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VOCs治理工程中收集系统(一)焊接烟气净化系统中的收集模拟

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-19  来源:环保工程CFD辅助设计  浏览次数:3
核心提示:VOCs排放中有很大一部分都是属于无组织排放,这部分VOC要治理好,首先要做好收集工作。本文以焊接烟气净化系统为例,模拟并比较
VOCs排放中有很大一部分都是属于无组织排放,这部分VOC要治理好,首先要做好收集工作。本文以焊接烟气净化系统为例,模拟并比较了不同形式收集效果,指出了目前移动式焊烟净化器存在的问题和改进的方向。

电焊是利用电能加热,促使被焊接金属局部达到液态或接近液态,而使之结合形成牢固的不可拆卸接头的工艺方法。它是一种在工厂极为常见的机械工艺方法。

焊接过程中产生的污染种类多、危害大,能导致多种职业病(如焊工硅肺、锰中毒、电光性眼炎等)的发生,已成为一个重大的环境公害。随着环保要求的日益严格,许多单位都配套了焊烟净化系统。对于工位和工件不固定的机械加工单位大多都配置了移动式的焊烟净化器,那么这种移动式的焊烟净化器的效果如何呢?移动式焊烟净化器的效果并不理想。为了弄清楚这个问题,让我们从设计规范和流场模拟的角度去分析一下。

焊烟净化无论是固定式净化系统还是视频中的移动式焊烟净化器都是属于局部通风。局部通风是对局部气流进行治理,使局部工作地点不受有害物的污染,保持良好的空气环境。一般局部排风机组由集气罩、风管、净化系统和风机四个设备构成,从功能上讲也可以分为收集和治理两个部分。本文主要探讨焊接烟气的收集部分。

收集系统中最主要的是集气罩,也可以称为排风罩。排风罩是用来捕集有害物的。由于生产设备和操作的不同,排风罩的形式多种多样。根据不同的工作原理,排风罩可分为以下几种基本形式:密闭罩、排风柜、外部排风罩和接受式排风罩等。

如下图1所示,密闭集气罩简称密闭罩,是将有害物发散源的局部或整体密闭起来的集气罩。密闭罩主要通过孔口(如图a)或缝隙进风(如图b)。



图1-密闭罩示意图

密闭罩的作用原理是将有害物的扩散限制在一个很小的密闭空间内,并通过罩子排出一定量的空气,使罩内保持一定的负压,让罩外的空气经罩上的缝隙或者小孔流入罩内,以达到防治有害物外逸的目的。其优点是所需排气量最小,控制效果最好,且不受车间内横向气流的干扰。

排风柜,类似于密封罩,但相比密闭罩留有一个面开口,用于操作。是一种三面围挡一面敞开,或装有操作拉门、工作孔的柜式排风罩。敞开面上保持一定的吸风速度,以保证柜内有害物不逸出。如下图2中黑色点所在的位置就是开口面。



图2-排风柜示意图



外部排风罩,设置在有害物发散源近旁,依靠罩口的抽吸作用,在控制点(距排风罩罩口最远的有害物放散点)处形成一定的风速排除有害物的排风罩。如下图所示,可以分为上吸、侧吸和底吸三种形式。



图3-外部排风罩示意图

接受罩,接受由生产过程(如热过程、机械运动过程等)本身产生或诱导的有害物的排风罩。典型的如下图所示。



图4-接受罩示意图



通过前面的介绍我们应该能够看出焊烟净化器的集风罩应该介于外部排风罩和接受罩之间。焊烟净化器的集气罩布置在上方或者侧面,因而从结构上看属于外部排风罩;与此同时焊接时焊点的温度高达几千度,这就会使得焊点附近的空气带着焊烟颗粒向四周扩散,因而又具有部分接受罩的特性。

排风罩的设计中有一个重要的概念就是控制风速,所谓控制风速指的是将控制点处或者控制面处的有害物有效捕集所需要的最小风速。AQ/T4274-2016《局部排放设置控制风速检测与评估技术规范》中对于控制风速有相应的要求,具体见下表。(注:不同的设计手册中对于控制风速的要求存在一定差异)



表1-不同类型排风罩的控制风速

为了了解控制风速的状况,我们对视频中的移动式焊烟净化器的排风罩进行了CFD模拟。管道直径160mm,罩口直径400mm,风量1800m3/h。为了减少边界对于流场的影响,我们取了一个相对较大的空间将排风罩和管道布置的大空间的中心。整体模型如下图所示:





图5-焊烟净化器排风罩的模型

我们采用动图来展示不同流速所覆盖的区域。即不同速度下所能达到的最远区域。





图6-焊烟净化器排风罩不同风速覆盖区域

从图中可以看到距离集风罩口越近速度越高,但是包含的区域小;离集风罩口越远速度越来越低,但是覆盖的区域相应的增大了。

通过上面的分析,我们应该不难看出,视频中焊烟净化器不能有效收集最主要的原因是控制点/面处的控制风速太低了。那么如何提高控制风速呢?最有效的办法就是让控制点或者控制面尽可能的靠近排风罩,但是对于机械加工类的车间来说,工位和工件都不固定,要让排风罩时时刻刻靠近控制点/面并不容易做到。

这时也许我们会想到采用增大风量的来解决这个问题,那让我们来看看效果吧。我们分别把风量增加1.5倍和2倍来看看效果。



图7-风量提高到1.5倍比较图





上面2张图中我们分别将控制风速定为0.5m/s,然后观察速度大于0.5m/s以上所覆盖的区域。可以看到,增大风量后同样的控制风速下所覆盖的区域有所增加。但当风量增加一倍后,0.5m/s的等速面距离罩口的距离增加地非常有限,而风机的功率要增加一倍左右,因而从性价比的角度看,增加风量的方案并不可取。

其实从理论的角度就也可以定性地解释为什么增加风量不可取。在各种通风设计手册中均把通风罩当成一个点汇(所有风最终汇集到这个点),因而可以得出等速面是个球体,速度与距离的平方成反比。因而距离略微增大,速度就下降很多。把通风罩当成点汇可以定性的分析速度和距离的关系,但是实际上由于集风罩都有一定的尺寸,因此等速面更接近与椭圆形,且控制距离处于椭圆的短边上,所以距离对于速度的影响就更加敏感了。因而说增加风量绝对是不可取的。

排风罩接近控制点/面有难度,增加风量又不可取,那到底该怎么解决这个问题呢?其实还得从排风罩的外形设计上去考虑。

前面我们讲过排风罩分为密闭罩、排风柜、外部排风罩和接受罩。上面我们模拟了外部排风罩的流场情况,下面我也模拟一下排风柜和密封罩的流场。

排风柜的模型如下图所示,三面封闭,一面开口。风量仅取450m3/h,为原焊烟净化器风量的1/4。为了减少边界对排风柜周围的影响,我们同样取了一个相对较大的空间作为整体模拟的边界。



图9-排风柜的模型

为了比较,我们同样取速度0.5m/s为控制风速,观察一下都能覆盖哪些区域。



图10-排风柜中的流场

很明显尽管风量只有外部罩的1/4,但是在同样的控制风速下,排放柜中覆盖的区域更多。

接下来我们再看看密闭罩。密闭罩的模型如下图所示,由于是一个相对密闭的空间,因此为方便起见,我们只模拟了密封罩内部空间的流场。



图11-密封罩的模型

同排风柜一样,我们取风量为450m3/h,来展示一下控制风速分别为0.5m/s覆盖区域。



图12-密闭罩中的流场

很显然在密闭罩中几乎所有的区域速度都超过0.5m/s,在同等的控制风速下覆盖的区域是最广的。

以上的不同集气罩的模拟为我们指明了方向。为了提高收集效率,还是需要在罩子的外形上做优化。

上面的模拟仅仅模拟了由净化系统抽吸作用引起的流动,而完整的流场模拟需要考虑三个方面,1)抽吸引起的流动;2)焊接时焊点局部高温引起空气流动;3)焊烟颗粒在整个流场中的运动。限于篇幅本文就到此为止。之后的文章我们会做一个完整的模拟来展示移动式焊烟净化器的流场。
 
 
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