垃圾處理廠卸料坑吸風口位置及負壓值對臭氣逸散影響分析

曹東明 于文俊

（北京市市政工程設計研究總院有限公司 北京 100082）

0 引言

現階段垃圾處理廠房內除臭研究主要集中在臭氣處理工藝及對周邊環境的影響[1-10]，對于臭氣收集端，也就是吸風口布置位置及相關參數的研究比較少，且現階段文獻大多集中在分析室內除臭工況或氣流走向等方面[11,12]，缺乏臭氣收集吸風口布置的相關研究。但臭氣吸風口的設置參數直接影響到后端臭氣處理風量及室內氣流組織，從而影響室內臭氣收集效果，并對除臭系統處理風量影響較大。

以生活垃圾轉運站為例，臭氣源主要集中在生活垃圾卸料坑內，卸料門處需為負壓，以阻止臭氣外逸。工程上的負壓措施主要是設置吸風口，垃圾卸料坑內吸風口位置的不同對臭氣捕集效果有所不同。卸料坑內空氣污染物以濃度差或密度差為動力向上揮發，而吸風口處形成的負壓不僅吸入揮發出的污染物，同時吸入周邊空氣。為便于分析吸風口位置對臭氣捕集效果的影響，忽略吸風口補風方式、周圍工藝操作引起的氣流干擾等影響因素，默認各種吸風方式均為自然補風，且補風面積相同。

選擇典型的三種吸風口布置位置：上吸風、側吸風、下吸風三種方式。以吸風口負壓值為變量，對比三種風口布置形式下的臭氣捕集效果。

生活垃圾組成物質主要有餐廚類、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，在微生物作用下會發生分解，產生H2S、NH3和揮發性有機物等多種惡臭氣體[15-17]。

以臭氣成分硫化氫[18]為例，采用計算流體動力學方法對不同吸風位置進行模擬。總結對比吸風口位于不同位置、不同負壓值等情況下，卸料坑附近的氣流特性，并分析其對硫化氫逸散的影響。計算流體動力學方法（computational fluid dynamics,CFD）常用于研究包括室內氣流組織、室內污染物研究等[19,20]諸多領域，并能達到較好效果。

1 模擬參數設置與驗證

以生活垃圾卸料坑及卸料門的常規尺寸和參數進行建模。料坑尺寸為6m×4m×3m；卸料坑設置卸料門，尺寸為8m×5.5m。

頂吸風口位于卸料坑頂部；側吸風口位于卸料坑側方，與卸料門相對；下吸風口位于卸料坑內部卸料口一下。三處風口尺寸一致，各個風口布置位置詳見圖1。

圖1 物理模型Fig.1 3D physical model

CFD模擬采用Phoenics軟件，考慮室內空氣流動基本為湍流流動，采用三維N-S方程作為控制方程，并采用標準k-ε模型建立封閉的控制方程組[21,22]，采用迎風差分格式進行離散計算，收斂殘差為10-3。

室內空氣流動基本為湍流流動，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為時間，s；U為速度矢量，m/s；T為空氣溫度，K；λ為導熱系數，W/m·K；cp為定壓比熱，kJ/kg·K；φ為速度變量，代表三個坐標方向上的分速度u、v、w，m/s；η為動力粘度，N·s/m2；ST、Sφ為廣義源項，cs為組分s體積濃度，ρcs為組分s質量濃度，Ds為組分s擴散系數，SS為系統內部單位時間內單位體積通過化學反應產生的組分s的質量。k為湍動能；ε為湍流耗散率；ηt為湍動粘度；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；σε、σε分別是與k、ε對應的Prandtl數，取值1.0、1.3；C1ε、C2ε為模型常數，取值1.44、1.92。

模擬假設：

（1）不考慮料坑外空間通風對料坑的影響。

（2）計算區域內氣體為不可壓縮牛頓流體，

流態為穩態。

（3）臭氣散發量不隨時間改變，為恒定值。

（4）不考慮圍護結構對流體造成的阻損。

（5）暫不考慮補風位置對流體的影響。

（6）暫不考慮風口尺寸對氣流分布的影響。

邊界設置：

料坑內設置臭氣吸風口，補風為卸料空間外墻自然補風。垃圾臭氣散發受溫度、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量下的通風除臭效果，散發量取定值進行分析，且具體取值不做進一步研究與闡述。

表1 邊界設置Table 1 Boundary Settings

模型計算區域尺寸為12m×28m×13m，采用六面體進行網格劃分，取負壓值為1Pa時，進行計算，網格數量及對應結果如下所示。

表2 不同網格數計算結果Table 2 Results of different mesh numbers

圖2 不同網格數計算結果Fig.2 Results contrast of different mesh numbers

計算結果可以看出2、3號網格數計算結果基本一致，本模擬采用2號網格數量進行模擬。

卸料坑內設置INLET作為臭氣散發源，料坑外空間設置OUTLET作為自然補風口。

2 結果與討論

理論上，負壓值越大，吸風口附近臭氣越容易吸入吸風口。同時，吸風量相應增加，引起卸料口周邊風速增加，更容易捕捉外逸臭氣。

對于頂排風和側排風，為便于模擬分析，此處忽略料坑的深度對吸風的影響，認為料坑內臭氣散發平面與地面一致。吸風口采用OUTLET，并分別設置其負壓值。

2.1 風口負壓值與卸料門負壓值分析

吸風口位于不同位置，隨著吸風口負壓值變化，卸料門處負壓平均值變化規律如圖3所示。下吸風垃圾堆放面深選取0.6m、1.5m、3.0m等典型值進行分析，此時的料坑深度即為臭氣散發面深度。為了便于對比分析，簡稱為頂吸風、側吸風、0.6m下吸風、1.5m下吸風及3.0m下吸風。

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

分析上吸風數值結果可以看出，卸料門處的負壓絕對值隨著吸風口負壓增大成線型增長關系。頂吸風卸料門處的負壓基本為吸風口負壓的0.7倍，側吸風卸料門處的負壓基本為吸風口負壓的0.88倍，下吸風口負壓根據垃圾堆放面深度不同，基本為吸風口負壓值的0.04～0.4倍。

側吸風引起的卸料門處平均負壓最大，頂吸風次之，下吸風平均負壓最小。針對吸風口位于下部情況，卸料門處風速在垃圾堆放面深3.0m時，平均負壓最大，1.5m次之，深0.6m時，最小。

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

垃圾堆放面對于下吸風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，此時造成卸料門處的負壓也較小。

2.2 風口負壓值與卸料門處風速分析

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

吸風口分別位于卸料坑上、側、下部（-0.6m）時，取-5Pa負壓值情況下，料坑內風速分布云圖如圖5所示。

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

對比速度分布云圖可以看出，側吸風情況下，卸料門處速度分布比較均勻，且速度值相對較大，料坑內流速分布也比較均勻。下吸風引起的卸料門及料坑內氣流流態發展并不明顯，呈流速低，分布不均現象。頂吸風引起的料坑內氣流效果介于兩者之間。

吸風口分別位于卸料坑上、側、下部時，隨著負壓值增大，卸料門處的平均風速變化趨勢如圖6所示。

圖6 吸風口負壓值與卸料門處風速平均值（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)

對比分析模擬云圖可以看出，側吸風卸料門處平均風速值最大，頂吸風次之，下側吸風卸料門處的平均風速值最小。

隨著負壓值增大，卸料門處的平均風速逐漸增大，并成二次函數關系。其中，下吸風隨著料坑深度的增加卸料門平均風速呈增大趨勢。

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

2.3 卸料門處H2S濃度分析

吸風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下吸風情況下，卸料門處及料坑內H2S濃度最低。上吸風及側吸風在卸料門底部均會產生臭氣外逸區域，下吸風在卸料門上部會產生臭氣外逸。此現象與吸風口引起的氣流流態有關，吸風口位置不同，遠離吸風口或有阻礙區域會產生氣流死區，此處容易產生臭氣外逸。

吸風口負壓值與卸料門處硫化氫濃度變化如下圖所示。當垃圾堆放面深為3m時，其臭氣捕集效果優于1.5m及0.6m。為了便于與側吸風及頂吸風方式進行對比，此處暫不分析3m深情況。

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

吸風口位于卸料下部時，卸料門處的硫化氫濃度值明顯小于頂吸風和側吸風情況。同時垃圾堆放面越深，卸料門處硫化氫濃度越小。

側吸風情況卸料門處濃度平均值相對頂吸風卸料門處濃度平均值較小，說明側吸風對于臭氣捕集效果優于頂吸風。

在負壓值在小于5Pa時，0.6m深堆料面的下吸風口作用下，卸料門處H2S平均濃度值最大，頂吸風口次之，1.5m深堆料面的下吸風最小。隨著負壓值增大，下吸風情況卸料門處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，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，下吸風對于防止臭氣逸散效果跟垃圾堆料面深度和負壓值密切相關。負壓值越大，堆料面越深，越有利于防止臭氣逸散。

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

分析產生此問題的原因是，臭氣散發通過卸料口后再散發至卸料門處。因而，對臭氣的捕集有兩道重要區域：卸料口及卸料門，如圖9所示。雖然下吸風作用下卸料門處的風速相對偏小，但是卸料口處風速較大，能夠較好阻礙臭氣逸散。但對于頂吸風及側吸風，卸料口則并非臭氣捕集區域。

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

因而，對于臭氣逸散，應盡量在靠近臭氣源的區域進行捕集，如此才能提高臭氣吸風口的捕集效率：以較小的風量防止臭氣逸散。

3 結論

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

本文是以垃圾站卸料坑臭氣捕集為出發點進行風口布置的研究，總結對比了常規風口布置的除臭效果，對工程設計尤其臭氣源卸料區域有一定參考意義。

工程設計中，在條件允許的情況下應盡量采用下吸風的方式對垃圾坑內臭氣進行收集，也就是靠近垃圾源附件布置吸風口。同時，垃圾料坑卸料口尺寸應盡量小，便于以最小風量捕集臭氣。垃圾堆放面深度應盡量大于0.6m，以保證氣流能夠充分發展，減少其流動阻力。

由于下吸風口對于卸料門處造成的負壓值較小，因而，對于卸料門處有臭氣源的情況，應盡量采用側吸風口布置形式。

工程上常用的頂部吸風罩類似于頂吸風工況，對于臭氣捕集效果最差。

本研究未考慮補風方式、卸料擾動、室內氣流波動等對臭氣外逸的影響，但這些情況是現階段卸料過程中臭氣外逸的重要影響因素，在以后研究中需進一步細化。