催化劑擠條機吹吸式通風設計方案比選研究

趙 盛

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

催化劑原輔材料經(jīng)過一系列加工工序后形成加氫催化劑成品，其中擠條機出料口位置氨濃度超標嚴重、工人定點作業(yè)時間長，嚴重損害了作業(yè)人員職業(yè)健康[1]。本文通過分析、對比6種吹吸式通風系統(tǒng)理論計算方法，結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)工藝條件，篩選出最為經(jīng)濟、合理的吹吸式通風結(jié)構模型，并采用計算流體力學軟件Fluent進行數(shù)值模擬結(jié)果[2]，為后續(xù)的毒物工程治理試驗驗證提供了參考。

1 催化劑擠條機氨污染危害分析

1.1 氨來源與分布

催化劑原輔材料(鋁石、干膠粉、硝酸、氟化銨等)經(jīng)過混合、碾壓、擠條、焙燒、活化等加工工序后形成加氫催化劑成品，包裝外運。氨主要存在于擠條機、焙燒爐、尾氣吸收塔等處，其中焙燒爐、尾氣吸收塔為密閉設備，氨不易揮發(fā)；而擠條機出料口為敞口設備，氨濃度超標，且工人定點操作，接觸時間較長，危害最為嚴重。

1.2 作業(yè)人員氨接觸水平分析

催化劑擠條機操作崗位氨接觸水平時間加權平均濃度為24.8～29.6 mg/m3，短時間接觸濃度30.7～42.1 mg/m3，結(jié)果判定為超標。超標原因為擠條機出料口為人工定點手動作業(yè)，作業(yè)時間長且無有效通風排毒設施。

2 氨污染通風系統(tǒng)設計的可行性分析

2.1 上部吸氣罩系統(tǒng)

上部吸氣罩系統(tǒng)吸入的氣體不僅包括上升的污染氣體，同時還包括被污染氣流上升帶動的卷吸空氣，針對污染散發(fā)面較大而設計的捕集系統(tǒng)，排風量大，經(jīng)濟性差。通過四周加裝擋板可使捕集效果大幅度提升[3]，但本項目作業(yè)人員需在擠條機出料口處定點作業(yè)，一方面，罩口面與污染散發(fā)面高度差大，氨捕集效果差，能耗高；另一方面，氨的捕集路線通過作業(yè)人員呼吸帶，作業(yè)人員氨接觸水平未降低，達不到改善作業(yè)環(huán)境目的。

2.2 全面排風系統(tǒng)

全面通風系統(tǒng)是依靠送風系統(tǒng)提供風壓，將新鮮空氣或達到衛(wèi)生標準的空氣送入建筑物內(nèi)，對建筑物內(nèi)的污染物進行稀釋，達到衛(wèi)生限值標準后，凈化外排。本工程所在車間為高大廠房，采用管道排風、門窗自然補風的方式，車間內(nèi)氣流組織無法保證有效合理，易造成整個車間空氣污染。

2.3 吹吸式通風系統(tǒng)

吹吸式通風系統(tǒng)中，吹出氣流與吸入氣流聯(lián)合作用，形成一層氣幕，對污染氣體進行控制與輸送，與其他通風系統(tǒng)相比，具有節(jié)省風量、捕集效率高、氣流組織穩(wěn)定、不影響工藝操作的優(yōu)點。

本工程選取吹吸式通風系統(tǒng)對催化劑擠條機處氨污染進行控制。

3 吹吸式通風設計參數(shù)比選

吹吸式通風相對于其他局部通風方式，其設備形式與工藝參數(shù)的優(yōu)化設計更為復雜。雖然吹吸式通風具有工作穩(wěn)定可靠、不影響工藝操作和排風量小等優(yōu)點，但由于吹、吸氣流的流動特性非常復雜，尚缺乏統(tǒng)一精確的計算方法[4，5]。

目前主要的計算方法包括射流末端速度法[6]、臨界斷面法[7]、美國ACGIH確定系數(shù)法[8]、孫一堅法[9]、流量比法[4]、新流量比法[10]等。

3.1 單側(cè)吹吸式通風系統(tǒng)物理模型及通風計算結(jié)果

本工程以催化劑擠條機出料口為實例，建立簡化物理模型，如圖1所示。

圖1 催化劑擠條機出料口吹吸式通風二維模型

對模型做出以下假設：

a)吹、吸風口斷面均設為條縫型風口。

b)兩臺擠條機出料口同處一個水平面，即污染源散發(fā)面散發(fā)均勻。

c)氨污染氣體滿足不可壓縮、物性常數(shù)等特點。

d)吹風口斷面各點出流速度設為相等，且氣流溫度與車間內(nèi)周圍空氣相等。

e)忽略擠條機周圍空氣流動的干擾。

經(jīng)實測，擠條機出料口處氨逸散速度為0.45 m/s，蒸氣溫度為40℃，污染氣體釋放量為5 670 m3/h。

3.2 各計算方法分析

從吹吸氣流相互作用角度將上述計算方法分為三大類進行分析：

a)第一類為單一考慮吹氣氣流，以速度控制法為代表。吹氣口寬大的高速射流可形成較厚的覆蓋層，不僅把污染氣體排走，而且把相當厚度的空氣排走，致使排風量過大，導致運行費用增大，造成浪費。

b)第二類為將吹吸氣流分開考慮，包括臨界斷面法、美國ACGIH確定系數(shù)法和孫一堅法。吹風口和吸風口氣流流場簡單迭加，未進行氣流流場優(yōu)化，且未考慮到污染氣體側(cè)流動量，不能完全有效控制污染氣體。

c)第三類為將吹吸氣流聯(lián)合起來考慮，包括流量比法和新流量比法?？偨Y(jié)出卷吸空氣量、側(cè)流流量和吹風量三者之間的比值，獲得最佳吹吸氣流控制效果。其中流量比法為根據(jù)實驗結(jié)果整理出的有關公式，實際工程應用中必須滿足與實驗相同的結(jié)構與尺寸條件，應用范圍受到較大局限。而新流量比法考慮了相關參數(shù)修正，適合工程實際應用。

采用上述幾種計算方法計算出的結(jié)果見表1。

表1 催化劑擠條機出料口氨治理計算結(jié)果

經(jīng)過以上比選，確定新流量比法為氨污染工程治理的適用方法。

3.3 氨治理吹吸式通風數(shù)值模擬

對新流量比法吹吸式通風進行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖2。由Fluent模擬圖結(jié)果可得，吹吸氣流包裹較好，有效地控制了污染氣體向環(huán)境中逸散。

圖2 催化劑擠條機氨治理吹吸式通風數(shù)值模擬

4 結(jié)語

通過對目前主流吹吸式通風計算方法的分析比較，確定新流量比法適用毒物工程治理，同時，從運行成本和經(jīng)濟角度出發(fā)，有必要針對模擬計算結(jié)果進一步優(yōu)化，找到臨界工況，為后續(xù)的試驗驗證提供基礎數(shù)據(jù)。