紫外光源對(duì)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(xiàn)代工業(yè)不可或缺的產(chǎn)品[1-3]。煉膠作為制造橡膠制品的首道工序，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，其成分主要為顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)廢氣等[4-6]。顆粒物可以通過設(shè)置電磁脈沖反吹袋式除塵器予以收集。揮發(fā)性有機(jī)廢氣如不進(jìn)行處理，人大量吸入后會(huì)對(duì)多個(gè)器官及系統(tǒng)造成損害，甚至使其發(fā)生病變而引發(fā)癌癥或者致人死亡；擴(kuò)散到大氣中則會(huì)引起霧霾或化學(xué)煙霧，對(duì)大范圍的自然環(huán)境造成污染，對(duì)環(huán)境生物產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(yōu)勢：與吸附法相比，不會(huì)產(chǎn)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(yùn)行環(huán)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(yùn)行設(shè)備體積小、維護(hù)簡便。煉膠過程產(chǎn)生的低濃度、多成分的有機(jī)廢氣（煉膠煙氣）在光催化氧化技術(shù)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(shè)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(qiáng)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(duì)光催化氧化設(shè)備工作腔體進(jìn)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(duì)煉膠煙氣處理效率的影響，可為光催化氧化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)備（其中包括與輻照無關(guān)的粉體過濾結(jié)構(gòu)）的外形尺寸也較大。如果不對(duì)光催化氧化設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)簡化，將會(huì)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(shí)際的前提下，忽略光催化氧化設(shè)備工作腔體進(jìn)出口端所設(shè)置的過濾網(wǎng)等裝置（不會(huì)對(duì)光氧化設(shè)備的輻照強(qiáng)度產(chǎn)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(nèi)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(dòng)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(shí)際設(shè)計(jì)的工作腔體一般為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在ICEM CFD軟件中建立半個(gè)腔體的反應(yīng)器模型，可以大大減小網(wǎng)格數(shù)量，加快求解速度，同時(shí)通過設(shè)置對(duì)稱邊界條件可以獲得整個(gè)模型中輻照強(qiáng)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(wǎng)格，對(duì)紫外燈管附近的網(wǎng)格進(jìn)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(wǎng)格，其鏡像顯示見圖2。

2 求解設(shè)置

調(diào)用ANSYS Workbench軟件中的Fluent子模塊，導(dǎo)入模型網(wǎng)格，選擇湍流模型并打開Do輻射模型、設(shè)置非灰體模型輻射波帶、設(shè)置仿真流體計(jì)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(jù)C波段紫外光發(fā)光功率及紫外燈管尺寸，按照相關(guān)公式計(jì)算設(shè)置紫外燈管初始輻照強(qiáng)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(shè)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(shè)置為不透明，設(shè)置漫反射分?jǐn)?shù)及發(fā)射率分別為0.8和0.75。在Fluent子模塊中設(shè)置能量方程及輻射方程，收斂殘差為1×10-6。計(jì)算結(jié)束后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post后處理軟件，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到輻照強(qiáng)度大小及其分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外燈管不同排列時(shí)工作腔體的輻照強(qiáng)度分布

通過CFD-Post后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到紫外燈管采用正方形排列和菱形排列時(shí)在工作腔體中XOZ，XOY，YOZ截面方向的輻照強(qiáng)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(qiáng)度分布差異較大，輻照強(qiáng)度在燈管附近較大，遠(yuǎn)離燈管則較??；與紫外燈管采用菱形排列時(shí)對(duì)比，紫外燈管采用正方形排列時(shí)輻照強(qiáng)度分布不均勻程度更為嚴(yán)重，在相鄰紫外燈管之間會(huì)出現(xiàn)較大面積的輻照強(qiáng)度較小的區(qū)域。這意味著當(dāng)煉膠煙氣流經(jīng)這些區(qū)域時(shí)，其接收到的輻照強(qiáng)度將顯著小于紫外燈管周圍區(qū)域，相應(yīng)的煉膠煙氣處理效率自然會(huì)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(shí)工作腔體的輻照強(qiáng)度變化

為了進(jìn)一步研究紫外燈管排列形式對(duì)工作腔體中輻照強(qiáng)度大小及分布均勻性的影響，通過在后處理器中創(chuàng)建輻照強(qiáng)度隨坐標(biāo)軸變化的曲線來進(jìn)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(qiáng)度較小，但對(duì)于研究工作腔體中因紫外燈管排列引起的輻照強(qiáng)度變化沒有太大影響。取工作腔體長度方向（進(jìn)出氣流運(yùn)動(dòng)方向，即X軸）的坐標(biāo)為－0.65～0.65 m、工作腔體高度方向（垂直于進(jìn)出氣流運(yùn)動(dòng)方向，即Z軸）的坐標(biāo)為－0.20～0 m的區(qū)域進(jìn)行研究，以X和Z軸上下限所形成的區(qū)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(gè)工作腔體可以看作是多個(gè)這種區(qū)域的總和，因此輻照強(qiáng)度在該區(qū)域的分布趨勢與在整個(gè)工作腔體中一致，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的紫外燈管在兩種排列方式下Z坐標(biāo)?。?.20，－0.10，－0.05，0 m時(shí)，做出沿X軸工作腔體中輻照強(qiáng)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(qū)域的輻照強(qiáng)度略大于兩端的現(xiàn)象，這是由于工作腔體中間區(qū)域的輻照強(qiáng)度是多個(gè)紫外燈管輻照在該處的疊加效果導(dǎo)致的；同時(shí)，兩種紫外燈管排列形式的輻照強(qiáng)度都是在紫外燈管附近較大，遠(yuǎn)離紫外燈管則較小。從圖5還可以看出，當(dāng)紫外燈管呈正方形排列時(shí)，工作腔體中橫向輻照強(qiáng)度在紫外燈管與紫外燈管之間均發(fā)生了較大的跳躍，使工作腔體中輻照強(qiáng)度呈強(qiáng)弱跳躍的劇烈變化。從圖6還可以看出，當(dāng)紫外燈管采用菱形排列時(shí)，工作腔體中輻照強(qiáng)度除了在紫外燈管處變化較大外，紫外燈管之間區(qū)域的輻照強(qiáng)度沿著橫向分布比較均勻，輻照強(qiáng)度上下限值的差值也較小。說明紫外燈管采用菱形排列時(shí)，工作腔體中輻照強(qiáng)度分布較為均勻，有利于煉膠煙氣處理效率的提高。

4 結(jié)論

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

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

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

本工作仿真結(jié)果可為橡膠廠煉膠煙氣光催化氧化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)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(shè)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(yùn)行速度、停留時(shí)間、紫外燈管數(shù)量及功率等，實(shí)際工作中需要綜合考慮各因素，才能設(shè)計(jì)出符合需求、滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。