工业通风除尘系统排放源微细颗粒物扩散模型的研究--稳定连续排放源颗粒物上升高度的计算

1 前言
　　
　　作为改善建筑环境的重要因素--建筑环境空气品质（Building Environment Air Quality）愈来愈引起人们的重视，如何提供高质量的洁净空气已成为21世纪人类生命的重要课题。炉窑、生产设备或生产过程气体（烟气）排放物的污染、工具排放物及对道路扬尘作用的污染、建筑施工环境污染、荒漠化引起的沙尘暴对环境污染等，都对工业与民用建筑环境供给空气质量带来了新的问题。其中，微细颗料物PM（Particle Matter）污染是空气质量控制技术研究的首要问题。
　　在大气环境质量标准（GB 3095）、居住区大气中可吸入颗粒卫生标准（GB 11667）、各类公共场所卫生标准（BG 9663～9673）、室内空气中可吸入颗粒物卫生标准（GB 17095）都明确提出了PM₁₀（能穿过咽喉进入胸部呼吸道的可吸入颗粒物，上限粒径30μm，质量中位径D₅₀为10±1μm，几何标准偏差σ=1.5±0.1的颗粒物）的控制指标（范围0.15～0.25mg/m³），采暖通风与空气调节设计规范（GBJ 19）修订也将提出要求室内PM₁₀的允许浓度≤0.15mg/m³。近年来国外加大了对呼吸性颗粒物RP（Respire Particles）微粒PM_2.5（上限粒径7μm，D₅₀为2.5μm的颗粒物）的研究力度，反映出微粒或尤其是PM_2.5为代表的颗粒物对人体危害最大^[1]。
　　工业通风除尘是工厂暖通空调设计的重要内容，目前采用以颗粒物排放总量制定的排放标准评价尘源控制水平。尽管工业通风除尘系统排放达到国家标准，但是排放的颗粒物几乎都是微细颗粒，它们长期悬浮在空气中，尤其是在静风条件下产生浓度积聚导致区域环境浓度超标。因此研究工业通风除尘系统排放源扩散，对建筑规划、建筑环境空气质量控制技术十分重要。
　　由于颗粒物与有害气体污染介质不同，从排气立筒中排放出来在大气中扩散规律具有特殊性，本文重点研究稳定连续排源颗粒物上升高度的计算。
　　
2 排气抬升高度计算的简要回顾
　　
　　工业污染源排放立管气体抬升高度H与排气立管的几何高度H_S之和即为污染源的有效源高H_y，即H_y = H_S + H。气体抬升高度H是计算地面最大污染物浓度非常重要的参数。
　　产生气体抬升高度的原因有两个：一是排气立管出口处的烟气所具有的初始动力；二是由于排气温度高于周围空气温度而产生的浮力。影响这两种作用的因素归结起来可分为排放因素和气象因素两类。排放因素有排气立管出口的排气速度V_S和排气温度T_S，以及排气立管出口的内径d。气象因素有平均风速 ，环境空气温度T_a，风速垂直梯度d /dz及大气稳定度等。目前还没有一种排气抬升公式考虑了所有这些因素，即使有这样的理论公式，全部参数也不容易测得到，使其无法应用。大多数烟气抬升公式是半经验的，是在各自有限的观测资料基础上归纳出来的，所以往往局限性很大。对同一种情况，用不同的烟气抬升公式计算，可能得到相差几倍的结果^[2]。
　　提交的计算公式是将气相和固相作为混合体烟气进行计算，未考虑颗粒体运行的迟滞性。这对于颗粒体计算存在误差。所查中关于对排气中的颗粒物上升高度的计算方法比较少，而颗粒物的上升高度对分析颗粒物扩散落地浓度分布是一个很关键的参数。因此，有必要研究颗粒物从排气立管排出后继续上升高的计算方法。
　　
3 颗粒物上升高度计算模型
　　
　　本文采用气体淹没射流的方法计算排气立管出口气相流场，在此基础上建立颗粒体运动场分布，并确定颗粒体的最大上升高度。
　　本文采用圆断面孔口气体紊流射流流速的计算公式^[3]，计算气相射流起始段和主体段。排气立管排放出的气体的温度与周围环境大气的温度不同，采用温差射流计算射流的温度场的公式。
　　不考虑水平方向风速的影响和不同直径颗粒物间相互影响，列出不同颗粒物在气流中运动方程为
　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
　　式中 ，阻力系数C_D为
　　　　
　　其中雷诺数
　　代入式（1）有：
　　　　 　　　　　　　　　　　　（2）
　　500>Re_p>1
　　　　 　　　　　　　　　　　（3）
　　对式（2）进行离散得：
　　　　 　　　　　　　　（4）
　　由于左边项有二次项出现，给求解带来了困难，本文将对此项采取线性处理。即反此项中的u_p用上一点的速度u_p（i , j-1）代替。代入并整理得到
　　　　 　　　　　　　　　　　　（5）
　　对式（3）求解，采用类似式（2）的方法可以得到
　　　　 　　　　（6）
　　对（5）、（6）采用迭代法计算。求解以上两式所用边界条件为：j=1,u_p=(i, j) =u(i, j) =u₀。
　　
4 计算例
　　
　　4．1 计算说明及结果
　　颗粒物真密度2000kg/m³，排气立管的出口内径2m，气体的出口速度15m/s，在等温射流（排气温度T₀与环境温度T_W相等，取20℃）动力粘性系数为μ为18.3×10^-6Pa·s，在温差射流（T₀≠T_W）中气体的μ采用公式计算。计算结果汇总见图1～3，表示颗粒物抬升高度与粒径在不同条件下的关系。图1为射流气体的温度不变（T₀=150℃）时，环境温度的逐渐升高，颗粒物在射流中心的上升高度情况。图2为环境温度不变（T₀=20℃）时，射流气体的温度的逐渐升高，颗粒物在射流中心的上升高度情况。图3为周围环境温度和射流气体的温度均在变化，但其温度差保持不变，颗粒物在射流中心的上升高度情况。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　 　 　 　　图1 射流轴线上颗粒物上升高度与环境温度
　　
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　 　 　　图2 射流轴线颗粒物上升高度与射流气体出口温度
　　
　　4．2 计算结果分析
　　（1）粒径的影响
　　由图可知，不同粒径的颗粒物在随着气体上升到一定高度以后会停止上升，停止上升时的高度对不同粒度的颗粒物有很大的差别。细颗粒（10μm以下）上升的高度基本与气体的上升高度近乎一致；粗颗粒（10μm以上）的上升高度则与其粒紧密相关，随着粒径的增大在高度上呈逐层减小的分布状态。不同粒径的颗粒物的径向分布轮廓与射流断面上气流的速度分布相似，呈抛物球面。