垃圾焚燒廠房垃圾倉除臭通風數值模擬計算

中咨海外咨詢有限公司 姚瓏璐

0 引言

運行狀態下，垃圾倉焚燒爐一次風保證垃圾倉內形成負壓，防止臭氣外溢。當焚燒爐處于檢修期時，垃圾倉事故除臭系統為垃圾倉除臭提供最后一道防護，通過對活性炭吸附、除塵器(袋式)及洗滌設備的使用，實現對污染物的有效凈化，從而使排放達到相應標準[2]。目前，焚燒發電廠暖通設計多根據實際經驗及判斷，國內相關研究較少。艾慶文等人介紹了垃圾焚燒廠除臭敏感區域設計，將活性炭、紫外線等除臭方式措施進行了對比，重點提出了垃圾坑保持-40～-30 Pa負壓所需的換氣次數為1.5 h-1，但垃圾坑排煙量依據GB 50016—2006《建筑設計防火規范》排煙量60 m3/(m2·h)計算[3]。李軍等人從惡臭來源進行分析，比較正常焚燒爐燃燒臭氣與事故狀態下暖通系統除臭環節的差異，按照不同區域對除臭方式進行歸類并提出改進思路，提出了除臭風量應按垃圾倉、卸料平臺及垃圾料斗平臺的容積進行計算，換氣次數取1 h-1[4]。徐銘明采用CFD數值模擬方法研究了垃圾倉焚燒爐一次排風機對于垃圾庫內壓力場和流場的影響[5]。國內已有文獻發電廠垃圾倉換氣次數選用1.0 h-1或1.5 h-1存在爭議，因此垃圾焚燒電廠除臭系統應該如何科學合理設置值得更深入地研究。為判斷排風量對于倉內壓力的影響，本文采用數值模擬方法完善設計，使其滿足工藝及環保的要求，實現電廠環境質量及經濟效益的提升。

1 系統概況

垃圾焚燒廠正常運行時，通過焚燒爐燃燒引風的負壓保證垃圾池區域臭氣不外溢。當所有焚燒爐處于檢修狀態時，開啟垃圾倉事故除臭系統。除臭系統與垃圾池消防排煙系統共用。垃圾池內設消防炮，消防排煙系統參照GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》中9 m高倉庫(有噴淋)的設計要求，按不少于142 000 m3/h排煙量計算[6]。除臭與排煙控制進行轉換。常用垃圾倉除臭系統如圖1所示。

圖1 垃圾倉除臭裝置及排煙風機系統

2 模型設計

2.1 模型及基本條件

以南方某垃圾焚燒廠為案例，該項目生活垃圾設計規模為1 200 t/d，一期建設2條400 t/d生活垃圾焚燒線，配置12 MW凝氣式發電機組，研究對象為一期建設的垃圾倉。假定垃圾倉底部標高為+0.000 m，整個區域為不規則多邊形，其中31.5 m以下為垃圾倉，圍護結構為垃圾倉混凝土池壁；31.5 m以上為垃圾倉頂部焚燒爐進料口區域,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，模型將上述門設為密封狀態，外倉內無其他可開啟門窗。圍護結構為彩鋼保溫板，垃圾倉總高度50 m，體積59 967 m3。垃圾倉頂部高度43 m處設置除臭排風管，排風管有6個風口，風口側向開啟，每個風口尺寸為2 000 mm×800 mm。13 m高度處設置4組垃圾卸料門，每個卸料門尺寸為3 800 mm×5 000 mm。溝道間位于垃圾倉側面朝下位置，垃圾倉內滲出的垃圾滲瀝液需通過倉底部格柵(格柵通風凈面積較小，模型考慮封閉)進入滲瀝液溝道間，再由泵系統送至污水處理系統。溝道間設置通風設備便于人員檢修，溝道間臭氣經2組高側送風口送入垃圾倉，每組進風口面積1.89 m2，共2組。

假設模型內部空氣為穩態不可壓縮流體，考慮重力及地面輻射的影響，最終垃圾倉模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 垃圾倉模型及網格劃分

本文使用Gambit軟件對模型進行網格劃分前處理，采用結構化六面體網格進行劃分，模型網格步長均按照200 mm、1.2的增長倍數向中間擴散，網格數量約為50萬。Fluent軟件采用RealizableK-ε模型進行計算，求解采用SIMPLE算法。

a 全封閉

2.2 方案設計

為驗證垃圾倉除臭排風換氣次數對垃圾倉內負壓的影響，選取1.0、1.5、2.0、2.5 h-14種換氣次數，根據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至垃圾倉內，以卸料門開啟1扇作為基本條件，選取垃圾倉除臭排風1.0、1.5 h-12種換氣次數，溝道間進風口選取0.5、1、2、4 m/s 4種進風速度。

3 模擬結果

3.1 事故除臭換氣次數及卸料門開啟對負壓的影響

垃圾倉內存在壓力最大值處與最小值處，壓力最大值位于卸料門進口處，壓力最小值位于除臭排風口處，倉內負壓按兩者平均壓力計算。門扇開啟數量不變時，倉內負壓隨著換氣次數(通風量)的增大而增大，不同門扇開啟狀況時，門扇開啟數量越少，負壓值隨換氣次數的增大變化越大，如圖3所示；同等換氣次數下，負壓值由大到小順序為：開啟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1.5 h-1和開啟2扇門、換氣次數2 h-12種工況下，風口所在水平面(高43.8 m)最小壓力達-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，平面垃圾倉池壁內壓力值為-20～-15 Pa，見圖5、6。

a 開啟1扇門、換氣次數1.5 h-1

圖5 開啟1扇門、換氣次數1.5 h-1時垃圾倉內壓力云圖

圖6 開啟2扇門、換氣次數2 h-1時垃圾倉內壓力云圖

2扇門和4扇門開啟狀態下，垃圾倉內風速在0.54 m/s以下，氣體流速變慢，不利于除臭系統收集臭氣。相比于4扇門，2扇門開啟狀態時卸料門處風速較高，如圖7所示。

圖7 開啟不同門扇數量的風速流線圖(x=19.7 m)

不同卸料門開啟狀態下調節除臭排風狀態，除卸料門周圍及垃圾倉底部池壁存在部分超壓區域外，垃圾倉其余部分均可實現有效的負壓控制，如圖8所示。

倉內壓力受空氣流動的影響，卸料門至排風管風口之間區域壓力值變化較大。根據已有文獻的負壓范圍，利用模型計算不同卸料門開啟情況下倉內平均負壓為-30、-40 Pa時的換氣次數，見表1。由表1可知，垃圾倉負壓值受到排風量(風機工況)及卸料門開啟(過流面積)的雙重影響，應根據卸料門開啟狀態設置排風量，相應調整倉內壓力至合理范圍。

表1 倉內不同平均負壓下的換氣次數 h-1

3.2 溝道間送風對負壓的影響

3.2.1垃圾倉換氣次數1 h-1

圖9顯示了換氣次數1 h-1時溝道間送風風速對倉內壓力的影響。隨著溝道間送風風速增大，倉內壓力成正比增加；當溝道間送風風速為0.5 m/s時，垃圾倉平均壓力僅-19 Pa。

圖9 換氣次數1 h-1時溝道間送風風速對倉內壓力的影響

3.2.2垃圾倉換氣次數1.5 h-1

圖10顯示了換氣次數1.5 h-1時溝道間送風風速對倉內壓力的影響。溝道間送風風速在0.5～2.0 m/s時，垃圾倉平均壓力達到-27.79～-24.13 Pa。送風風速達到4 m/s時，垃圾倉平均壓力為-10.46 Pa。

圖10 換氣次數1.5 h-1時溝道間送風風速對倉內壓力的影響

圖11為換氣次數1.5 h-1時溝道間送風風速1、2 m/s的壓力云圖。溝道間送風風速1、2 m/s時該剖面平均壓力達到-21.74、-14.01 Pa，平面區域內未產生正壓，送風風速對于垃圾倉負壓的影響僅限于送風口周邊區域。

圖11 溝道間送風換氣次數1.5 h-1時垃圾倉內壓力云圖

溝道間送風將抵消部分垃圾倉除臭排風產生負壓，使得倉內存在局部高壓區域，可能造成臭氣泄漏。排風量不變情況下需控制溝道間送風量，如換氣次數1.5 h-1，溝道間送風量為3 400 m3/h，倉內平均負壓為-27.79 Pa，接近-30 Pa，送風口處壓力保持為-21.74 Pa。

3.3 根據風量平衡估算壓力值

根據溝道間送風量與垃圾倉排風量平衡原理，得出的平衡排風量(平衡排風量=垃圾倉除臭排風量-溝道間送風量)。通過與無溝道間送風工況進行倉內平均壓力對比(見圖12)，可得出兩者倉內平均壓力變化趨勢一致。根據倉內平均壓力確定平衡風量后，可依據溝道間送風量估算需增加的垃圾倉排風量。

圖12 無溝道間與有溝道間送風工況倉內壓力對比

4 結論

1) 垃圾倉負壓控制需結合垃圾倉排風量及卸料門開啟狀態判斷。卸料門開啟1扇時，倉內平均壓力相比開啟2、4扇效果更好，此時風量需保證垃圾倉換氣次數1.54 h-1、倉內平均壓力-30 Pa。因此，應盡量減少垃圾卸料過程中卸料門開啟的數量，同時不能采取完全封閉狀態。卸料門開啟較多時，應加大除臭排風量。

2) 溝道間送風將抵消部分垃圾倉排風產生的負壓，倉內換氣次數1.5 h-1時，需控制溝道間送風量小于3 400 m3/h。

3) 溝道間送風狀態下，通過計算平衡風量估算倉內平均壓力，其變化趨勢與垃圾倉除臭系統單獨排風的平均壓力變化趨勢一致。