催化剂挤条机吹吸式通风设计方案比选研究

赵 盛

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

催化剂原辅材料经过一系列加工工序后形成加氢催化剂成品，其中挤条机出料口位置氨浓度超标严重、工人定点作业时间长，严重损害了作业人员职业健康[1]。本文通过分析、对比6种吹吸式通风系统理论计算方法，结合现场实际生产工艺条件，筛选出最为经济、合理的吹吸式通风结构模型，并采用计算流体力学软件Fluent进行数值模拟结果[2]，为后续的毒物工程治理试验验证提供了参考。

1 催化剂挤条机氨污染危害分析

1.1 氨来源与分布

催化剂原辅材料(铝石、干胶粉、硝酸、氟化铵等)经过混合、碾压、挤条、焙烧、活化等加工工序后形成加氢催化剂成品，包装外运。氨主要存在于挤条机、焙烧炉、尾气吸收塔等处，其中焙烧炉、尾气吸收塔为密闭设备，氨不易挥发；而挤条机出料口为敞口设备，氨浓度超标，且工人定点操作，接触时间较长，危害最为严重。

1.2 作业人员氨接触水平分析

催化剂挤条机操作岗位氨接触水平时间加权平均浓度为24.8～29.6 mg/m3，短时间接触浓度30.7～42.1 mg/m3，结果判定为超标。超标原因为挤条机出料口为人工定点手动作业，作业时间长且无有效通风排毒设施。

2 氨污染通风系统设计的可行性分析

2.1 上部吸气罩系统

上部吸气罩系统吸入的气体不仅包括上升的污染气体，同时还包括被污染气流上升带动的卷吸空气，针对污染散发面较大而设计的捕集系统，排风量大，经济性差。通过四周加装挡板可使捕集效果大幅度提升[3]，但本项目作业人员需在挤条机出料口处定点作业，一方面，罩口面与污染散发面高度差大，氨捕集效果差，能耗高；另一方面，氨的捕集路线通过作业人员呼吸带，作业人员氨接触水平未降低，达不到改善作业环境目的。

2.2 全面排风系统

全面通风系统是依靠送风系统提供风压，将新鲜空气或达到卫生标准的空气送入建筑物内，对建筑物内的污染物进行稀释，达到卫生限值标准后，净化外排。本工程所在车间为高大厂房，采用管道排风、门窗自然补风的方式，车间内气流组织无法保证有效合理，易造成整个车间空气污染。

2.3 吹吸式通风系统

吹吸式通风系统中，吹出气流与吸入气流联合作用，形成一层气幕，对污染气体进行控制与输送，与其他通风系统相比，具有节省风量、捕集效率高、气流组织稳定、不影响工艺操作的优点。

本工程选取吹吸式通风系统对催化剂挤条机处氨污染进行控制。

3 吹吸式通风设计参数比选

吹吸式通风相对于其他局部通风方式，其设备形式与工艺参数的优化设计更为复杂。虽然吹吸式通风具有工作稳定可靠、不影响工艺操作和排风量小等优点，但由于吹、吸气流的流动特性非常复杂，尚缺乏统一精确的计算方法[4，5]。

目前主要的计算方法包括射流末端速度法[6]、临界断面法[7]、美国ACGIH确定系数法[8]、孙一坚法[9]、流量比法[4]、新流量比法[10]等。

3.1 单侧吹吸式通风系统物理模型及通风计算结果

本工程以催化剂挤条机出料口为实例，建立简化物理模型，如图1所示。

图1 催化剂挤条机出料口吹吸式通风二维模型

对模型做出以下假设：

a)吹、吸风口断面均设为条缝型风口。

b)两台挤条机出料口同处一个水平面，即污染源散发面散发均匀。

c)氨污染气体满足不可压缩、物性常数等特点。

d)吹风口断面各点出流速度设为相等，且气流温度与车间内周围空气相等。

e)忽略挤条机周围空气流动的干扰。

经实测，挤条机出料口处氨逸散速度为0.45 m/s，蒸气温度为40℃，污染气体释放量为5 670 m3/h。

3.2 各计算方法分析

从吹吸气流相互作用角度将上述计算方法分为三大类进行分析：

a)第一类为单一考虑吹气气流，以速度控制法为代表。吹气口宽大的高速射流可形成较厚的覆盖层，不仅把污染气体排走，而且把相当厚度的空气排走，致使排风量过大，导致运行费用增大，造成浪费。

b)第二类为将吹吸气流分开考虑，包括临界断面法、美国ACGIH确定系数法和孙一坚法。吹风口和吸风口气流流场简单迭加，未进行气流流场优化，且未考虑到污染气体侧流动量，不能完全有效控制污染气体。

c)第三类为将吹吸气流联合起来考虑，包括流量比法和新流量比法。总结出卷吸空气量、侧流流量和吹风量三者之间的比值，获得最佳吹吸气流控制效果。其中流量比法为根据实验结果整理出的有关公式，实际工程应用中必须满足与实验相同的结构与尺寸条件，应用范围受到较大局限。而新流量比法考虑了相关参数修正，适合工程实际应用。

采用上述几种计算方法计算出的结果见表1。

表1 催化剂挤条机出料口氨治理计算结果

经过以上比选，确定新流量比法为氨污染工程治理的适用方法。

3.3 氨治理吹吸式通风数值模拟

对新流量比法吹吸式通风进行数值模拟，结果见图2。由Fluent模拟图结果可得，吹吸气流包裹较好，有效地控制了污染气体向环境中逸散。

图2 催化剂挤条机氨治理吹吸式通风数值模拟

4 结语

通过对目前主流吹吸式通风计算方法的分析比较，确定新流量比法适用毒物工程治理，同时，从运行成本和经济角度出发，有必要针对模拟计算结果进一步优化，找到临界工况，为后续的试验验证提供基础数据。