垃圾填埋場用除臭風(fēng)炮噴霧特性的研究

盛金良， 趙萬超， 王明通， 高瑜剛， 仝 光， 馬慧民

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804；2. 上海電機學(xué)院 a.汽車學(xué)院； b.商學(xué)院， 上海 201306)

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垃圾填埋場用除臭風(fēng)炮噴霧特性的研究

盛金良1， 趙萬超1， 王明通1， 高瑜剛1， 仝 光2a， 馬慧民2b

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804；2. 上海電機學(xué)院 a.汽車學(xué)院； b.商學(xué)院， 上海 201306)

除臭風(fēng)炮是垃圾填埋場除臭的常用設(shè)備，能夠有效緩解垃圾填埋場臭氣外溢的問題。但在實際應(yīng)用過程中存在除臭藥液噴灑不均、噴射不及，風(fēng)炮俯仰角控制不合理等問題。針對這些問題，對除臭風(fēng)炮的噴霧特性進行研究，運用計算流體動力學(xué)理論(CFD)結(jié)合牛頓定律對除臭風(fēng)炮噴霧過程中的氣相和液相進行了理論分析，并通過FLUENT進行仿真，分析了風(fēng)炮風(fēng)速、風(fēng)炮俯仰角等因素對霧滴分布均勻性和覆蓋率等指標(biāo)的影響，其間有實驗數(shù)據(jù)加以佐證。結(jié)果表明，風(fēng)速增大可以增大霧滴射程并改善霧滴的分布均勻性，霧滴降落的密集區(qū)域隨著風(fēng)炮俯仰角增加會先增大后減小，在45°左右達(dá)到最大值；為增加霧滴分布均勻性，風(fēng)炮俯仰角的角速度控制應(yīng)呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢。

除臭風(fēng)炮； 風(fēng)炮風(fēng)速； 風(fēng)炮俯仰角； 分布均勻性； 覆蓋率

除臭風(fēng)炮的正式名稱為“高壓噴霧風(fēng)炮系統(tǒng)和常規(guī)噴淋系統(tǒng)”，是垃圾填埋場除臭的常用設(shè)備，能夠有效緩解垃圾填埋場臭氣外溢。例如北京阿蘇衛(wèi)垃圾衛(wèi)生填埋場的除臭系統(tǒng)中包括13套半固定遠(yuǎn)程風(fēng)炮、1套車載式遠(yuǎn)程風(fēng)炮；上海老港垃圾填埋場也采用了多臺除臭風(fēng)炮，分布在垃圾填埋場四周，通過風(fēng)炮來擴大除臭藥劑噴灑區(qū)域從而有效的防止臭氣外溢。[1]

除臭風(fēng)炮的工作原理[2]是將除臭藥液通過專用的噴嘴高壓噴出后形成微米級的藥液微粒，再經(jīng)高速風(fēng)機加速后大面積擴散，使得藥物分子隨霧粒的擴散充分與空氣中的臭氣分子接觸并發(fā)生反應(yīng)，從而有效的清除臭氣廢氣。

盡管除臭風(fēng)炮能有效緩解垃圾填埋場的臭氣外溢現(xiàn)象，但在實際應(yīng)用過程中仍存在藥液噴灑不均、噴射不及，風(fēng)炮俯仰角控制不合理等問題，因此，針對除臭風(fēng)炮存在的這些問題，本文對垃圾填埋場用除臭風(fēng)炮的噴霧特性進行了研究，通過分析風(fēng)炮風(fēng)速、風(fēng)炮俯仰角等因素對霧滴分布均勻性和覆蓋率等指標(biāo)的影響，給出了可供參考的方案和建議。

1 除臭風(fēng)炮氣相流動分析

除臭風(fēng)炮是在常溫下進行工作的，不考慮相間的能量傳遞[3]。在氣相流動控制方程組中僅包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，而無需建立能量和組分質(zhì)量守恒方程。

1.1 控制方程

(1) 質(zhì)量守恒方程

(1)

式中,t為時間；div為散度；U是速度矢量，u、v、w是速度矢量U在x、y、z方向上的分量；ρ為流體的密度。

對不可壓定常流動，速度的散度為零，即

(2)

(2) 動量守恒方程。動量守恒方程即Navier-Stokes方程，不可壓黏性流體動量守恒方程為

式中,p為壓強；υ為運動黏度；

grad()=?()/?x+?()/?y+?()/?z

Sx、Sy、Sz為廣義源項，Sx=Fx/ρ，Sy=Fy/ρ，Sz=Fz/ρ，其中，F(xiàn)x、Fy、Fz為單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力在x、y、z3個方向上的分量。

1.2 氣相湍流模型

除臭風(fēng)炮噴霧過程中的氣相流動為復(fù)雜的三維流動，是一種流動參量隨時間、空間隨機變化的不規(guī)則流動狀態(tài)。目前仍然難以通過直接求解Navier-Stokes方程組來解析流動問題。從噴霧施藥工程應(yīng)用角度而言，時間尺度上的平均流場已經(jīng)能夠反映氣相流動的物理本質(zhì)，所以本文仍采用雷諾時均方程[3]。該方程由將Navier-Stokes方程時均化后得到，表達(dá)式為

(4)

式中，U、V、W為平均速度；u′、v′、w′為速度脈動；fx、fy、fz為體積力。

對于不可壓定常流動且不考慮體積力，上述方程可以寫成：

(5)

2 除臭風(fēng)炮液相流動分析

從噴嘴中噴出的霧滴顆粒處理為離散的拉氏實體(Discrete Lagrangian Entity)，其大小、速度和位置等初始輸入值均采用平均值。霧滴顆粒射入氣相流場后和流場進行質(zhì)量和動量的交換，不考慮能量的交換。

2.1 霧滴顆粒的平均速度和平均尺寸

霧滴運動初速度與液膜破碎情況有關(guān)，為簡化計算假設(shè)液膜破碎后產(chǎn)生的不同粒徑霧滴初速度up0相同，均等于液膜破碎速度vs[4-5]。

假設(shè)風(fēng)炮上使用的噴嘴為圓錐型噴嘴，具體幾何形狀如圖1所示。

圖1 噴嘴的幾何參數(shù)

對于連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點間應(yīng)用伯努利方程，如果忽略兩點間的高度差，可以得到

(6)

式中,p1、p2分別為噴嘴內(nèi)、外壓力；v1、v2分別為噴嘴內(nèi)、外流體平均流速；ρ1、ρ2分別為噴嘴內(nèi)、外液體密度。

在兩點間應(yīng)用連續(xù)性方程可得

ρ1v1A1=ρ2v2A2

(7)

式中，A1、A2分別為直徑為d1、d2處的圓截面橫截面積。

因為噴嘴流道一般為圓管型結(jié)構(gòu)，即A=πd2/4，并假設(shè)ρ1=ρ2，可得噴頭出口處液膜的初速度為

(8)

式中,d1、d2為兩點圓截面的直徑。

采用的噴嘴內(nèi)壓力p1=0.3MPa，噴嘴外壓力為大氣壓，即p2=0.1013MPa，d1=10mm，d2=2mm，ρ=1000kg/m3，則根據(jù)上式可計算出霧滴的初速度為v2=10m/s。

水介質(zhì)開始破碎成為水滴的韋伯?dāng)?shù)，稱為臨界韋伯?dāng)?shù)[6]。由臨界韋伯?dāng)?shù)可以估算出水滴的直徑，即

(9)

式中，Wec為臨界韋伯?dāng)?shù)，對于大氣中的水射流，臨界韋伯?dāng)?shù)取10～20；σ1為水的表面張力系數(shù)，按溫度為25℃取值為7.21；ρ為水的密度。

在實驗過程中測量得到風(fēng)炮噴口處的氣體速度u2=24m/s，則根據(jù)上式計算得到水滴的直徑為D1=552μm。但是考慮到霧滴運動過程中的碰撞、破碎等現(xiàn)象，霧滴直徑會在一定范圍內(nèi)分布。本文實驗采用Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer測量霧滴直徑分布采用Rosin-RammLer方法計算霧滴直徑分布指數(shù)[7]。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算可得霧滴直徑分布指數(shù)為2.18。

2.2 霧滴受力模型

氣體作用在霧滴上的力取決于相對速度或稱滑移速度u-up，其中，u為氣體的速度；up為霧滴速度。把這個力稱為黏性阻力。設(shè)霧滴形狀為球形，直徑為D，密度為ρp，則霧滴受到的力主要為氣體給霧滴的黏度阻力和自身的重力，其他因素暫不考慮[8-9]。

在水平方向上應(yīng)用牛頓運動定律有

(10)

式中，ρ為氣體的密度；CD為阻力系數(shù)；uH和upH分別為氣體和霧滴的水平速度。

在豎直方向上，霧滴受到重力和空氣阻力。運用牛頓運動定律有

(11)

對于阻力系數(shù)CD，有

(12)

(13)

式中，Re為雷諾數(shù);μ為氣體的動力黏性系數(shù);uV和upV分別為氣體和霧滴的豎直速度。

3 除臭風(fēng)炮氣液兩相流動數(shù)值模擬

3.1 除臭風(fēng)炮氣相流動數(shù)值模擬

從風(fēng)炮中噴射出來的氣體認(rèn)為是定常不可壓縮的，因為風(fēng)炮內(nèi)部擁有導(dǎo)流葉片和中心軸柱，為了簡化模型，在導(dǎo)流葉片末端所在截面處將風(fēng)炮截斷，取其噴口部分和空間區(qū)域作為流體計算域，如圖2所示，圖3所示為噴口處模型的放大圖。假設(shè)風(fēng)炮在模型的初始入射面上氣流速度相同，方向垂直于噴口截面，具體大小由實驗測定(經(jīng)實驗測定氣流入射速度為24m/s)。

圖2 風(fēng)炮噴霧氣相流場計算域

圖3 風(fēng)炮噴口處模型的放大圖

利用ANSYS進行網(wǎng)格劃分，同時進行設(shè)定邊界名稱，再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進行計算。

中心線上的速度分布如圖4所示。

圖4 流場中心線上的速度分布

在流場中間(x=8m處)豎直截面上的速度分布如圖5所示。

圖5 x=8m、z=0m處y方向的氣流速度分布

3.2 氣液兩相流動數(shù)值模擬

將離散相添加到連續(xù)相流場中，采用 Eulerian-Lagrangian 模型計算兩相流動。為了簡化模型和定性的分析霧滴軌跡，設(shè)定霧滴顆粒從噴口處以均勻的速度垂直于噴口射出，在 FLUENT 中的離散相模型中選擇面射流元，設(shè)定初始速度，霧滴形狀為球形，直徑分布選擇Rosin-RammLer分布。

運用FLUENT中的報告里的離散相結(jié)果后處理可以得到霧滴在下邊界的分布直方圖如圖6所示。

圖6 霧滴在底邊的分布直方圖

4 除臭風(fēng)炮氣液兩相流動實驗

4.1 實驗?zāi)康募霸O(shè)備

為了驗證理論模擬的準(zhǔn)確性，針對除臭風(fēng)炮的工作情況進行實驗，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。需要采集及驗證的實驗數(shù)據(jù)包括風(fēng)炮氣流速度場軸心線上的速度分布、垂直于軸線的截面上的速度分布和地面上沿軸線方向上的霧滴沉積量分布。

實驗中使用的儀器設(shè)備有: AZ-8901風(fēng)速計，風(fēng)速測量范圍為0.4～35m/s，分辨率為0.1m/s，準(zhǔn)確度為±2%；米尺；天平(精度為0.1g)；計時器；噴水量收集容器(直徑為340mm)。工作介質(zhì)為清水。

4.2 實驗方案與方法

由于自然風(fēng)對除臭風(fēng)炮的風(fēng)速實驗結(jié)果影響較大以及溫度對霧滴沉積量的影響較大，故在室內(nèi)進行實驗。

4.2.1 風(fēng)炮氣流速度場數(shù)據(jù)采集方案 將風(fēng)炮水平放置，以風(fēng)炮軸心線為x軸，水平方向為y軸，豎直方向為z軸，原點為風(fēng)炮出口截面處中心點。

只開啟風(fēng)炮中的風(fēng)機，對風(fēng)炮形成的氣流速度場進行數(shù)據(jù)采集。對風(fēng)炮軸心線上的風(fēng)速進行測量，測量間距為1m。

另外在x=8m、z=0m處對y方向的氣流速度進行采集，具體示意圖如圖7所示。

圖7 氣場速度采集方案示意圖

4.2.2 風(fēng)炮霧滴沉積量數(shù)據(jù)采集方案 同時開啟風(fēng)炮、噴嘴，使機器進行除臭風(fēng)炮作業(yè)，測量霧滴的沉積量。本實驗主要采集y=0的豎直截面上，一段時間內(nèi)實際落到地面的霧滴沉積量的分布情況。在地面上沿x方面每隔3m放置一個噴水量收集容器，噴射時間為9min，具體示意圖如圖8所示。

圖8 地面沿x方向霧滴沉積量測量方案示意圖

圖9 氣場軸心線上的速度分布

圖10 x=8m、z=0m處y方向的氣流速度

4.3 測量結(jié)果及分析

測量得到氣場軸心線上的速度分布如圖9中的細(xì)線所示。圖10所示為x=8m、z=0m處y方向的氣流速度。由圖9和10可見，理論值和實驗值分布趨勢相同。用平均相對誤差E(%)作為各測量點模擬結(jié)果精度的衡量指標(biāo)，計算方法如下式所示：

(14)

式中，N為測量點數(shù)；vm為測量點的理論模擬速度；vS為測量點的實際測量速度。

則氣場軸心線上速度模擬結(jié)果的平均相對誤差為16.9%，x=8m、z=0m處y方向氣流速度的平均相對誤差為11.4%?？紤]在測量和模擬上存在一定誤差，所以在誤差允許范圍內(nèi)理論值可以近似代替實驗值進行定性分析。

x方向的霧滴沉積量分布如圖11中的折線所示。

圖11 x方向的霧滴沉積量分布

由圖11可見,霧滴分布主要集中在4～13m 范圍內(nèi)，在其他區(qū)域沉積量較少。而通過FLUENT計算得到的結(jié)果(圖11中直方圖)顯示霧滴沉積區(qū)域在5～12m所占比重較大，在一定程度上反映了霧滴沉積趨勢。兩者的相關(guān)系數(shù)為82.1%，可以認(rèn)為具有較大的相關(guān)性。另外實驗測得的霧滴射程約為2～23m，理論模擬的霧滴射程為4～20m，考慮到理論模型的簡化，射程范圍也較為相近，可以用理論值來預(yù)測實際的霧滴射程范圍。

5 霧滴軌跡影響因素分析及優(yōu)化

霧滴軌跡的指標(biāo)主要包括霧滴覆蓋率(射程)、分布均勻性，而影響霧滴軌跡的因素主要包括風(fēng)速[10]、俯仰角。通過分析這些因素對霧滴軌跡指標(biāo)的影響，可以對風(fēng)炮噴霧工作有一個定性認(rèn)識，對實際噴霧也具有一定的指導(dǎo)意義。

5.1 風(fēng)速變化對霧滴軌跡的影響

風(fēng)筒進風(fēng)口的風(fēng)速是影響沉積范圍的一個重要因素，也是關(guān)系到霧滴分布均勻性的重要因素[11-13]。利用FLUENT進行理論模擬，以風(fēng)速為自變量，得到結(jié)果如圖12所示(注: 圖中標(biāo)記點代表霧滴在標(biāo)記區(qū)間內(nèi)的分布百分比，圖13和14雷同)。

圖12 不同風(fēng)速下的霧滴分布折線圖

對圖12中的數(shù)據(jù)進行分析，其分布集中區(qū)間和分布量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示。

表1 不同風(fēng)速下霧滴分布集中區(qū)間和分布量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.1 Concentrated area of distribution and the RSD of the abundance of droplets with different air speeds

由表1可見，風(fēng)速越大霧滴集中區(qū)域也會變大，但風(fēng)速大到一定程度時，對霧滴的影響不是很明顯，如風(fēng)速為28m/s時較24m/s集中區(qū)間增加約2m，而風(fēng)速為32m/s時較28m/s基本沒變化。另外風(fēng)速越大，會改善霧滴的分布均勻性[14]，表1中可以算出風(fēng)速為28m/s時較24m/s的沉積量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差減小約23.2%，即分布均勻性增加約23.2%。

5.2 俯仰角變化對霧滴軌跡的影響

除臭風(fēng)炮的俯仰角可以在一定范圍內(nèi)變化，不同俯仰角，霧滴的運行軌跡也會發(fā)生變化。了解風(fēng)炮俯仰角對霧滴軌跡的影響，有助于實際噴霧工作的優(yōu)化。圖13所示為風(fēng)炮俯仰角對霧滴軌跡的影響曲線。

圖13 不同風(fēng)炮俯仰角下的霧滴分布折線圖

從圖13中，霧滴分布集中區(qū)域和最大有效射程隨風(fēng)炮俯仰角的變化如表2所示。

表2 霧滴分布集中區(qū)域隨風(fēng)炮俯仰角的變化Tab.2 Concentrated area of distribution of droplets with different pitching angles

從表2可以看出，隨著俯仰角增大，霧滴分布集中區(qū)域先增大后減小，大概在45°左右達(dá)到最大值。另外最大有效射程(有一定霧滴聚集度的區(qū)間右端點的最大值)也是先增大后減小。

5.3 風(fēng)炮俯仰角控制優(yōu)化

填埋場除臭風(fēng)炮在實際工作過程中主要是通過不斷改變俯仰角來實現(xiàn)除臭藥液噴灑的，俯仰角變化的角速度一般是不變的，這樣會造成藥液噴灑的不均勻性，下面通過對間斷變化俯仰角的控制來加以說明。

假設(shè)風(fēng)炮俯仰角是在一定范圍內(nèi)間斷變化的，每個俯仰角駐留時間不同，如表3所示。

表3 俯仰角及其停留時間Tab.3 Pitching angles and their residence time

并假設(shè)各個俯仰角的霧滴頻率分布曲線及相關(guān)參數(shù)如圖14所示。

圖14 各個俯仰角的霧滴分布曲線及相關(guān)參數(shù)

各俯仰角的停留時間可按下列等式進行初步粗略計算，即保證每個區(qū)間(這里取[6,8]、[8,10]、[10,12]、[12,14]4個區(qū)間)具有足夠的霧滴沉積量：

(15)

式中,L為每m所需的霧滴沉積量;Rm為噴嘴的質(zhì)量流率。

若取L=0.5kg/m,Rm=0.01kg/s,則計算出的時間為： t1=192s，t2=58s，t3=58s，t4= 166s。由此看出，如果每個俯仰角的停留時間一樣，則會造成資源和時間的浪費，也可以推斷出連續(xù)變化俯仰角的角速度不應(yīng)該是一成不變的，而是要使角速度呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢。

6 結(jié) 論

實際噴霧工作中，風(fēng)炮的風(fēng)速可以通過風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來進行調(diào)節(jié)，風(fēng)速越大，霧滴尺寸就越小，射程也越大。風(fēng)速增大，可以改善霧滴的分布均勻性，使得霧滴隨氣流漂移的距離增加。但風(fēng)速增大到一定程度，對霧滴軌跡的影響就變得不是很明顯。本研究表明，風(fēng)速在28m/s時，霧滴的分布最為理想，與原風(fēng)速(24m/s)相比，分布集中區(qū)域增加約2m，分布均勻性也提高約23.2%，同時霧滴射程也有所增加。在實際噴霧工作中可以略作調(diào)整，使得噴霧達(dá)到最好的效果。

風(fēng)炮俯仰角在實際工作中是不斷變化的。改變俯仰角可以改變霧滴的射程。霧滴最大有效射程和霧滴降落的密集區(qū)域隨著風(fēng)炮俯仰角增加會先增大后減小，在45°左右達(dá)到最大值，比原來(0°)增加約6m。

風(fēng)炮俯仰角的角速度控制不應(yīng)是一成不變的，而要呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢，這是因為霧滴在不同區(qū)間的沉積量不同。間斷變化時每個俯仰角停留時間也應(yīng)如此(如本文中討論的4階段變化時，中間俯仰角停留時間約為兩端的1/3倍)，從而提高藥液在一定區(qū)間內(nèi)噴灑的均勻性。

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Spray Characteristic of Deodorant Air-Blast Sprayer for Landfills

SHENG Jinliang1, ZHAO Wanchao1, WANG Mingtong1, GAO Yugang1, TONG Guang2a, MA Huimin2b

(1. College of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. a. School of Automotive; b. School of Business, Shanghai Dianji University,Shanghai 201306, China)

Deodorant air-blast sprayer working at high pressure is commonly used equipment in refuse landfills. It can effectively relief spillover of odor produced in the refuse landfill. However, problems exist in practical applications, e.g., maldistribution of liquor, out of reach and unreasonable control of pitch angle of the air-blast sprayer. To solve these problems, this paper studies the spray characteristic of the deodorant air-blast sprayer for refuse landfill. With the computational fluid dynamics theory and Newton’s law, characteristics of gas and liquid phases in spraying are analyzed. Simulation is carried out using the software FLUENT to analyses the influence of air speed and pitch angle of the air-blast sprayer on indexes such as droplets distribution uniformity and fraction of coverage. Experimental data support the analyses. It turns out that increase of air speed can increase the range of droplets, and improve the distribution uniformity. With the increase of the pitch angle of air-blast sprayer, concentrated distribution area of droplets increase first and then decrease, with the maximum value being around 45°. To improve uniformity of the droplets distribution, control of pitch angular velocity should be large in the middle and small at both ends.

deodorant air-blast sprayer; air speed of air-blast sprayer; angle of pitch of air-blast sprayer; distribution uniformity; fraction of coverage

2016 -09 -13

盛金良(1962 -)，男，副教授，主要研究方向為工程機械環(huán)衛(wèi)機械關(guān)鍵技術(shù)，E-mail: sjl@#edu.cn

2095 - 0020(2016)05 -0296 - 08

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