（机械设计及理论专业论文）危化品应急处理处置技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 危化品应急处理处置技术研究 摘要 随着煤化工工业的发展，以光气、氯气、氨等为代表的危化品在生产、 储存、运输、销售、使用和废弃处理等环节上能构成重大环境污染事件， 它将对生态环境和居民的生命带来巨大威胁。针对现在常用的消防水枪喷 水稀释、定向引流收集和沙土掩埋等原始、单一处理处置技术的状况，本 课题提出了一种浓度可调的、能实现溶液的连续自动配制和喷洒的、适用 于多种溶质态的溶液配制和对污染源喷洒处理的应急处理处置装置。本课 题是依托于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重大项目子课题“煤化工 产业聚集区环境风险应急处理处置技术研究”( 2 0 0 8 从0 6 a 4 1 5 一z k 4 ) 的其子 课题。 本课题充分考虑了影响应急处理处置技术的关键因素，如不同溶质态 配制溶液的相互转换、不同溶质进料量的控制、连续自动配比和喷洒等， 设计了一套能够适应各种突发性环境污染事件的应急处理处置装置。采用 了机电相结合的设计思想，对装置的机械部分及电控部分进行了详细设计， 阐述了装置的工作原理。 应用有限元法对应急处理处置装置进行了振动特性分析，即是对应急 处理装置液箱框架进行自由状态下的模态分析得出：装置框架的固有频率 及相应振型，经过与发动机激振频率相比较装置框架可能在第八阶模态频 太原理工大学硕士研究生学位论文 率时可能产生共振现象使装置发生破坏；对装置结构优化后再次进行模态 分析，经过对比可知，优化后的装置框架一般不会产生共振；进一步分析 移动平台在发生特殊情况下紧急情况时混合液箱中的液体对箱壁的冲击， 为选择合适的板材提供了依据。 建立应急处理处置装置与移动平台的振动模型，利用a d a m s 仿真分 析软件对装置的减震系统进行模拟，通过分析装置的位移、速度和加速度 的振动功率谱密度、传递函数及频响函数得出装置具有良好的减震系统， 并分析移动平台不同速度下运行时装置的振动情况，从而得出装置振动较 为平缓时移动平台的运行速度。为移动平台的平稳运行提供了依据。 文中对应急处理装置进行了实验室实验，验证了本装置的可行性和使 用的可靠性，为其进一步的深化研究提供了理论和实践依据。 关键词：处理处置，连续配液，模态分析，振动 i i i 通s e 剐r c ho ne m e r g e n c yd i s p o s a l t e c h n o l o g y0 fh a z 6 源d o u sc 衄m i c a l s a b s t r a c t w ! i t h 也ed e v e l o p m e n tb fc o a l c h e 面c a li n d us 瞳y ，s o m ed a n g e r o u s c h e m i c a lp o d u c t sl i k ep h o s g e n e ，c h l o r i n e ，a 皿砌a c a nl e a dt os o m e e x 仃a o r d i n a r i l ys 舐o u se n _ v i r o 砌e n t a lp o l 蛳o ne v e n t sd u r 堍t h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n ， s t or a _ g e ，讹n s p o r t ，s a l e s ，u s ea n dw a s t et r e a t m e n t ， w h i c ha l s o t h r e a t e nt h ee c o l o g i c a l 即v i r o m n e n ta n dp e o p l e s1 i f e m o s ts o 晰o nf o r 也e a c c i d e n t a lr i s ki s ( 1 印e n d i l l gt ot l l ed i l u _ t i o nw i t l l6 r eh o s e s ，d i r e 面o n m 蛐a g e c o l l e 以o no rs a n db u tt h e s ea r eo r i 西n a la n ds i n 甜em e t h o d s i n 皿sp a p a d e v i c et h a tc a n 删u s t 恤c o n c e n t 枷o na n dp r 印a r e a n ds p r a ys o o n s c o 血n u o u s l y ，b e i n ga p p l i e dt o 也ep r 印a r a t i o no fd i 妇j e r e n t s t a t eo fs o l u t ei s d e s i g n e df o rd e a l i n gw i m t h ep o l l u t i o ns o u r c e 他ss t u d yi sd e p e n d i n go nm e n a t i o n a lh i 曲t e c h n 0 1 0 9 yr e s e a r c h 锄dd e v d o p m e n tp r o g r 锄( 8 6 3p r o g 础呦 o fm 句o rp r o j e c ts u b p r o j e c t c o a lc h e m i c a li n d u s t r yg a t h 甜n ge n v i r o 砌e n t a l r i s k e m e r g e n c y 仃e a 饷e n t a n d d i s p o s a l t e c h n 0 1 0 9 y r c s e 踟c h ” ( 2 0 0 8 a a 0 6 a 4 l5 一z k 4 ) 胁d i n g i n 也i sp 印e r ，t h ea = 髓c t i o no fm a j nf a c t o r sl i k e 姗t u a lc o n v e r s i o no f d i 疵r e n tp r e p 删i o ns 0 1 u t i o n ，t h ec o n 廿0 1o fd i 脓e n ts 0 1 u t ef e e d ，c o n t m o u s l y a n da u t o m a t i c a l l yr a t i oa n ds p r a y i n go n 也et e c h n o l o g yo f 锄e 唱e n c yt r e a t m e n t i i i a n dd i s p o s a l i sm l l yc o n s i d e r e d ，a n dad e v i c et h a tc a n b e 印p l i e dt od e a lw i t ht h e a c c i d e n t a l 州r o 】珊e n t a lp o l l u t i o ne v e n t si s d e s i g n e d t h ed e s i 萨m o u g h ti s c o m b i n e dw i me l e 删c a l ，m e c h 砌c a la n dl i q u i d ，s ot h ed e t a j l e d d e s 咖i s c o n d u c t e d 筋mt h e 衄e ep a i t sm e n t i o n e d a b o v e b e s i d e s ，t h ew o 尥n gp m c i p l e a n d 劬c t i o no ft h ed e v i c ea r ei n 仃o d u c e di nt h i sp a p e r 1 1 1 ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed 嘶c ea r ea n a l y z e dw i m f e m ，a sw e h a st h em o d a la n a l y s i so ft h el i q u i ds 撕n gb o x 仔锄eo ft h ed e v i c eu 1 1 d e rt h e s i m a t i o no f 毹es t a t e i tc o n c l u d e st h a ti n h e r e n t 舶q u e n c ya n dm o d es h a p eo f t h eb o x ea r eo b t a i n e da n dt h ec o v i b r a t i o nm a y _ b ef o u n di nm e e i g h t ho r d e r m o d a l 舭q u e n c yb yc o m p 撕n gt oe n 百n ev i b r a t i o n 舭q u e n c yt h a tm a yl e a dt o t h ev e n i c a l ld 锄a g e t h er e - m o d a la n a l y s i si si n l p l 锄e n t e da r e r 叩t i r n j z a t i o no f t h ed 嘶c es 仃u c t u r ea n dt h ec o v i b r a t i o nw i l lb ed i s a p p e 撕n gb yr e a j l a l y z i n g t h es h o c ko ft h el i q u i di nm eb o xt ot h e 觑n ew h e n 仕l es p e e do fm o v a b l e p l a t f o mc h a n g es u d d e n l yu n d e rs o m es p e c i a ls i t u 撕o ni s a j l a l y z e da n dt h e p r i n c i p l ei sp r o v i d e df o ic h o o s i n gt h ep r o p e rb o a r d e m e r g e n c y t r e a 切1 e n ta n dd i s p o s a ld e v i c e sa n dm o b i l ep l a t f o m sv i b m t i o n m o d e lu s i n ga 埴m ss i m u l a t i o na n a l y s i ss o f h a r eo n 也e ( 1 e v i c ed 锄p i n g s y s t e ms i m u l a t i o n ，o b t a i n e d b yt h ev i b r a t i o np o w e r s p e c 删d e n s 时a n 甜y s i so f t h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c 匆a n da c c e l e r a t i o no ft h ed e v i c e ，t h e 缸孤s f e r 向n c t i o n a n d 能q u e n c yr e s p o n s em n c t i o nd e v i c e h a sg o o ds h o c ka b s o r p t i o ns y s t e m ，a n d a n a l y z et h e 访b r a t i o no ft h ed e v i c ew h e nt h em o b i l ep l a t f o mt om na td i 您玳n t s p e e d s ，t o 硎v ea tam o r eg e i m ed e v i c ev i b r a t i o ns p e e do f m o b i l ep l a t f o m s i v p r o v i d e sab a s i sf o rt h es m o o t l lo p e r 撕o no ft h em o b i l ep l a t f o m t h el a b o r a t o 巧e x p 耐m e n t si sc o n d u c t e df o rt h et h ee m e 略e n c y 仃e a ：t m e n t a n dd i s p o s a le q u i p m e n ta n dt h ef e a s i b i l i 够a n dr e l i a b i l i 够a r ep r o v e d ，w h i c h p r o v i d e t h et h e o 巧a j l dp r a c t i c ef or - t h e 舢曲e rs t ：u d y k e yw o r d s ：d i s p o s a lo fe q u i p m e n t ，c o n t i n u o u sm i x e d ，m o d a la n a l y s i s ， v i l ) r a t i o n v 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 二= v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章概述 近年来随着我国工业的迅速发展，重大环境污染事件的频繁发生，给生态环境、人 民健康及社会安全带来了严重影响【1 1 。据国家环境保护部统计，我国每年环境污染和破 坏事故都在1 4 4 0 。2 0 0 0 件之间 2 1 。针对突发性环境污染事故，建立快速高效的应急处理 处置管理体系和发生事故后的抢险反应机制，做好预防、监测、应急处理处置及善后工 作，最大限度的减少事故对生态环境的破坏和保护人民生命财产安全是现今社会的一项 紧迫工作【3 1 。 典型煤化工区域为环境污染和破坏事故的多发地带，该区域的污染物以气态为主， 具有易挥发性，不易引起水体或土壤的重大污染。但在危化品发生泄漏、爆炸和燃烧等 事故时，极易造成大气环境的重大污染，并对煤化工示范区域附近的企业职工、村庄和 学校的众多生命构成危险，也可能对重大设施和财产造成巨大破坏和损失，实例如图 卜l 、图卜2 所示。 嗣拍j 0 。0 翟篝，0 癌谁辩垂蓉：客秘l 锄禧糟 图卜l 氨气泄露事故 图卜2 化工厂爆炸 f i g 1 1a m m o n i al e a kf i g 1 - 2c h e m i c a lp l a n te x p l o s i o n 突发性环境污染事故是指能在很短时间内排放大量的污染性物质，并且能对环境造 成污染和破坏的事故。突发性环境污染事故与普通的环境污染不同，它具有事故发生的 突然性、大危险性、传播迅速快、能产生次生危害及救援困难、影响范围比较难界定和 污染后果不确定性，且对环境的影响难以短时间内完全消除等特点。在处理突发的环境 太原理工大学硕士研究生学位论文 污染事件中，无论政府还是相关的环保部门都面临着巨大的压力和挑战，这反映出应急 监测和处理设备的不足，不能及时有效的反映处理污染；同时存在处理污染物扩散经验 欠缺等问题 4 】。现在根据国内外的污染事故和应急处理的相关状况，能研制出有效针对 我国环境的应急监测及处理设备已成为当前不容滞缓的任务。 应急处理处置技术的发展趋势是研究开发车载式监测与识别、带有无线发射和接收 的现场指挥系统、能够远程控制的原位隔离、封堵、导流技术、自带动力的特征污染物 处理装置和其它一些防扩散技术。典型煤化工区域，缺乏有效的重大环境污染事件应急 处理处置技术和手段。处理处置的一般原则是“收、堵、治相结合”的原则。防止污染 环境事故蔓延的有效办法是对其产生的污染水和其它流体类污染物做好定向截流和收 集，降低环境污染程度最有效的做法是处理好各类污染物。对于产生的大气污染，则通 常采用高压水枪向污染物的蒸汽云喷射水雾，来加速有害气体向安全地带扩散。而通过 雾化水裹住污染粉尘后也形成了污染水，所以应有效疏通污水排放系统。对于一些可燃 物，则现场处理时必须施加惰性气体保护，或释放水蒸气来破坏其燃烧的条件。 本课题的主要研究对象是典型煤化工区域气态污染物引起大气环境重大污染事件 的应急处理装置，是依托于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的典型煤化工产业 聚集区重大环境污染事件应急技术开发与应用示范课题，是其子课题应急处理专用移动 平台( 如图卜3 所示) 中应急处理装置的研究。 车羲采传诸平台射淹雾化发生装置规避防护器且与材料 图卜3 应急处理移动平台 f i g 1 3e m e r g e n c y t r e a 臼n e n tm o b i l ep l a t f o m 应急处理专用移动平台的研究内容及步骤如表1 一l 所示。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表卜1 研究内容及步骤 1 a b 1 一lr e s e a r c hc o n t e n ta n dp r o c e d u r e s 研究内容研究步骤 应急处理处置1 选择适合处理处理移动平台的车型； 移动平台的结2 根据处理处置的使用特性、结构形状，优化设计专用移动平台； 构设计研究3 研究处理处置移动平台的实用性及稳定性，合理布置各处理处置设备。 移动平台的安1 针对处理处置移动平台的技术特点对其进行改造； 装调试 2 安装主要的处理处置装置及车载检测系统及现场指挥系统。 1 模拟各种工况下事故的发生，对处理处置移动平台的应急和处理能力进 模拟演练 行检测，进一步优化理处置移动平台。 1 2 国内外发展动态 针对突发性环境污染事故的预警、监测以及应急决策系统都做了大量的研究，但在 突发性环境污染事故发生以后的应急处理处置方面的研究比较少，仅有针对不同的事故 类型的应急措施进行了分析，例如针对事故引发的火灾，爆炸，泄露等灾害的处置措施。 然而集成应急处理处置装备、实时实地数据采集、无线通信、应急决策指挥控制和洗消 功能的应急移动平台亟待解决。 1 2 1 应急处理处置技术的发展动态 针对突发性环境污染事故的频繁发生，相继各国制定了不同的应对措施，联合国环 境规划署于1 9 8 9 年提出了。“地区级紧急事故的意识和准备”，即“a p e l l 计划 。 c a r m e ng r a w l s 和m a r ka t u r n q u i s t 提出一个有关应急响应定位策略的两阶段随机 混合整数规划( s m i p ) 【5 】o1 9 9 2 年法国开发了一个为突发性水污染事故提供应急决策的 软件包 6 】。北京林业大学的王鸿杰提出了一种新型组合工艺，对处理高砷废水十分有利， 尤其是针对由砷污染引起的紧急事故处理f 7 】。 应急移动平台处理突发性环境污染事件，应遵循“收、堵、治相结合”的原则，倒 罐装置用于收集泄漏的化学品，封堵装置用于堵塞泄漏处，避免继续外泄，应急处理处 置装置是用于应急处理化学品泄漏事故的外泄，洗消中和泄漏的污染物，降低其对环境 的污染。 应急处理处置装置主要应用于洗消污染物的处置环节中，这就需要该装置连续配制 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 和喷洒处理事故需要的洗消液。在不同的应用领域，配制不同的溶液，配制要求不尽相 同，如薛红梅、孔德刚【8 】提出了自动絮凝剂配制设备的结构、原理及各部分功能，介绍 了设置各部分参数的方法，并对运行中的注意事项及维护的问题进行了探讨。该设备用 来配制处理城市污水所需要的絮凝剂溶液。实践表明，该设备能配制性能较为稳定可靠 的絮凝剂溶液，并且自动化程度高、故障率低。何培杰、吴春笃、陈翠英、王光亮和李 雪辉【9 l o 】提出了一种新型农药混合装置一射流混药装置，因为能够实现“在线”自动混 合，从而降低了农药对人伤害和对环境污染的可能性。 1 2 2 应急处理装置现存的问题 目前，我国对危险化学品的安全工作总体稳定，但是安全形势依然十分严峻。在危 险化学品生产、储存、运输、销售、使用和废弃危险化学品处置等环节上，火灾、爆炸、 泄露、中毒事故不断发生，造成巨大的人员伤亡、财产损失及环境重大污染，危险化学 品的安全防范及应急处理任务仍然相当繁重。在危化品发生泄漏、爆炸和燃烧等事故时， 极易造成大气环境的重大污染。突发环境污染事件具有很强的不确定性，会在瞬间或短 时间内排出大量污染物，对周围环境造成污染，给当地正常的生产和生活带来不同程度 的危害。在对突发环境污染事件进行处理处置及后处理过程中，也暴露了技术和设备的 不成熟和不足。现多用的应急处理装备有各种洗消设备、防毒设备、喷雾器、除污手枪 等如图卜4 所示。 图卜4 洗消设备 f i g 1 _ 4d e c o n t 撇i n a 廿o ne q u i p m e n t 现有的能用到配制混合液的装置配制混合液一般常用的液体和气体混合设备用两 类：一类是机械混合设备，如机械叶轮表面曝气装置等。它通过淹没于液体中的叶轮旋 转，将空气吸入液体中进行混合。这种设备需要变速装置和固定装置因而结构复杂、运 行噪音大、叶轮和轴等机械转动部件易磨损和腐蚀。由于该类装置的动力机械放在混合 池顶部，为了承受机械振动和其自重，必须对混合池采取相应的结构措施，从而增加了 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 构造物的造价。另一类是单级和双极液气射流泵，它通过高速液体射流吸入气体进行混 合，但是由于液体与气体的传质过程大部分要在混合池内完成，而气体容易从混合池表 面逸出，因而传质效率不高，而且它不能适应几何形状和深度不同的混合池以及池内液 位变化较大的场合。如一种多级射流泵液气混合装置。它使液体经过旋转导向器，从喷 嘴喷出，产生旋转射流吸入空气，然后经混合喷嘴喷出，吸入液体，在脉冲管内进行能 量及质量传递。由于液体和气体混合不够充分，所以它的传能和传质效率不高。 目前，现有的固液混合方式多采用固液两相按照一定的比例加入到搅拌反应釜中， 通过搅拌装置来达到混合。但是要求混合均匀度高、颗粒度小、两相不能溶融的物料的 混合效果不理想，主要表现在固体颗粒易沉积，易结块，粉体易扬长，混合时间长，能 耗高，效率低。在混合度要求较高的情况下，往往需要多级混合才能达到效果，导致工 艺成本高。例如一种卧式固液混合装置将混合分为多级，每级用挡板隔开，为一混合 室，固液物料中的固体物料用螺旋输送，液体为圆环管进料。这种固液混合装置，能达 到混合效果，桨叶的转速不能太低必须控制好桨叶的转速。在混合固体粉末较细介质时， 当搅拌桨叶转速较高时，在第一级混合室的液体介质，附在搅拌桨叶上的液体介质在离 心力的作用下，将被甩向固体进料口，使固体介质在进料口附近吸附液体介质结团，随 着时间的延长，结团介质越结越大，或是整块下不易分散结块，或是逐渐堵塞进料口， 使混合装置无法继续进行。根据以上情况，总结现有的与应急处理装置相关设备中存在 以下问题： 很少有固定的配制洗消液的容器或装置。 混合装置功能单一。由于污染事件的不确定性，配制溶液的溶剂状态也是不确定 的，可能是固、液、汽中的任何一种。 不能有效的控制反应速度。有的化学物品的性质比较活泼，如硫酸、碱溶液。在 配制溶液的过程中可能会有剧烈的反应现象出现，比如瞬时放出大量的热，不能有效的 控制此问题，这类装置就不能应用于危险化学品应急处理中。现有工业用配液装置多为 机械搅拌，既电机带动液箱中的叶片轴旋转来完成搅拌过程，此类装置使溶液产生更加 剧烈的不利反应。所以，不能用于酸碱溶液类型洗消液的配制，而洗消液大多是酸碱液。 配液过程的间歇性。由于危化品事故大小的不确定性，所需要的洗消溶液量是不 确定的，这就决定了需要配液装置必须能给处理装置连续供液，才能保证事故处理的顺 利进行，更快的消除安全隐患。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 3 应急处理装置振动性研究现状 随着科学技术的进步，车内设备复杂，对其载体( 各种功能的厢式车或方舱) 的性 能要求也越来越高。在运输或工作过程中，由于路面的不平整及车体内的发动机、风机 等设备工作时产生的自主振动，都有可能对车载设备造成振动冲击。通过车载设备的故 障统计可以看出，由环境因素造成车载电子设备的故障的概率占5 0 以上。而其电子元 件不断受到频繁的振动冲击是最主要的失效原因。所以，必须全面考虑设备的环境因素， 来提高车载设备的安全及可靠性n 卜1 4 1 。 应急移动平台作为一辆轻型厢式载货汽车，其车载设备可以看作为一个具有多自由 度的弹性振动系统，导致车载设备产生振动的主要因素有两方面： 当移动平台在赶往事故现场，在凹凸不平的路面上行驶时，由路面起伏对移动平 台车架产生的随机激振； 在移动平台的发动机启动工作时，柴油燃料在发动机缸体内燃烧时，产生的爆发 压力及活塞、曲轴等部件往复运动的惯性力产生的简谐激振。 如果应急处理装置振型中的某一固有频率与外部激励力的频率接近时，就会非常容 易引起应急处理装置和外部激励发生共振现象。共振往往会导致应急处理装置的某些部 位受到较大的动态载荷，极易造成应急处理装置在这些部位的疲劳破坏，影响整个应急 处理装置的安全可靠性，从而危及到应急处理装置的正常使用【1 5 捌。 为了避免应急处理装置和外部激励发生共振现象，就需要对应急处理装置进行模态 分析。通过分析得出应急处理装置的各阶振型和在这些振型下的固有频率。然后分析计 算出各种外部激励源的频率。再从两者的频率关系中分析出应急处理装置与各种外部激 励源的相互影响结果。如果存在频率相近的情况，则需要通过对移动平台车架结构的优 化设计，尽可能的避开与外部激励源产生共振时的频率，保证应急移动平台在进行快速 行驶等各项工作时能够安全可靠的运行。 1 3 主要研究内容 通过查阅大量文献和现场调研与危化品应急处理处置相关的装置；针对处理事故过 程中各类处理装置所存在的关键问题进行研究，提出可行的技术方案；并利用计算机软 件对其关键结构进行仿真分析与优化设计；制作出样机进行试验研究，验证其是否能够 满足实际各种工况。本课题的主要研究内容如下： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 确定应急处理装置的总体设计方案，根据总体设计方案进行应急处理装置的设 计，并对其控制部分进行设计； 根据应急处理装置的使用要求，对装置主体结构的进行模态分析及优化，并对装 置受力关键处进行受力分析优化其结构： 应用a d a m s 分析软件对装置在移动平台上的振动情况进行分析； 根据实物，对设计的应急处理装置进行各项功能做实验研究。 1 4 本章小结 本章简要介绍了研究应急处理装置的选题背景及意义；通过对国内外该类课题的 研究动态的阐述，发现其现有装置的应用情况及现存问题；并对配液技术、浓度检测技 术及车载设备的振动特性现状及发展状况进行概述；进而确立了本课题研究的主要内 容。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 二= 二：二- 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章应急处理装置的研究 目前，在危化品污染处理的过程中，需要一种装置能同时完成少量液体的收集、混 合溶液的配比和喷洒的功能。由于污染源的不确定性，使得配液所需要的溶质可能为粉 体、液体或气体，同时污染区域大小的不确定性，所要求的溶液的配制量也是不确定的。 现有的配比或喷洒装置均不能同时完成以上要求。混合搅拌操作是过程工业中重要的单 元操作，混合搅拌过程就是在流动常中进行动量、质量、热量传递及化学反应的过程旺。 在对危化品事故的处理处置过程中，实用的处理装置是减少污染和防止造成对人体 伤害的关键环节之一，其中处理处置装置的实用性直接关系到后续工作能否顺利进行， 并且影响处理事故的效率和质量。本章主要介绍应急处理装置的原理、结构及电控系统。 2 1 应急处理装置的原理分析 应急处置系统由溶液的负压抽吸系统、一定浓度溶液的自动配制部分、自动喷洒部 分和电器控制部分四部分组成。基于本课题的研究内容和应急处理处置的实际情况，我 们提出了基于力控和触摸屏控制技术的闭环多功能应急处理处置系统，它兼容了自动配 比装置，使液箱具有配制、储存、回收的功能；主要来实现对事故现场进行应急洗消污 染功能；电器控制部分则主要负责对整个系统电器元件的控制，使系统具有所需的功能。 控制系统示意如图2 1 所示。 图2 1 应急处理装置控制系统示意图 f i g 2 1e m e r g e n c y 廿e a 位l e n tp l a n tc o n n | 0 ls y s t e ms c h e m a t i c 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 。1 射流抽吸分析 负压抽收的实施对象是通过射流装置吸收污染区域泄露的可回收的能对环境和人 员造成污染和伤害的液体和气体。 负压抽吸的实现通过射流装置来完成的，射流装置是以液体射流作为工作介质，通 过流体质点或微团的紊动扩散作用，传递能量给被抽流体( 液体及固体颗粒) 的一种流体 混合反应设备。该设备由喷嘴、喉管、扩散管、混合管、出水管及吸入室组成，其工作 原理如图2 2 所示。其工作原理是：通过流体来传递能量而获得真空，采用有一定压力 的水流通过喷嘴喷出，由于喷射水流速特别高，将压力能转变为速度能，使吸入室压力 降低产生真空。高速流将抽吸的流体带走，经过文氏管加压充分混合，进行分子问的能 量交换后流速保持均衡，流过扩张段时降速增压。两股不同压力的流体在喷射器中相互 混合，并进行能量交换，汇聚成一股压力居中的混合流体晗2 1 。 | 蠢黼 o 图2 2 射流装置工作原理图 f i g 2 2j e tp 咖叩s c h e n l a t i c 混合流体分为气( 蒸汽) 、液、固及混合相。一般进入喷射器的工作介质为流体，故 称为工作流体。工作流体在进入喷射器之前压力较高，从上端喷嘴出来会产生很高的速 度，会把通过喷射器前端进入吸入室的低压介质带走。这种低压介质流被称为引射流体。 流体在喷射器中进行着能量的转换，刚开始工作流体的势能及热能转化为动能，后并传 给引射流体一部分动能。而混合后的流体沿着喷射器流动的过程中，其两种流体的速度 得到逐渐均衡，其动能又开始转化为势能和热能。混合后的两种流体在混合室不仅速度 得到均衡，还提高了其压力。混合流体经过从混合室到扩散室的逐渐加压作用，从扩散 器出口喷出时，其压力已比引射流体有了明显提高。喷洒器的这种工作过程决定了其不 用直接损耗机械能来提高引射流体的压力。通过喷射器的原理可以看出，喷射器不仅能 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 够实现液液、气一液和固一液的混合，而且能够抽负压输送物料。因此选用喷射器作为 溶液配制的混合器，进行在线、自动、连续和定量控制溶液配制，以解决固态、液态、 气态危险化学品泄漏应急处理时的溶液配制。 2 1 2 混合配液分析 衡量溶液配比质量的一个很重要的指标是指所配制出的溶液浓度。如果溶液浓度过 高就会使洗消液产生二次污染并且成本增加；而浓度过低，又会对污染处理作用发挥不 出来，而配置的溶液是否符合使用要求又无法快速直观检测出来，因此人们对溶液浓度 越来越关注，促使溶液的配制方式和浓度检测技术迅速发展起来。在溶液使用过程中存 在的问题，部分原因是配制出的溶液浓度不合使用要求而引起的。溶液配比方法与生产 的效益和自动化水平的提高有着直接又密切联系。为适应各种浓度溶液高产高效的要 求，配制出高质量的溶液，溶液的配比方式也在不断的变化发展1 。 溶液配比一般有两种配比方法：机械搅拌配制溶液如图2 3 所示，机械搅拌配制 是通过液箱供料口往液箱里添加一定量的溶质，通过搅拌器中搅拌轴的旋转来带动液体 运动，实现混合。 图2 3 机械混合装置示意图 f 培2 - 3m e c h a n i c a lm i 】血gd e v i c es c h 锄a t i c 该方法的缺点是：需要的机械装置复杂，通过电机带动减速装置，实现搅拌器中搅拌叶 片的单向旋转或回旋来进行搅拌配制，对配制好的溶液进行随机取样与目测读数，因而 精度低，配比浓度很难控制，取样等待时间长，清洁度差、成本高以及劳动强度大等缺 点实现实时检测。由于操作频繁，这种方法目前很少使用。利用根据文丘里管原理设 计的溶液配比器进行配比，如图2 2 所示。在射流装置通过高速液体介质的情况下，在 其喉管处形成负压区来抽吸粉料或液体，抽吸到喷嘴出的粉料或液体在通过的高速流冲 太原理工大学硕士研究生学位论文 一一 击的作用下与介质液体充分混合后，经过扩张室喷出，喷出的混合液以一定的速度冲击 液箱中的液体，带动液箱中的液体进行混合流动。通过控制水泵的压力和流量可以控制 负压区抽取粉料或液体的进料量和流出扩张室混合液的流动速度，能间接的控制液箱内 液体流动状态。 2 1 3 总体原趋分析 选用通过对负压抽吸和自动连续配比方式为本方案，其总体工作原理示意图，如图 4 所示。 砸梦搅捧电机 效气藏黼榭竖 ，7 啪射流毒 消毒喷头弋 = 7 配此电 【l 喷西电机 补灌电砖球阚 混合液糟商液位 混合液籀低液位 混台渍籀1 砥抵j 盘位 储最辅商液位 诸裹箱底灌位 储液箱1 酎聂液住 图2 4 总体方案工作原理示意图 f i g 2 4w b r kp 血c i p l ed i a g m mo fm eo v e r a l lp r o g 髓m ( 1 ) 负压抽吸的实旅是通过在射流器的负压日连接负压收集滤嘴来完成的，在射流器 内通过高速水流的作用下通过负压区所形成的负压值来完成对少量泄露液体的收集，通 过高速水流的稀释后，存储至混合液箱内，如果液体较多，也可以通过混合液箱放液口 进行后续处理，从而达到减少污染环境的目的。 ( 2 ) 连续自动配比下料过程是粉料储料器的下料口和射流器的负压口连接，在搅拌室 需要下粉料时由循环泵加压的高速流通过射流器时，在其喉管的出口处行成负压区，粉 料在负压的作用下通过下料器进入到喉管出口附近，在高速流剧烈的冲击下，由粉料形 成的小“包裹”在被冲散后与液流进行充分混合，形成的混合液通过扩散管以高速流的 形式流出。射流器的扩散管连接于搅拌室相对位置较高的位置，至使高速混合液流出扩 散管后推动液体在搅拌容器内循环流动，在导流的作用下，液流在搅拌容器内做水平方 向和垂直方向上的流动。使得混合液流在搅拌容器内得以充分混合以4 j 。同时循环泵是连 1 2 垄塑! 墅堂堡主堑塞竺堂笪笙壅 续不间断工作的，部分混合液重复的进入循环流程，使混合液在循环的过程中充分混合 均匀。 2 2 应急处理装置的结构分析 应急装置主要包括负压抽吸装置、自动配液装置和自动喷洒装置，其中负压抽吸的 储存器、自动配液的混合液箱和自动喷洒装置的储存器集成为一个多功能液箱体。其它 设备均布置于多功能液箱的主框架上，便于转移和运输，其放置位置如2 5 图所示。 卜升降喷淋装置2 一场地照明灯3 一扬声器4 一五参数气象仪5 一升降云台全方位摄像、照明系统 6 一应急处理处置装置7 倒灌泵8 封堵工具 图2 5 应急移动平台的三维模型 f i g 2 5 ，n l et l l r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l o fm e 锄蝣e n c ym o b i l ep l a 仃。瑚 2 2 1 液箱箱体设计要求 多功能箱体既是溶液的贮存室、混合室，又是各种液压元件的安装机架，它是由钢 板焊接而成，具有足够的强度和刚度。箱体由二个室组成：混合室、储存室。每个室底 部都设有放液塞，清洗液箱时将放液塞拧掉放尽液体，在箱体两侧设有清渣盖，打开此 盖可清除沉淀室内的污物，便于清理。溶液箱体主题分上下两部分，上方是混合室，在 混合室的顶板上布置下料装置，混合室和下料装置及储存液箱相连接，储存液箱置于混 合室的下方，中间通过排水管路和电动球阀相连，负压抽吸收集的污染液体通过过滤装 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 置进入混合室，稀释后进行后续处理。负压抽吸液体的循环图如图2 6 所示： 图2 6 负压抽吸循环方框图 f i g 2 6u p o s u c t i o nc y c l eb l o c kd i a g r a m 自动配比和喷洒液体循环如图2 7 所示： 2 2 2 液箱箱体结构方案 图2 7 配液循环方框图 f i g 2 - 7m i dc i r c u l a t i o nb l o c kd i a 舯m 鉴于上述要求，本系统设计的原则是在保持多功能液箱基本功能及外围接口满足工 作环境要求的基础上进行合理设计，取长补短，研制出集成负压抽吸收集、自动配比功 能、浓度检测及液位检测等功能于一体的多功能液箱。 多功能液箱结构布置设计如图2 8 、图2 9 所示。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 8 液箱整体结构图 f i g 2 87 i h eo v e r a l ls 缸i l c t u m ld 】m w i n go fn l l i db o x 1 一喷洒泵；2 一控制阀i ；3 一喷头；4 一喷枪；5 一消防栓i ：6 一搅拌泵： 7 一控制阀；8 一料斗；9 一控制阀；1 0 一喷射器；n 一搅拌室；1 2 一储液室；1 3 一液位计i ； 1 4 一液位计；1 5 一控制阀；1 6 一控制阀v ；1 7 一控制阀；1 8 一控制阀；1 9 一消防接口； 2 0 一延伸隔板；2 1 一钢架；2 2 一液箱；2 3 一角铁；2 4 一安装板i ；2 5 一安装板；2 6 一四通管： 2 7 一三通管i ；2 8 一消防栓；2 9 一三通管；3 0 一电动球阀3 d t ；3 1 一电动球阀2 d t ； 3 2 一电动球阀3 d t ：3 3 一电动球阀4 d t 主要包括有液箱中间加延伸隔板构成的搅拌室和储液室。液箱的项板和底板与延伸 隔板的延伸长度相等，在三层延伸板的外边缘焊接角钢，形成钢架。搅拌室和储液室仅 通过外部管路相连通，管路中间加电动球阀，电动球阀与管路均用法兰连接。搅拌室出 液口加球阀，球阀与搅拌泵供液口和带弯管的法兰均用螺纹连接。搅拌泵固定于延伸钢 台的安装板上。搅拌室的底边上焊接两个排水口，排污口通过螺纹外连控制阀；循环 液出口通过螺纹外连控制阀。在控制阀与搅拌泵的连接管中间加软管，软管的一段 接螺纹管与控制阀连接；软管的另一端接法兰管与搅拌泵相连接。搅拌室的侧壁上部 焊接两个进水口，自来水供应口外接法兰，通过法兰与电动球阀相连通，电动球阀的另 一端接消防接口；循环液回流口通过法兰直接与射流器的出液口相连接。射流器布置于 延伸钢台上，通过法兰与搅拌泵相连接。在搅拌室的侧壁上安装液位计1 ，液位计1 与 搅拌室用法兰连接。在搅拌室的顶部开口加排气口。本方案供料部分由料斗、四通管、 电动球阀及射流器组成。料斗、四通管、电动球阀、射流器的负压口均通过法兰连接。 1 5 图2 9 液箱整体结构图 f i 蛋2 91 1 1 eo v e f a l ls 衄l c t i 】r a ld r a w i n go fn u i d b o x 电动球阀连接四通管和射流器。本装置的送液部分包括储液室、三通管i 、电动球 阀、消防栓、喷洒泵l 、三通管i i 、喷枪和喷头组成。 液位计安装在储液室的侧壁上，通过法兰与储液室连接。储液室的排污口布置于 侧壁的下方并且低于储液室的出水口3 0 姗，排污口外接控制阀v 。储液室的出水口接控 制阀，控制阀与三通管i 通过法兰连接，在三通管控制阀的支管上通过法兰连接 电动球阀，在电动球阀上安装消防栓。喷洒泵l 安装于安装板上。喷洒泵1 的出水口通 过法兰接三通管，三通管的主管路接消防栓i ，三通管i i 的支管路上安装控制阀i ， 在控制阀i 的另一端安装快速接口。消防栓i 与喷枪4 之间通过消防用软管联通，各接 口用消防接口连接。控制阀i 安装的快速接口管径与消防栓i 的不同。此部分可以根据 具体情况选择性的安装长度和管径不同的软管。 2 3 应急处理装置的电控系统研究 考虑到应急装置的复杂性，为了便于现场工作人员操作，本方案中设计了电控系统 以实现各部分的协调动作集中控制，并且将应急装置中的各装置的控制均装换成对电控 柜面板的操作按钮或旋转的手动控制，操作人员只需按标牌指示相应的按钮即可进行应 急装置的工作。 1 6 羔鬟 型 在 蓄j 虬 塑 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 1 动作流程分析 应急处理装置配比部分流程如图2 1 0 所示。 上 图2 1 0 配比流程示意图 f i g 2 一l of 1 0 wd i a g r a mo f p r 印a r a d o n 启动自动配制按钮，p l c 检测上下液位高度，检测结果有三种情况，分别为上液箱 满了而下液箱不满、上下液箱都满了以及只有上液箱不满。只要上液箱不满，打开进水 电动阀，接着检测上液箱液位，其检测结果有种三情况，即上液箱液位低于低低限位、 液位在低低液位到低液位之间以及液位高于低液位。若检测结果为上液箱液位在低低限 位到底限位之间，则投放药品的同时启动配比电机，一次投放的药品量由时间继电器t l 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 来确定，若上液箱液位已经在低液位以上，则只需启动配比电机。在配置过程中p l c 检 测上下液箱液位一旦都满了，系统停止运行，若上液箱满了而下液箱还不满，便关闭进 水阀和配比电机，同时启动补液电动阀和放气电动阀。这时p l c 检测上下液箱液位，若 下液箱到达高限位或者上液箱降到低低限位系统循环上述工序。配比过程中若按下配比 自动停止按