體中間區域的輻照強度略大于兩端的現象，這是由于工作腔體中間區域的輻照強度是多個紫外燈管輻照在該處的疊加效果導致的；同時，兩種紫外燈管排列形式的輻照強度都是在紫外燈管附近較大，遠離紫外燈管則較小。從圖5還可以看出，當紫外燈管呈正方形排列時，工作腔體中橫向輻照強度在紫外燈管與紫外燈管之間均發生了較大的跳躍，使工作腔體中輻照強度呈強弱跳躍的劇烈變化。從圖6還可以看出，當紫外燈管采用菱形排列時，工作腔體中輻照強度除了在紫外燈管處變化較大外，紫外燈管之間區域的輻照強度沿著橫向分布比較均勻，輻照強度上下限值的差值也較小。說明紫外燈管采用菱形排列時，工作腔體中輻照強度分布較為均勻，有利于煉膠煙氣處理效率的提高。

4 結論

（1）不同排列形式的紫外燈管會影響工作腔體中輻照強度分布均勻性，從而對煉膠煙氣處理效率產生影響。

（2）與紫外燈管采用正方形排列時相比，紫外燈管采用菱形排列時工作腔體中輻照強度更大及其分布均勻性更好。

（3）工作腔體中間區域的輻照強度略大于兩端的輻照強度，紫外燈管正方形排列時工作腔體中輻照強度的上下極限差值較紫外燈管菱形排列時要大得多，即相同功率的紫外燈管采用菱形排列時，對煉膠煙氣的處理效率更高。

本工作仿真結果可為橡膠廠煉膠煙氣光催化氧化設備的設計提供參考。同時需要注意，本工作僅分析了煉膠煙氣處理效率受到光催化氧化設備中紫外燈管排列形式的影響。由于煉膠煙氣處理效率的影響因素還有很多，如煙氣運行速度、停留時間、紫外燈管數量及功率等，實際工作中需要綜合考慮各因素，才能設計出符合需求、滿足排放標準的設備。