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摘要：文章通过对大型船舶涂装车间中挥发性有机化合物(VOCs)排放的数值模拟分析，旨在评估并优化不同VOCs治理技术的绩效。文章详细阐述了船舶涂装过程中VOCs排放的特性，构建了相应的物理模型并采用了科学计算方法，此外，实施了精确的网格划分，设定了严格的边界条件，并计算了气流场与VOCs浓度场，以模拟VOCs在车间内的扩散与迁移规律。文章还对吸附塔与燃烧装置的联合治理效果进行了评价，发现采用吸附—燃烧—生物滤池的综合处理工艺能够将VOCs浓度降低90%以上。通过对操作参数的细致调整，优化治理方案满足了国家对VOCs排放的标准限制要求。
关键词：船舶涂装；VOCs排放；数值模拟
0引言
船舶作为关键的水上运输工具，其表面涂装不仅起到防腐蚀和标识的作用，也是维持其结构完整性的必要措施。然而，此过程伴随着大量挥发性有机物(VOCs)的生成和排放，包括但不限于苯、甲苯、二甲苯等化合物。这些物质因其潜在的毒性和致癌性对作业人员的健康及周边环境的空气质量构成了严重威胁。随着环境保护意识的加深，船舶涂装过程中VOCs的有效管理和控制受到了越来越多的关注。尽管VOCs的治理技术已逐渐成熟，但针对大型船舶涂装这一具体应用场景的治理方案优化研究仍有提升空间。面对大型船舶涂装车间的特定条件，如何选择合适的VOCs治理技术并进行优化，以实现更高效的控制效果成为一个待解决的重要课题。
1船舶涂装车间VOCs废气处理
1.1船舶涂装有机废气排放特点
船舶涂装过程中使用的涂料包含大量有机溶剂，这些有机溶剂在涂装过程中挥发形成挥发性有机化合物(VOCs)。船舶涂装使用的涂料种类繁多，主要包括底漆、中间漆、面漆等，这些涂料均含有不同种类的作为溶剂和稀释剂的有机溶剂。底漆常用的溶剂有甲苯、二甲苯、乙酯等；中间漆含有乙酸乙酯、乙酸丁酯等溶剂；面漆含有芳香烃类溶剂。大型船舶涂装面积大，生产及维护过程中每次涂装会消耗数吨乃至数十吨涂料，因此产生大量的VOCs废气排放。有研究表明，船舶涂装过程中VOCs排放浓度可达300～600 mg/m3。
船舶涂装过程中的VOCs含有苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。复杂的VOCs种类组成导致治理难度较大。此外，船舶涂装前的表面处理、涂装过程中的多层涂装、涂装后的干燥固化过程都会产生VOCs排放，导致VOCs排放时段长、浓度变化复杂。
1.2 VOCs废气处理技术
(1)沸石转轮结合催化燃烧是一条领先的VOCs污染控制技术路径。在此技术流程中，沸石转轮被首先用于VOCs废气的预处理环节。作为一种环境友好的吸附介质，沸石转轮因其独特的孔隙结构和广阔的比表面积，为物理吸附提供了众多有效位点。同时该转轮设计为旋转式机制，能够实现VOCs废气的循环吸附，有效去除废气中的大量VOCs。吸附饱和后的沸石转轮通过脱附过程释放VOCs后，废气被引入催化燃烧单元。该单元采用贵金属催化剂，能在较低温度条件下发生VOCs的氧化反应，将其分解为二氧化碳和水，有效避免了二次污染的产生。催化燃烧过程中的反应条件温和，不会导致氮氧化物等副产物的生成[1]。
这一技术路线综合了沸石转轮的选择性吸附能力与催化燃烧的高效氧化分解能力，展现了高效的整体处理性能，适应多种VOCs的处理需求，成为船舶涂装过程中VOCs污染控制的优选技术方案之一。
(2)吸附法是最常用的VOCs治理技术之一。其工作原理为当VOCs废气通过填充吸附剂的吸附塔时，VOCs分子与吸附剂表面发生物理吸附或化学吸附作用而被捕集，具体工艺流程如图1所示。活性炭是目前应用最广泛的吸附剂，其具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，可以提供充足的物理吸附位点。活化后的活性炭表面存在丰富的官能团，可与VOCs分子发生化学作用，形成稳定化合物。活性炭吸附适用于低浓度VOCs废气治理。
(3)生物法是利用微生物的代谢作用来降解和消耗VOCs。常用的生物法包括生物滤器和生物洗涤法：生物滤器是将VOCs废气通过载有微生物的固定化床层，将VOCs作为碳源和能源代谢降解；生物洗涤法是采用微生物悬浮液，使VOCs溶解并与微生物直接接触反应，常用的微生物包括菌属、真菌等。生物法可处理多种VOCs，但反应速率较慢，一般与其他方法配合使用。
(4)VOCs回收技术针对VOCs种类单一、浓度较高的废气，可通过低温冷凝、膜分离等方式进行VOCs的回收。冷凝法是利用VOCs凝点较低的特点使其冷凝成液体回收；膜分离是使用不同的膜材质根据VOCs的规律进行选择性分离。采用VOCs回收技术可以降低VOCs排放量，同时获得VOCs资源利用的经济效益。
2数值模拟方法
2.1物理模型
为了科学评估大型船舶涂装车间内VOCs废气的流动特性及治理系统性能，本文构建了一个融合空气动力学考量的VOCs传播物理模型，旨在探究治理效果的关键影响因素。鉴于车间内部存在复杂的气流动态，本文应用稳定状态下可压缩流体的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程组，以精确描述车间气流的运动学行为。此方法能有效重现通风诱导的空气动力学场景，进而模拟涂装过程中气流的运动情况。对VOCs的排放模拟，采用随时间变化的质量源项表征，以此精确分析涂装作业中VOCs挥发性的时变特征。该方法为深入了解涂装车间内VOCs排放的流动规律和治理策略的有效性提供了科学依据。此外，结合湍流扩散理论，建立VOCs在车间内流场中的扩散传输模型，以描绘VOCs在空气中的迁移和稀释过程；对车间内设置的VOCs处理装置，如吸附塔等，则建立装置内的VOCs传质方程，以考虑VOCs在处理装置内的传递与降解规律。通过对整个涂装间内的气流运动学、VOCs挥发和VOCs传质传输的综合物理模型的建立，对车间内VOCs从挥发源到外排的全过程浓度分布进行模拟[2]。
2.2网格划分和边界条件设置
为了建立船舶涂装车间VOCs传输物理模型，首先采用非结构化网格划分方法，以确保在模拟中能够精确描述VOCs浓度梯度。特别是在涂装区和装置区进行了密集网格划分，但注意将总网格数控制在50万个以下，在确保计算效率的同时不牺牲模型的精度。在涂装区顶部设置质量流入边界条件，以模拟VOCs的挥发源，设置依赖于多个因素，例如涂装面积、涂层厚度、涂料含溶剂量等参数，以计算挥发源的强度。在模拟VOCs排放过程中，出口的边界条件被设定为压力出口，根据车间的通风参数确定出口压力，旨在准确反映VOCs的排放动态。针对吸附塔等装置内壁，本文采纳粒子偏振边界条件，并通过结合装置内VOCs传质过程方程，有效模拟了VOCs的降解过程，确保了处理装置对VOCs的处理效果。对车间墙壁，设置无滑移边界条件，保障在模拟过程中流体接触车间墙壁时的物理行为与实际相符。而地面边界条件则利用夹流模型刻画底部边界层的流动特征，从而得到对地面附近气流特性的精确描述。各个边界条件具体设置如表1所示。通过引入对称面，本文成功降低了计算域的复杂度和所需的网格数量，并显著提高了数值模拟的计算效率[3]。
3流场数值仿真计算结果
3.1车间气流速度场分布
计算获得涂装车间内部的三维空气速度分布场φ,运动学方程采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程得到：
∂φ/∂t+φ·Δφ=−ΔP+Δ·(μΔφ)+F(1)式中：∂φ/∂t为时间导数项，表示速度场随时间的变化率；φ·Δφ为非线性惯性项；−ΔP为压力梯度项；Δ·(μΔφ)为黏性项；μ为动力黏性系数；F为体力源项。涂装区的上方区域气流速度较大，可达1.5 m/s，呈较为均匀的下行推风状态，这种气流状态有利于VOCs的快速排出。车间的下方区域和远离涂装区的区域气流速度较小，形成旋转形的漩涡流动。速度场模拟结果显示，车间角落区域存在气流死区，导致VOCs积聚。气流速度场分布图如图2所示。通过模拟对比不同通风布置方案得出，涂装区上方新风速度为1.2 m/s、携带VOCs向下顺畅排出的最佳通风方案。计算结果有助于分析车间内部的气流规律，为后续的VOCs浓度场分析提供了流场参考，对优化涂装车间通风设计、提高VOCs排放效率具有重要意义[4]。
3.2车间气流压力场分布
在求解包括速度场φ和压力场P的约束流体动力学方程的基础上，获得了涂装车间内部的气流压力场分布结果，在涂装区的上方区域呈现负压分布，约为-5 Pa，这与设置的向下送风模式相匹配。而远离涂装区的区域则出现微正压，大约为1～2 Pa，呈现由涂装区向外的压力传导梯度。通过模拟研究，压力梯度较大的区域如墙壁附近，会引发二次流动，不利于VOCs收集。不同的送风方式会导致压力分布发生变化，增加送风量可以加大压力梯度，但也会引起压力震荡。通过多次计算，确定了涂装区上部新风速度为1.2 m/s、对应的压力梯度为8 Pa/m时，既保证了排风稳定，也不会出现明显的二次流动，被认为是最佳的压力场分布方案。压力场模拟结果为全面分析车间内气流提供了重要依据，同时也为后续VOCs浓度传输分析提供了必要的压力场边界条件，有助于优化涂装车间的通风设计，确保VOCs有效排出，提高环境安全性和治理效果。
3.3车间VOCs体积分数分布
在获得车间内气流动力场后，进行VOCs浓度场的数值模拟。在涂装区的上方，VOCs的体积分数较高，可达0.030 0%，与涂装排放源的强度相匹配。涂装区正上方以及下方2 m范围内，通过模拟计算得到的VOCs体积分数也较高，约为0.025 0%，左右，呈现出排放源辐射扩散模式。在距离挥发源2 m以外的区域，VOCs的体积分数迅速下降，降至约0.001 5%左右，符合对流-扩散方程的理论解。而在车间顶部出口处，VOCs的体积分数可控制在0.000 5%以内，达到了排放标准要求。通过模拟研究，找到一种控制排放源强度的方法，适当增加换气量后使得VOCs的体积分数在车间各区域均匀降低。
4 VOCs处理效果评估
4.1 VOCs浓度削减效果分析
根据废气治理系统的实际运行效果，通过沸石转轮吸附后，VOCs浓度从120 mg/m3降至*2 mg/m3。再经过催化燃烧装置，废气VOCs浓度进一步下降至8 mg/m3左右。车间出口处设置的生物洗涤塔也展现出显著效果，经过生物降解，VOCs浓度从8 mg/m3下降至最终排放的2 mg/m3，具体浓度情况如表2所示。
综合使用吸附、燃烧、生物处理等技术，可使车间内VOCs浓度降低90%以上。通过模拟评估不同处置设备的协同作用效果，为VOCs治理系统的优化提供了重要理论依据，这种综合治理方法不仅可以显著减少VOCs排放，还能高效实现环保目标。
4.2废气排放合规性评价
依据江苏省对工业源VOCs排放的标准规定，大型船舶涂装车间的VOCs排放浓度需控制在50 mg/m3以下。经过数值模拟与计算，优化后的方案实现了排放口处VOCs浓度降至2.0 mg/m3，浓度约0.8 mg/m3，从而确保了满足上述排放标准。基于数值模拟结果，优化策略包括控制涂装过程中的排放强度和确保车间具有恒定的换气率。通过沸石转轮吸附技术结合催化燃烧工艺的综合应用，确保车间VOCs排放长期稳定达到排放标准。此外，在涂装产能增加的情况下，通过相应增加吸附塔数量也能保持排放的合规性。本文通过对不同治理方案的合规性进行定量评估，为大型船舶涂装车间VOCs的有效管理与控制提供了科学依据。
5结语
在船舶涂装过程中生成的VOCs废气对环境及公共健康构成了显著风险，迫切需要实施有效的治理措施以降低其影响。吸附技术、燃烧处理和生物处理等方法各自拥有独特的优势，根据特定需求可被灵活选用以构成最优的处理工艺。对大规模的涂装车间，推荐采用吸附—燃烧—生物法的综合处理流程，这种方法能够实现VOCs浓度降低90%以上。此外，通过数值模拟对车间内气流场进行优化，确定了在涂装区域上方设置1.2 m/s新风速度的最佳通风策略，对促进VOCs的有效传输和排放至关重要。数值模拟研究不仅确定了船舶涂装车间VOCs治理的最佳方案和相关参数，而且验证了所选治理策略的实施效果，确保了船舶涂装车间VOCs排放的有效管理及其合规性。
参考文献：
[1]华承贺,谭效时,关攀博,等.船舶行业动力性有机物(VOCs)产生及治理技术研究[J].应用化工,2023,52(5):1565-1568,15*5.
[2]费波,张钢锋,卜梦雅,等.多孔活性炭与沸石分子筛对涂装VOCs损耗的吸脱附性能对比[J].环境工程,2023,41(3):90-96.
[3]代可,李保亮,陈一.汽车涂装车间VOCs治理形势与技术运用[J].电镀与涂饰,2019,38(22):1236-1241.
[4]史天哲,羌宁,刘涛,等.活性炭变温脱附高浓度VOCs的工艺参数优化与评价[J].环境工程学报,2023,1*(*):2233-2242.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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大型船舶涂装车间VOCs排放控制数值模拟论文
人参与 2024-09-26 10:38:02 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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