輪胎硫化煙氣精準(zhǔn)收集方案的研究

吳佳易

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎作為一種橡膠制品，其硫化過程中會(huì)產(chǎn)生含有大量揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的有毒有害氣體，包含各種顆粒物、非甲烷總烴、甲苯、二甲苯、乙苯、硫化氫、氨等物質(zhì)[1-3]，若不做處理任由硫化煙氣散溢，有害氣體就會(huì)在硫化車間內(nèi)積聚，污染空氣，刺激人體呼吸系統(tǒng)、眼睛及神經(jīng)系統(tǒng)，危害員工身體健康。因此，根據(jù)環(huán)保生產(chǎn)的要求，輪胎的硫化煙氣必須經(jīng)過精準(zhǔn)收集后輸送至相關(guān)環(huán)保設(shè)備進(jìn)行處理。然而，國內(nèi)輪胎企業(yè)一直對(duì)輪胎硫化煙氣收集工序不夠重視，注意力大多放在后端的煙氣處理工藝及相關(guān)環(huán)保設(shè)備上。前端煙氣收集工序做不好，后端的煙氣處理只會(huì)事倍功半，因此如何精準(zhǔn)收集輪胎硫化煙氣，減小收集風(fēng)量，完善風(fēng)管管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流程是亟待研究解決的問題。

1 輪胎硫化煙氣收集方案

輪胎硫化過程中只有在硫化機(jī)開模時(shí)才會(huì)有大量煙氣快速散溢出來，因此硫化煙氣具有周期性排放、流量波動(dòng)大的特點(diǎn)，并且每次開模時(shí)散發(fā)出來的煙氣污染物濃度低，但煙氣量較大。由于車間現(xiàn)場(chǎng)各種規(guī)格的硫化機(jī)數(shù)量眾多，使硫化煙氣散溢點(diǎn)分布范圍極廣，煙氣收集不及時(shí)就會(huì)快速擴(kuò)散至整個(gè)車間內(nèi)，這進(jìn)一步加大了煙氣收集所需的風(fēng)量。另外，不同規(guī)格輪胎的硫化時(shí)間不一，導(dǎo)致車間內(nèi)硫化機(jī)的開合模節(jié)奏不同，不同時(shí)間硫化機(jī)的開模數(shù)量及開模位置均不一定，使車間內(nèi)硫化煙氣的散溢量也不同。很顯然，輪胎硫化煙氣的這些固有特點(diǎn)均大大提高了精準(zhǔn)煙氣收集的難度。

針對(duì)這些問題，本工作分別設(shè)計(jì)了兩種硫化煙氣收集方案：一體式大圍罩煙氣收集和局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集。其中，前者屬于傳統(tǒng)的常規(guī)方案，并已在我公司投入使用，后者是在總結(jié)分析前方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。

1.1 一體式大圍罩煙氣收集方案

一體式大圍罩煙氣收集是以一整條硫化溝作為一個(gè)單元，搭建一個(gè)大圍罩將整條硫化溝包裹在內(nèi)，然后對(duì)該封閉空間內(nèi)所有的輪胎硫化煙氣進(jìn)行統(tǒng)一收集。該圍罩以各臺(tái)硫化機(jī)框體作為封閉基準(zhǔn)面，主要采用鍍鋅方管焊接搭建一個(gè)與硫化機(jī)框體等高的框架，在框架頂部及四周鋪設(shè)夾心巖棉板作為封閉隔板，然后在圍罩頂部兩側(cè)各橫向布置一路風(fēng)管，在這兩路風(fēng)管各自對(duì)應(yīng)的硫化機(jī)位置處向下安裝插入圍罩內(nèi)部的支風(fēng)管，并要求每個(gè)支風(fēng)管上都裝有多葉手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，且支風(fēng)管數(shù)量與硫化機(jī)數(shù)量一致。最后，這兩路橫向風(fēng)管匯合成一路主風(fēng)管，豎直上升至屋面，與安裝在屋面的離心風(fēng)機(jī)對(duì)接。此外，為了方便員工日常操作，在大圍罩的兩側(cè)、每臺(tái)硫化機(jī)正面操作位前各安裝一扇快速電動(dòng)門，要求快速電動(dòng)門與硫化機(jī)聯(lián)動(dòng)，通過硫化機(jī)開合模的PLC信號(hào)自動(dòng)控制電動(dòng)門的開閉動(dòng)作。

在初始方案中，以單臺(tái)硫化機(jī)為單元搭建小圍罩進(jìn)行煙氣封閉收集，這樣封閉空間更小，更有利于縮減煙氣收集風(fēng)量。然而，由于受操作空間的限制，輪胎后充氣裝置無法被一同包裹在該小圍罩內(nèi)，使在硫化出模后至后充氣裝置定型期間高溫狀態(tài)下的輪胎仍會(huì)持續(xù)散發(fā)煙氣并散溢到整個(gè)車間內(nèi)。因此，方案改進(jìn)為將整條硫化溝包裹在內(nèi)的一體式大圍罩，后充氣裝置也可以一并放置在圍罩內(nèi)部，輪胎硫化及充氣定型期間的所有煙氣均被封閉在圍罩內(nèi)，如圖1所示。

圖1 一體式大圍罩煙氣收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一體式大圍罩煙氣收集方案的優(yōu)點(diǎn)明顯，具體如下所述。

（1）簡(jiǎn)化煙氣收集的施工難度。只要在每條硫化溝上都搭建一個(gè)一體式大圍罩，無需考慮單臺(tái)硫化機(jī)的煙氣散溢量，只需針對(duì)這幾個(gè)大圍罩進(jìn)行煙氣收集即可，省去了對(duì)上百臺(tái)硫化機(jī)單獨(dú)配置風(fēng)管、風(fēng)量的工作。

（2）有效縮減了輪胎硫化煙氣的散溢空間，降低煙氣收集所需的風(fēng)量。若沒有一體式大圍罩的限制，輪胎硫化煙氣會(huì)散溢到整個(gè)硫化車間內(nèi)，煙氣收集就等于對(duì)整個(gè)車間進(jìn)行換氣，風(fēng)量浪費(fèi)極大。安裝一體式大圍罩后，由于員工大部分時(shí)間都在圍罩外作業(yè)，故煙氣收集與大圍罩內(nèi)的換氣次數(shù)無關(guān)，只需讓風(fēng)機(jī)不停運(yùn)轉(zhuǎn)，保持圍罩內(nèi)部的負(fù)壓狀態(tài)即可。為保證煙氣收集效果，該負(fù)壓須保證快速電動(dòng)門開啟時(shí)形成至小為0.3 m·s-1的流向大圍罩內(nèi)部的負(fù)壓風(fēng)速氣流，保證硫化煙氣不向外溢出。

然而經(jīng)過一段時(shí)間的使用，一體式大圍罩煙氣收集方案也顯現(xiàn)出很多缺陷。

（1）一體式大圍罩的建造工程量較大，施工成本過高。雖然車間內(nèi)各硫化溝長短不一，每條硫化溝的硫化機(jī)數(shù)量也不同，使多個(gè)一體式大圍罩煙氣收集系統(tǒng)的造價(jià)存在差別，但根據(jù)建造經(jīng)驗(yàn)，一套長約60 m的一體式大圍罩煙氣收集系統(tǒng)的造價(jià)在50萬元以上，大量費(fèi)用耗費(fèi)在方管鋼材及夾心巖棉板上。

（2）降低員工作業(yè)效率，提高設(shè)備的運(yùn)維難度和成本。加裝大圍罩后，員工每次進(jìn)行輪胎硫化開模時(shí)都需等待快速電動(dòng)門開啟，輪胎后充氣定型時(shí)還需通過硫化機(jī)一側(cè)的手動(dòng)門進(jìn)入大圍罩內(nèi)作業(yè)，增加了員工日常作業(yè)的步驟及時(shí)長，降低了生產(chǎn)效率。此外，硫化機(jī)損壞須拆修時(shí)，大圍罩會(huì)嚴(yán)重妨礙維修工作，有時(shí)甚至需要將大圍罩拆除，維修后還需再恢復(fù)大圍罩，工序極其復(fù)雜，加大了人工成本。

（3）風(fēng)機(jī)能耗過大，浪費(fèi)嚴(yán)重。一體式大圍罩存在密閉性難題，手動(dòng)門、快速電動(dòng)門、巖棉板之間、巖棉板與硫化機(jī)框體之間廣泛存在縫隙，甚至員工會(huì)經(jīng)常不關(guān)門，為保持大圍罩內(nèi)部的負(fù)壓狀態(tài)，功率達(dá)幾十千瓦的離心風(fēng)機(jī)必須一直保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）縮減煙氣收集風(fēng)量并未達(dá)到預(yù)期，無法做到精準(zhǔn)收集。為滿足電動(dòng)門開啟時(shí)負(fù)壓風(fēng)速不低于0.3 m·s-1的要求，電動(dòng)門同一時(shí)間開啟的數(shù)量不能太多，否則負(fù)壓風(fēng)速就會(huì)低于該數(shù)值。以60 m長、裝有30臺(tái)硫化機(jī)的硫化溝為例，其分配的風(fēng)量一般為40 000 m3·h-1，根據(jù)硫化機(jī)尺寸選型的快速電動(dòng)門的高、寬尺寸為3.5 m×3 m，按開門高度1.8 m計(jì)，理論上同一時(shí)間電動(dòng)門最多只能開啟6扇，然而實(shí)際上單條硫化溝經(jīng)常會(huì)有超過6臺(tái)硫化機(jī)同時(shí)開模的情況，使煙氣收集效果不佳。此外，快速電動(dòng)門經(jīng)常發(fā)生故障，一旦沒有及時(shí)修復(fù)，為了不影響生產(chǎn)，電動(dòng)門不得不處于常開狀態(tài)，使大圍罩內(nèi)負(fù)壓失效，硫化煙氣外溢出大圍罩。要解決該問題，就只能繼續(xù)加大風(fēng)量，背離了精準(zhǔn)收集的初衷。

1.2 局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集方案

局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集方案是根據(jù)輪胎硫化煙氣的周期性排放、流量波動(dòng)性大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。相比一體式大圍罩方案，該方案取消了封閉用途的大圍罩，直接在每臺(tái)硫化機(jī)的輪胎硫化模具位置和后充氣裝置定型夾盤位置近距離安裝風(fēng)管，即支風(fēng)管吸風(fēng)口盡可能靠近硫化煙氣散溢的源頭，并且在每個(gè)支風(fēng)管上配置一個(gè)電動(dòng)風(fēng)閥，要求電動(dòng)風(fēng)閥的開閉信號(hào)與硫化機(jī)、后充氣裝置聯(lián)動(dòng)。此外，在安裝空間允許的前提下，支風(fēng)管吸風(fēng)口處還需安裝傘形集氣罩，以便加大煙氣收集范圍。一般單條硫化溝配一路主風(fēng)管，所有支風(fēng)管匯入硫化溝中間的主風(fēng)管，主風(fēng)管升至屋面后與離心風(fēng)機(jī)及相關(guān)煙氣處理設(shè)施對(duì)接。最后，在主風(fēng)管頭尾兩端分別安裝壓差傳感器及泄壓閥，且壓差傳感器信號(hào)與離心風(fēng)機(jī)變頻聯(lián)動(dòng)，而泄壓閥用于保護(hù)風(fēng)管的安全，一旦風(fēng)管內(nèi)外壓差超過泄壓閥安全值，泄壓閥就會(huì)打開，保護(hù)風(fēng)管不被破壞。局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有如下主要優(yōu)點(diǎn)。

圖2 局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）建造成本低。相比一體式大圍罩煙氣收集方案，局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集方案取消了封閉式大圍罩，免去鍍鋅方管框架、夾心巖棉板、快速電動(dòng)門以及相關(guān)的人工建造成本。雖然本方案改手動(dòng)風(fēng)閥為電動(dòng)風(fēng)閥，且增加了泄壓閥、壓差傳感器、傘形集氣罩等，加大了風(fēng)管安裝難度，但總體建造費(fèi)用大幅降低。

（2）不影響員工生產(chǎn)效率，不干擾設(shè)備的日常拆修、運(yùn)維。由于本方案只需風(fēng)管收集煙氣，所有設(shè)備均敞開在車間內(nèi)，員工日常生產(chǎn)作業(yè)及設(shè)備拆修均不受干擾。

（3）理論上將煙氣收集風(fēng)量及風(fēng)機(jī)能耗降至最低。針對(duì)硫化煙氣周期性排廢、煙氣量波動(dòng)大的特點(diǎn)，屋頂?shù)碾x心風(fēng)機(jī)無需長時(shí)間、全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，可以根據(jù)主風(fēng)管內(nèi)與管外的壓差調(diào)控變頻器頻率，做到降頻甚至間斷式運(yùn)轉(zhuǎn)。按照設(shè)定程序，離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率與壓差呈反比，當(dāng)主風(fēng)管內(nèi)與管外的壓差為零時(shí)風(fēng)機(jī)全功率運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)壓差逐漸增大，風(fēng)機(jī)逐漸降頻運(yùn)轉(zhuǎn)，直至壓差超過設(shè)定最大值時(shí)停轉(zhuǎn)。另外，風(fēng)管內(nèi)外壓差除與風(fēng)機(jī)相關(guān)外，還受各支風(fēng)管上電動(dòng)風(fēng)閥調(diào)節(jié)控制。當(dāng)硫化機(jī)合模時(shí)無硫化煙氣外溢，對(duì)應(yīng)位置的電動(dòng)風(fēng)閥關(guān)閉，沒有氣流進(jìn)入風(fēng)管內(nèi)，管內(nèi)壓差只受風(fēng)機(jī)影響；當(dāng)某臺(tái)硫化機(jī)即將開模時(shí)，電動(dòng)風(fēng)閥會(huì)在開模5 s前打開，受管內(nèi)外壓差的影響，氣流自動(dòng)進(jìn)入風(fēng)管內(nèi)，壓差逐漸減小，風(fēng)機(jī)則逐步加速運(yùn)轉(zhuǎn)，待5 s后硫化機(jī)開模時(shí)支風(fēng)管即能全速收集外溢的硫化煙氣。同理，輪胎從硫化機(jī)出模并運(yùn)至后充氣裝置時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的電動(dòng)風(fēng)閥自動(dòng)打開，并且在輪胎開始充氣定型5 min（具體時(shí)長可根據(jù)輪胎規(guī)格調(diào)整）后自動(dòng)關(guān)閉。可見，本方案的煙氣收集系統(tǒng)只在必要時(shí)進(jìn)行煙氣收集工作，既做到精準(zhǔn)收集煙氣，又能最小化收集風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)分析比較，一體式大圍罩煙氣收集方案雖然可行，但一直沒有解決收集效率低、施工及運(yùn)維成本高的問題，而局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集方案則規(guī)避了前者的問題，能夠真正做到高效率、小風(fēng)量、低功耗的精準(zhǔn)煙氣收集，較前者更有優(yōu)勢(shì)。

2 支風(fēng)管直徑計(jì)算

風(fēng)量計(jì)算是所有煙氣精準(zhǔn)收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)，關(guān)系到后續(xù)風(fēng)管直徑、風(fēng)壓損耗、風(fēng)機(jī)選型等一系列問題。目前工程上往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算總風(fēng)量，然后采用超配風(fēng)機(jī)的方式保證煙氣收集效果，無效風(fēng)量和能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，局部定點(diǎn)間斷式煙氣收集方案要做到硫化煙氣精準(zhǔn)收集就必須明確單個(gè)支風(fēng)管所需的具體風(fēng)量，然后才能推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的總風(fēng)量。通過查詢相關(guān)通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，支風(fēng)管風(fēng)量與控制風(fēng)速（煙氣散溢處的吸捕風(fēng)速）、風(fēng)管直徑密切相關(guān)，然而目前業(yè)內(nèi)卻沒有確切的針對(duì)不同規(guī)格輪胎硫化煙氣收集支風(fēng)管直徑的計(jì)算公式。顯然，支風(fēng)管直徑是整個(gè)煙氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直徑過大，無效風(fēng)量就會(huì)增加，浪費(fèi)系統(tǒng)的總風(fēng)量；直徑過小，就必須增大控制風(fēng)速，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加。

2.1 豎直安裝位的支風(fēng)管直徑

通過查詢相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知支風(fēng)管直徑與風(fēng)速的關(guān)系式為

式中：v2為支風(fēng)管吸風(fēng)口處風(fēng)速，m·s-1，在工程上通常取5～8 m·s-1；v1為輪胎邊緣煙氣散溢點(diǎn)處的控制風(fēng)速，m·s-1，通常取0.25～0.50 m·s-1；H為支風(fēng)管吸風(fēng)口至輪胎中心點(diǎn)的距離，m；d為支風(fēng)管直徑，m。

從式（1）可以看出，只需知道v1，v2和H這3個(gè)變量的值就可以計(jì)算出所需支風(fēng)管直徑，然而這個(gè)公式對(duì)輪胎硫化煙氣收集存在局限性，它沒有考慮輪胎直徑。輪胎是一個(gè)空心的大圓環(huán)，其中心位置煙氣的散溢量反而較小，可能出現(xiàn)支風(fēng)管吸風(fēng)口與輪胎中心的距離過小，且按式（1）計(jì)算的風(fēng)管直徑又不夠大的情況，使輪胎四周的煙氣散溢點(diǎn)超出支風(fēng)管的煙氣吸捕范圍。因此，確定輪胎硫化煙氣收集的支風(fēng)管直徑應(yīng)在上述3個(gè)變量的基礎(chǔ)上還需考慮輪胎直徑。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定風(fēng)管豎直正對(duì)著輪胎，吸風(fēng)口在輪胎的正上方。支風(fēng)管吸風(fēng)口煙氣收集如圖3所示。由于風(fēng)量未定，d未知；O代表風(fēng)管中心；D和H均已知。

圖3 豎直支風(fēng)管吸風(fēng)口煙氣收集示意

從圖3可以看出，帶箭頭的弧線代表風(fēng)管吸捕的氣體流線，離吸風(fēng)口越近流線越密集，流速越大，離吸風(fēng)口越遠(yuǎn)流線越稀松，流速越小，整個(gè)煙氣的理想吸捕范圍呈上窄下寬的圓錐臺(tái)體形狀。

另外，圖3所示的1#和2#兩條虛線表示兩個(gè)弧面，每個(gè)弧面上的風(fēng)速、動(dòng)壓均相等，故稱等壓/等速面（以下均簡(jiǎn)稱為等速面）。很明顯，1#等速面的風(fēng)速、動(dòng)壓均大于2#等速面，且2#等速面剛好覆蓋輪胎，即表示輪胎在此吸風(fēng)口收集煙氣的氣流吸捕范圍內(nèi)。現(xiàn)假定該吸風(fēng)口的煙氣吸捕范圍只到達(dá)1#等速面，并沒有將輪胎覆蓋在內(nèi)，即距離h＜H。此時(shí)輪胎散發(fā)的煙氣無法被風(fēng)管主動(dòng)吸捕，但輪胎硫化煙氣是高溫氣體，會(huì)自動(dòng)上升穿過1#等速面從而進(jìn)入支風(fēng)管的吸捕范圍內(nèi)，從理論上可以將支風(fēng)管所需的風(fēng)量、風(fēng)壓最小化。然而這過于理想化，因?yàn)榱蚧療煔庠谖催M(jìn)入吸捕范圍的這段時(shí)間內(nèi)極易受到外部因素干擾，導(dǎo)致硫化煙氣逸散。因此，應(yīng)假定2#等速面為支風(fēng)管吸捕范圍的最底面，且2#弧面的底面直徑剛好與輪胎直徑相等。理論上2#等速面上的控制風(fēng)速不小于零即可，考慮到煙氣收集效果，在工程上通常取0.25～0.50 m·s-1。

進(jìn)一步分析，由于2#等速弧面的弧度不大，可以近似為平面，因此圖3可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)易幾何示意圖（見圖4）。圖中AB代表輪胎水平面位置，EF代表風(fēng)管吸風(fēng)口位置。

圖4 豎直煙氣吸捕范圍簡(jiǎn)化示意

取一個(gè)位于AB面中心點(diǎn)的極小的煙氣流體微團(tuán)，可近似看成一個(gè)位于O1點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)，其以起始速度v1經(jīng)過時(shí)間t加速流至EF面中心點(diǎn)O2，末端速度為v2。又由于AB和EF面均為等速面（經(jīng)上述簡(jiǎn)化處理，2#等速弧面被近似為AB平面，AB面各質(zhì)點(diǎn)流至EF面的行程都可近似為H），故AB面各質(zhì)點(diǎn)風(fēng)速均為v1，EF面各質(zhì)點(diǎn)風(fēng)速均為v2，且AB面各質(zhì)點(diǎn)流至EF面的時(shí)間相等，均為t，因此各質(zhì)點(diǎn)的平均加速度也相等，設(shè)為a，得如下公式：

解方程組得

結(jié)合圖4所示幾何結(jié)構(gòu)，可得到如下關(guān)系式：

式中：L為假想的小圓錐體的高度，m；V為圓錐臺(tái)的體積，即煙氣精準(zhǔn)收集所需的吸捕范圍，m3。

將式（4）變形后代入式（5），可得

當(dāng)處于吸捕范圍V內(nèi)的煙氣經(jīng)過時(shí)間t后被支風(fēng)管全部吸入，可將單位時(shí)間內(nèi)被吸入風(fēng)管的平均煙氣體積視為該支風(fēng)管的流量，其計(jì)算公式為

式中，QV為支風(fēng)管的流量，m3·s-1。

風(fēng)管吸風(fēng)口處風(fēng)量（即QV）可用常規(guī)計(jì)算公式計(jì)算：

將式（7）（8）聯(lián)立，可得到一個(gè)以d為變量的一元二次方程，解方程并推導(dǎo)其計(jì)算公式為

支風(fēng)管直徑只與吸風(fēng)口風(fēng)速、輪胎處控制風(fēng)速和輪胎直徑相關(guān)。通過式（9）計(jì)算得支風(fēng)管直徑后，再將其代入式（1），可得到豎直安裝位支風(fēng)管吸風(fēng)口與輪胎間的距離，彌補(bǔ)了缺失距離因素的不足。

需要說明的是，在輪胎直徑及AB和EF兩個(gè)截面風(fēng)速均可按需選取的情況下，根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)性方程QAB＝QEF，風(fēng)管直徑似乎可以通過公式d＝D（v1/v2）0.5求出。然而連續(xù)性方程只適用于風(fēng)管管路內(nèi)部，一旦超出風(fēng)管范圍，流體范圍就不再局限于風(fēng)管內(nèi)前后順序的截面，故用連續(xù)性方程計(jì)算的風(fēng)管直徑往往較小，不能滿足實(shí)際需求。

2.2 任意安裝位的支風(fēng)管直徑

由于硫化現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境比較復(fù)雜，硫化機(jī)的油缸、框體結(jié)構(gòu)、附近的管路和鋼平臺(tái)等均會(huì)阻礙風(fēng)管的布置，實(shí)際上支風(fēng)管很少能剛好豎直正對(duì)著輪胎進(jìn)行煙氣收集。因此改進(jìn)圖4所示結(jié)構(gòu)，將支風(fēng)管吸風(fēng)口改為斜對(duì)著輪胎，如圖5所示。

圖5 傾斜支風(fēng)管煙氣吸捕范圍簡(jiǎn)化示意

圖5中頂點(diǎn)O2表示支風(fēng)管吸風(fēng)口（示意圖中將風(fēng)管吸風(fēng)口進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以吸風(fēng)口中心點(diǎn)O2代表圖4中的整個(gè)EF線段），線段AB和O2N分別表示輪胎直徑D、支風(fēng)管中心與輪胎垂直距離H，且風(fēng)管中心線O2O3與輪胎豎直法線的夾角為θ（即支風(fēng)管任意傾斜安裝，0°≤θ≤90°）。此時(shí)，輪胎AB不再處于等速面，為保證與風(fēng)管距離最遠(yuǎn)的端點(diǎn)B仍能處于煙氣吸捕范圍內(nèi)（由于煙氣能夠自動(dòng)上升散溢，且B點(diǎn)吸捕風(fēng)速v1往往不高，故需預(yù)留一段空間BP，以防煙氣在初始階段逃逸出煙氣吸捕范圍，而A點(diǎn)則無這個(gè)問題），過B點(diǎn)畫一條線作為新的等速面CG，此弧面各質(zhì)點(diǎn)的吸捕風(fēng)速均為v1。顯然，不同于豎直安裝位的風(fēng)管，傾斜風(fēng)管針對(duì)輪胎的控制風(fēng)速v1處于B點(diǎn)所在的CG等速面上，故需要求出CG等速面的直徑，即CG線段的長度。

為方便求解，畫輔助線，過O2點(diǎn)畫豎直虛線O2N，連接O2與C兩點(diǎn)，過O1點(diǎn)畫平行于CG的虛線KJ。已知，O1為AB中點(diǎn)，AB＝D，O2N＝H，風(fēng)管傾角為θ。根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系可推導(dǎo)得到CG等速面直徑的計(jì)算公式：

由于傾斜風(fēng)管狀態(tài)下的CG面直徑等于豎直風(fēng)管狀態(tài)下AB面直徑D，因此將式（10）代入式（9）可得

顯然，當(dāng)風(fēng)管處于豎直狀態(tài)，即θ＝0時(shí)，式（11）與式（9）完全一致。

另外，式（11）中隱含2H-Dsinθcosθ＞0（即H＞Dsinθcosθ/2）的要求，這印證了上節(jié)所論述的支風(fēng)管吸風(fēng)口不能過于靠近輪胎中心，否則有可能會(huì)出現(xiàn)輪胎部分煙氣散溢點(diǎn)處于煙氣收集的吸捕范圍之外的情況。最后，將通過式（11）計(jì)算出的d值以及O2O3的長度[H/cosθ＋（D/2）sinθ]分別代入式（1）中的d和H，以便驗(yàn)證支風(fēng)管吸風(fēng)口處風(fēng)速及輪胎處控制風(fēng)速符合流場(chǎng)分布規(guī)律。

3 煙氣收集管網(wǎng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輪胎硫化煙氣精準(zhǔn)收集系統(tǒng)時(shí)，一般會(huì)先將整個(gè)風(fēng)管管網(wǎng)繪制出來，根據(jù)已推導(dǎo)出的支風(fēng)管直徑公式計(jì)算出各段風(fēng)管的風(fēng)量，進(jìn)而推算出整個(gè)系統(tǒng)所需的總風(fēng)量，然后整個(gè)系統(tǒng)的管徑、壓損都能按照流體力學(xué)的相關(guān)公式逐段計(jì)算出來，最后選配符合要求的風(fēng)機(jī)。

3.1 傘形集氣罩匹配選型及風(fēng)量計(jì)算

為便于工程施工，通過式（11）計(jì)算出支風(fēng)管的理論直徑后，還需將其圓整化，設(shè)為d′，且要求d′≥d，然后代入式（8），再考慮風(fēng)管漏風(fēng)因數(shù)即可算出針對(duì)單個(gè)輪胎的支風(fēng)管煙氣收集風(fēng)量。

式中：Qo為針對(duì)單條輪胎的支風(fēng)管硫化煙氣精準(zhǔn)收集風(fēng)量，m3·s-1；k為風(fēng)管漏風(fēng)因數(shù)，一般取1.1～1.2。

考慮到輪胎產(chǎn)品規(guī)格、硫化機(jī)型號(hào)不同，且不同硫化機(jī)的硫化模具數(shù)量也可能不同，上述單個(gè)支風(fēng)管對(duì)單條輪胎進(jìn)行煙氣精準(zhǔn)收集的方式就顯得不實(shí)用，在實(shí)際施工時(shí)多個(gè)支風(fēng)管在有限的空間內(nèi)極難布局。因此針對(duì)含多層硫化模具的硫化機(jī)，支風(fēng)管要進(jìn)行調(diào)整，需在吸風(fēng)口處加裝一個(gè)傘形集氣罩，使一個(gè)支風(fēng)管能夠?qū)Χ鄺l輪胎同時(shí)進(jìn)行煙氣收集，且傘形集氣罩風(fēng)量可在式（12）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)得出。

式中：Qn為針對(duì)多條輪胎的單個(gè)傘形罩的硫化煙氣精準(zhǔn)收集風(fēng)量，m3·s-1；n1為單臺(tái)硫化機(jī)同時(shí)硫化的輪胎數(shù)量。

此外，通過查詢相關(guān)技術(shù)手冊(cè)可知，傘形集氣罩排風(fēng)量的計(jì)算公式為

式中：K為安全因數(shù)，通常取1.4；W為傘形集氣罩敞開面的周長，m；Ls為傘形罩吸風(fēng)口至輪胎煙氣散溢中心點(diǎn)的距離，m。

顯然，通過式（13）計(jì)算出傘形集氣罩的風(fēng)量后，就可利用式（14）計(jì)算出傘形集氣罩敞開面的周長。

最后，考慮到硫化現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)處于開模狀態(tài)的硫化機(jī)的最大機(jī)臺(tái)數(shù)n2以及上述所有已分析過的因素，得到整個(gè)輪胎硫化煙氣精準(zhǔn)收集系統(tǒng)所需的總風(fēng)量QT。

3.2 風(fēng)管直徑、壓損計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

3.2.1 風(fēng)管直徑計(jì)算

首先，在已知各初始段支風(fēng)管風(fēng)量的前提下，結(jié)合流體力學(xué)的連續(xù)性方程Q1＝Q2[Q1和Q2泛指連續(xù)性管道內(nèi)（如風(fēng)管）兩個(gè)不同截面內(nèi)的流量]，可沿著風(fēng)管管線逆流逐段往前推算各段風(fēng)管內(nèi)的流量，然后對(duì)各段風(fēng)管選擇合適的風(fēng)速（主風(fēng)管風(fēng)速為10～15 m·s-1，次級(jí)風(fēng)管風(fēng)速為8～12 m·s-1，末端各路支風(fēng)管風(fēng)速為5～8 m·s-1），分別計(jì)算出前端各段風(fēng)管直徑di，其計(jì)算公式為

式中：Qi為某段風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)量，m3·s-1；vi為某段風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速，m·s-1。

然后對(duì)各段風(fēng)管直徑圓整化處理，最終得到各段風(fēng)管的合理直徑。

3.2.2 壓損計(jì)算

在計(jì)算出各段風(fēng)管的直徑后，即可推算出整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)管壓損。根據(jù)流體力學(xué)，整個(gè)系統(tǒng)的壓損分為沿程壓損和局部壓損[4]。其計(jì)算公式為

式中：Pq，Pf和Pm分別為系統(tǒng)的總壓損、沿程壓損和局部壓損，Pa；λ為沿程阻力系數(shù)；ζ為局部阻力系數(shù)；l為風(fēng)管長度，m；ρ為煙氣密度，由于輪胎硫化煙氣濃度較低，可等同于空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)條件（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0 ℃）下取值為1.29 kg·m-3，可在相關(guān)技術(shù)手冊(cè)中通過空氣密度-溫度對(duì)照表查詢相應(yīng)溫度下的空氣密度值，kg·m-3。

由于沿程阻力系數(shù)與空氣流體的層流、紊流狀態(tài)有關(guān)，而流體狀態(tài)又取決于雷諾數(shù)Re，故計(jì)算沿程壓損前首先需要計(jì)算出相應(yīng)風(fēng)管的Re，其計(jì)算公式為

式中：υ為風(fēng)管內(nèi)空氣流體的運(yùn)動(dòng)粘度，可通過手冊(cè)查詢對(duì)應(yīng)溫度下的空氣動(dòng)力粘度及密度的值，然后由兩者相除得到，m2·s-1。

通過式（20）算得Re后，檢查其所處的阻力區(qū)間，選取合適的λ計(jì)算公式，計(jì)算得λ值，再代入式（18）計(jì)算相應(yīng)風(fēng)管的沿程壓損。以此類推，最終所有風(fēng)管的沿程壓損計(jì)算出來后全部相加，得到整個(gè)風(fēng)管管網(wǎng)的沿程壓損。

與沿程壓損計(jì)算過程類似，局部壓損的計(jì)算也需要優(yōu)先求得局部壓力系數(shù)。不同的是，局部壓損種類繁多，與風(fēng)管接頭的形狀有關(guān)，基本出現(xiàn)在風(fēng)管入口、風(fēng)管出口、彎頭、三通、變徑、閥門等位置，且這些局部障礙位置的流體大多處于紊流狀態(tài)。

局部阻力系數(shù)沒有成體系的計(jì)算公式，只能根據(jù)風(fēng)管接頭的類型及尺寸查詢相關(guān)技術(shù)手冊(cè)或流體力學(xué)文獻(xiàn)[5]中的局部壓損系數(shù)表，才可得出各個(gè)風(fēng)管接頭局部阻力系數(shù)值，并分別代入式（19）后將所有局部壓損相加，求出整個(gè)風(fēng)管管網(wǎng)的局部壓損。

3.3.3 風(fēng)機(jī)選型

輪胎硫化煙氣收集方案常選用離心式風(fēng)機(jī)，且該風(fēng)機(jī)的選型主要考慮風(fēng)量、全壓、功率3個(gè)參數(shù)。由于本煙氣收集系統(tǒng)的風(fēng)量已經(jīng)求得，只需求得后兩個(gè)參數(shù)即可選定合適的風(fēng)機(jī)。經(jīng)查詢相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，風(fēng)機(jī)選型所需的全壓、功率的計(jì)算公式[6]如下：

式中：P為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Ps為由煙氣處理設(shè)備造成的壓損，此數(shù)值可向設(shè)備供應(yīng)商咨詢獲得，Pa；α1為總壓損的附加系數(shù)，變頻離心風(fēng)機(jī)通常取值為1；α2為風(fēng)機(jī)全壓負(fù)差系數(shù)，一般取值為1.05；N為風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率，W；QL為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3·s-1；KL為電動(dòng)機(jī)安全因數(shù)，一般取1.15～1.30；η1為風(fēng)機(jī)全壓效率，一般取0.7～0.8；η2為風(fēng)機(jī)機(jī)械效率，一般取0.95～0.98。

顯然，式（21）（22）中所有變量均為已知量，只要分別向公式內(nèi)依次代入數(shù)值就可求得風(fēng)機(jī)的全壓和功率。

4 結(jié)語

伴隨著越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，輪胎硫化煙氣的精準(zhǔn)收集越發(fā)顯得重要，以往那種根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)估算煙氣收集風(fēng)量的方法已逐漸落伍，其結(jié)果或者是風(fēng)量估算不足，煙氣收集效果不佳，或者是風(fēng)量估算過大，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。因此本文論述的輪胎硫化煙氣精準(zhǔn)收集方案、支風(fēng)管直徑計(jì)算公式以及風(fēng)量計(jì)算公式意義重大，能精準(zhǔn)計(jì)算出各種規(guī)格輪胎收集硫化煙氣所需的風(fēng)量，使煙氣收集風(fēng)量最小化，進(jìn)而有助于后續(xù)煙氣收集風(fēng)管管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，減小風(fēng)管直徑、風(fēng)管壓損及電動(dòng)機(jī)功耗，進(jìn)而大大降低后續(xù)配套的煙氣處理設(shè)施的采購及運(yùn)維成本。