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长酸洗槽吹吸式酸雾捕集优化设计 齐美富 刘亚敏 南昌大学环境科学与工程学院 摘要 吹吸式酸雾捕集经常用于蓄电池和较短的酸洗槽的酸雾捕集方面。 在长酸洗槽 一般长度10 m 上运用吹吸 式捕集酸雾。 在此对目前常用酸洗槽设计方法进行了分析比较, 并对一长酸洗槽 长 14 m 做了设计实例, 经过实践 检验, 证明设计采用方法是恰当的, 各设计参数是合理正确的。 关键词 长酸洗槽 酸雾捕集 吹吸罩 均匀吸风 吹吸式酸雾捕集是指在酸洗槽的一侧通过吹风 机吹风 ,在另一侧通过吸风机吸风, 在酸洗槽上方形 成一层空气幕, 有效地阻止了酸雾的外逸 ,然后通过 风道送往酸雾吸收塔进行集中处理。吹吸式酸雾捕 集经常用在蓄电池的酸雾捕集以及较短的酸洗槽的 酸雾捕集方面 。将这种方法用于长酸洗槽 一般长 度 10 m ,目前还没有报道。其主要原因有以下两 种 第一个原因是对最小适用吹吸风量的准确计算设 计较难 ,计算方法多为一些经验算法, 有较多的条件 限制且很难做到最小的风量获得最优的捕集效果。 第二个原因是由于酸洗槽较长 ,很难保证在槽的两侧 均匀送风吸风, 虽然有一些计算方法, 但是对一些参 数 如阻力系数 的确定描述较少, 较多是一些经验数 值。本设计主要针对以上两个问题 ,提出一些解决方 法。最后通过一实例 长度为 14 m 的酸洗槽的吹吸 罩 的设计及实践检验证明计算方法及所得参数的适 用性 。 1 吹吸风量计算 首先正确确定吹吸风量是整个设计的关键。风 量的大小关系到能量消耗的多少, 还决定着后边吹吸 风口尺寸的计算 。吹吸风量的计算方法很多 [ 5,7] , 一 般有速度控制法 、 ACGIH 方法 、流量比法 。速度控制 法以 B. B. Batypnh 所提计算方法为典型代表, 即把吹 吸气流对有害物的控制能力简单地取决于吹出气流 的速度和作用在吹吸气流上的污染气流 或横向气 流 的速度之比 。只要吸风口前射流末端的平均速度 保持一定数值 通常 ≮ 0. 75～ 1 m s , 就能达到对污染 物的有效控制。这种方法只考虑吹风气流的控制作 用,不考虑吸风气流的作用 ,仅把它看作是一种安全 因素 。ACGIH 方法是美国工业卫生协会 ACGIH 工 业通风委员会提出的一种简单计算方法 。这种方法 与速度控制法相类似但计算较为简单,认为吸气量取 决于槽面面积、横向气流大小等因素, 并给出了经验 范围 ,其计算值较速度控制法大。以上计算方法的不 足主要是①只考虑射流速度的作用 ,没考虑流量的作 用。 ②没有提出吹风量与吸风量最佳组合的问题。 流量比法是日本林太郎 [ 2] 于 60 年代提出的, 之后又 得到不断的完善 。此方法综合考虑了吹气量 、吸气 量、 污染源发生的气体量及周围混入气量之间的关 系,提出了极限流量比的概念, 即在气体不泄露的极 限状态时, 污染气量与周围混入气量之和同吹风量之 比,它与罩的形状尺寸及污染 干扰 气流的大小有 关。目前根据实验所得结果确定了一些极限流量比 的计算式, 但这些计算式是在特定的实验条件下得出 的,有它们的使用条件和范围 。因此流量比法虽然考 虑较全面, 但由于参数的确定很难, 故对实际设计来 说存在一定的局限性 。总之, 各种计算方法都有很多 条件限制, 且与实际情况都有差距, 所以不论采用哪 种方法,其计算结果只能提供借鉴, 作为设计的参考。 近年来 ,随着计算机技术的发展和高性能计算机 的应用,研究合理的气流组织的数值计算方法成为进 行通风控制工程设计的重要方向,目前国际上在室内 热环境计算机模拟技术上的一个重要的研究领域就 是利用 CFD Computational Fluid Dynamics 计算流体 力 技术,求解一组描述物理问题的控制方程式,如连 续、 动量、 能量、等方程式 ,以获得包括流场、 压力场等 各项气体的流动特性 。其优点是能快速获得结果并 作实时修正 ,以降低系统工程错误设计的风险性, 因 此兼具有功能性与经济性的效益。目前有许多商用 软件如 PHOENICS、CFX、FLUENT 、 STAR-CD、 FIDAP 等 42 环 境 工 程 2006年 10 月第 24卷第 5 期 应用于厂房通风控制工程方面 ,但是在酸洗槽酸雾捕 集设计中还很少有应用。对此方面的研究也比较少, Hun t 等 [ 6] 研究了一种轴对称 Aaberg 排风罩的数学模 型,林豹 [ 3] 研究了二维具有 Aaberg 效应的气流特性, 贺素艳等 [ 4] 研究了三维射流屏蔽下的抽吸作用,而对 酸洗槽吹吸罩内吹吸气流 尤其是长酸洗槽 的数值 模拟则没见有报道。因此 ,这方面是以后酸洗槽酸雾 捕集设计发展的方向 ,是解决合理设计吹吸气量的一 个有效途径,具有深入研究的价值 。 2 均匀送风和吸风 保证均匀送风和吸风是通风管道设计的关键 ,关 于均匀通风管道的计算方法有较多种, 基本上可从设 计手册中查到。其中重要的问题是局部阻力系数的 确定 ,局部阻力系数有通路局部阻力系数和侧孔局部 阻力系数, 它们与风量, 风道形状 , 侧孔面积等有关, 手册中的计算方法及参数常为一些经验公式和近似 值,因此有其适用范围和条件 , 常常作为设计参考。 尤其是计算带侧孔的等截面均匀吸风道时,其局部阻 力系数 ξ 并非常数, 取决于 L0 L 和A0 A ,其中 L0、L 分别是侧孔风量和侧孔前面 或下游 风道内的风量, A0、A 分别是侧孔面积和风道截面积。手册中只是给 出了参考值 ,并没给出具体的计算公式, 目前关于 ξ 的准确计算方法也没见有报道, 如何准确描述 ξ 同 L0 L和A0 A 的关系 , 以及如何准确计算 ξ 仍然是一 个难题,急需解决。本文在下面的设计中提出了一个 长酸洗槽的吸风道 ξ 的计算公式 ,经实践检验是正确 的,为此方面的设计提供了一个借鉴和参考。 3 设计实例 所要设计酸雾捕集的酸洗槽长 14 m ,高 1 m, 宽 0. 9 m 如图1 。酸洗槽底部有经水蒸汽加热过的硫 酸,酸液的高度在未放钢材前为 0. 4 m , 放进钢材后 约为 0. 6 m, 由于蒸发的硫酸及硫酸与钢材反应产生 的氢气向上扩散 , 它们一起形成了酸洗槽中的酸雾, 酸雾捕集将采用吹吸式捕集。 图 1 酸洗槽示意图 3. 1 吹吸风量的确定 正确确定吹吸风量是整个设计的关键。本设计 采用了前述多种方法进行计算比较 ,最终确定每个酸 洗槽的总的吹风量为4 875 m 3 h, 每个口子的吹风量 约为4 875 14348 m 3 h ,吹风道的截面积为 B 1H1 为1 000 mm 300 mm , 总的吸风量约为26 250 m 3 h, 每个吸风口的吸风量为26 250 14 1 875 m 3 h, 吸风 道的截面积 A B H 1 000 mm 1 000 mm。 3. 2 吹风口的设计 酸洗槽一侧开有 14 个吹风口, 之间间隔 1 m, 每 个吹风口的高度 h 均为 20 mm ,如图 2所示。 图 2 吹风口示意图 吹风口尺寸可按照参考文献[1] 中所提供的静压 变化的均匀送风道的计算方法计算 ,其中通路局部阻 力系数 ξ tl按下式计算 ξ tlc L0 L 2 式中 c 为关系系数 ,手册中 c 值取 0. 35, 对 L0 L 为 0. 2～ 1. 0 是较适用的, 但当 L0 L 为 0. 0 ～ 0. 1 时误差 较大, 因此对长酸洗槽 长度 10 m 进行设计时 , c 值必须修正 ,就本设计 , 对于第一 、二、三侧孔前管段 的 c 值取 3. 5,其余的取 0. 35 。对于侧孔局部阻力系 数 ξ0取值为 2. 06, 各侧孔的 ξ0可视为是相同的。各 吹风口尺寸计算结果见表 1。 3. 3 吸风口设计 酸洗槽另一侧开有 14 个吸风口, 每个吸风口的 高度均为 200 mm,如图 3所示。 图 3 吸风口示意图 同样 ,吸风口尺寸的计算可按参考文献[1] 中所 提供的矩形等截面带侧孔的均匀吸风风道设计与计 算方法计算 。其中第一管段的局部阻力系数 ξ1取值 61. 7,其余各管段局部阻力系数 ξ n采用下式计算 ξ nc Qn Qs A n A m n ≤14 ∈ N 式中 c 、m 常数; Qn 每个吸风口的吸风量 ; Qs 它前面吸风口的总的吸风量; 43 环 境 工 程 2006年 10 月第 24卷第 5 期 An 吸风口的截面积 ; A 吸风道的截面积 。 本设计采用 c 10 565,m 2。通过计算所得的 ξ n值分别列于表2。各吸风侧孔的计算尺寸见表 1。 表 1 各侧口尺寸值 序列号 吹风孔尺寸 b h mmmm 吸风孔尺寸 b h mmmm 120756200382 220747200380 320739200378 420733200377 520727200375 620722200373 720718200370 820713200364 920709200359 1020706200340 1120704200315 1220701200297 1320697200277 1420695200228 表 2 吸风道各管段阻力系数值 ξ n 1234567891011121314 61. 715. 266. 713. 752. 381. 631. 180. 870. 670. 490. 350. 250. 190. 11 4 讨论 本设计以几种常用吹吸罩风量计算方法进行了 分析比较, 它们有一个共同的不足, 就是有许多条件 限制, 而且随着技术的进步 ,这些方法与实际要求有 一定的距离,只能作为设计参考和借鉴 。文中认为利 用CFD技术对其进行数值模拟并编制软件是一个很 好的解决方法。 文中提出的吸风道局部阻力系数计算公式是经 实验拟合的经验公式, 对长酸洗槽 长度 10 m 适 用,并经实际设计项目检验是正确的。 此设计项目现在已经运行了近半年 ,运行十分稳 定,酸洗槽内没有酸雾逸出。通过对运行中的装置进 行了现场检测, 结果表明 ,各吸风口吸风量基本一致, 标准方差为 0. 05, 达到了均匀吸风的目的 。同时将 吹吸流场中速度最小的地方作为速度控制点 ,发现当 轴心速度 4 m s 时 设计装置的吹吸气流轴心速度 为4. 42 m s , 吹吸气流很不稳定 ,很容易被下面的酸 雾冲散 ,造成酸雾外逸 , 同时吹吸气流的卷吸作用大 大减弱 ,对酸雾的捕集效率大打折扣, 说明这个工业 装置的设计是基本成功的 ,这个速度既可以保证酸雾 的捕集效率 ,同时又不至于速度太大而消耗大量的动 力,基本达到了用最小的动力获得最高捕集酸雾效率 的目的。实践证明, 设计采用的公式及计算方法是适 用的 。 参考文献 [ 1] 陆耀庆. 供暖通风设计手册. 北京 中国建筑工业出版社, 1987. 728. 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Keywords anaerobic -aerobic biological filter AABF, municipal wastewater and bio -film USINGCORRUGATEDUNDERFLOWWETLANDTOTREATLOWCONCENTRATION DOMESTIC WASTEWATERZeng Xiangying Zhang Beiping Sun Gaosheng 26 Abstract It was studied the removal effect of organisms, N and P in domestic wastewater by a corrugated underflow wetland subjected to different hydraulic loadings. The low, medium and high hydraulic loadings were 0. 2 m3 m2d, 0. 4 m3 m2d and 0. 8 m3 m2d respectively. The results showed that hydraulic loading had a certain effect on the removal rate of CODCrand TP, i. e. the removal rate was decreased with increase in hydraulic loading; it almost had no effect on the removal rate of NH3-N and TN. Keywords corrugated underflow wetland, domestic sewage and hydraulic loading THE FEASIBILITY STUDY OFELECTRO-COAGULATION FOR PRETREATING LEACHATEYang Jidong ZhaoYongsheng Zhao Xiaobo 29 Abstract A study of pretreatment of leachate by electro -coagulation was carried out. Using Fe anode and stainless steel cathode, electrode spacing was 1. 5 cm, current intensity was 50 mA cm2and electrolytic time was 90minutes without adding electrolyte. The removal rates of CODCrand NH 4reached 57. 6 and 40. 1 respectively, the BOD5 CODCrratio was improved from 0. 15 to 0. 32. So this reached a good pretreatment effect. Keywords leachate, pretreat, eletro -coagulation and biochemical degradability TREATMENT OF DOMESTIC WASTEWATER REUSE AND CLEANING OF MEMBRANT BY SMBRDong Lijing Xu Gaotian Tang Fanmin 31 Abstract CASS cyclic activated sludge systemprocess and membrane filtration were combined to be a SMBR submerged membrane bioreactor. The study was onfeasibility of this SMBR usedinreclamation of domesticwastewater. The fitting operation conditionwasdetermined as HRT4 h, dissolved oxygen DOabout 4 mg L, temperature was controlled at 23～ 27 ℃, pH6. 5～ 8. 0. Under the conditions, disposal impacts to actual domestic wastewater were studied. At the same time, the of the membrane cleaning was also studied. Keywords SMBR, ultrafiltration membrane and cleaning of membrane ANALYSIS OF PARAMETER OF PLASMA DESULFURIZING TECHNOLOGY Yi Chengwu Lu Congxiang Xu Wei et al 34 Abstract SO2is removed from the simulated gas streams using non -thermal plasma which can be ed by the strong ionization discharge of dielectric barrier. The influence of these factors on desulfurization rate was analyzed. The multiple linear regression model was founded and the significance level of these influence variableswas analyzed by the of simple regression orthogonal design, the quantitative rule of experiment target and single variable is concluded. it was also found out the condition association of the optimum experiment conditions by optimization of the model. Keywords non -thermal plasma, dielectric barrier discharge, simple regression orthogonal design and desulfurization DEDUSTING RE OF SINTERING MACHINE FOR CHUXIONG DESHENG IRON AND STEEL COMPANYYang Lifang Zhang Zhiling Xu Xiaojun 38 Abstract It is introduced some technical and design problems of three -electrodes electrostatic dust catchers, which have been used in the dust -removing of the end of 19 . 6 m2sintering machine used for Chuxiong Desheng Iron andSteel Company. By analysis and summarization of use effect, it is indicated that in the case of designing parameter is suitable, the effect of dust-removing of sintering smoke is better. These potential problems of experiences and operation also provide a reference for some plants that will design sintering machines. Keywords sintering, dust -removing, treatment of flue gas, electrostatic dust catcher, sintering flue gas, re of purifying systems, electrostatic dust catcher of three -electrode and running analysis OPTIMIZATION DESIGN OF COLLECTION OF ACID MIST FOR LONG PICKLING TANK Qi Meifu Liu Yamin 42 Abstract Blowing and absorbing hood is usually used for collecting acid mist in storage battery and short pickling tanks. The blowing and absorbing hood is used for a long pickling tank, whose length is more than 10 meters. The common design s for pickling tanks were analysed, and a long pickling tank 14 mwas designed. It is proved that the analysis and parameters are correct. Keywords long acid -washed flume, collection of acid mist, blowing absorbing hood and absorb breeze evenly 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 5,Oct. , 2006