石棉破碎車間粉塵質(zhì)量濃度分布的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)*

時(shí)訓(xùn)先，鄧權(quán)龍，蔣仲安，陳　兵

(1.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0　引言

石棉材料具有耐熱、抗拉、絕緣等良好的特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中[1]。然而，在石棉礦選礦過程中容易產(chǎn)生大量石棉粉塵污染，歐美等一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家都禁止采用石棉材料，但是我國(guó)目前仍然是石棉使用大國(guó)之一[2]。石棉選礦工藝主要包括：破碎、篩分、除砂、除塵等，其中破碎作為石棉礦選礦工藝的重要環(huán)節(jié)之一，主要任務(wù)是將塊狀礦石進(jìn)行機(jī)械破碎，達(dá)到工藝要求的粒度后，進(jìn)入下一步工序。破碎作業(yè)過程中，礦石受到機(jī)械力作用，礦石表面細(xì)小塵粒經(jīng)過剪切、碰撞、擴(kuò)散等作用，運(yùn)移至空氣中，污染車間作業(yè)環(huán)境。石棉纖維經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體體內(nèi)容易沉積附著在組織器官上，很難通過人體代謝排出，很可能引發(fā)石棉肺、肺癌、間皮瘤等疾病[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)場(chǎng)所粉塵研究的多為礦山露天采場(chǎng)、井下工作面等[5-6]，對(duì)于石棉破碎車間粉塵的研究較少。所以，本文對(duì)石棉選礦廠破碎車間內(nèi)部粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，掌握破碎車間內(nèi)部粉塵濃度分布情況，為車間采取控塵措施提供參考，進(jìn)而改善工人作業(yè)環(huán)境、保障作業(yè)人員身體健康。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1　粉塵在空氣中的運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)破碎車間內(nèi)粉塵的受力情況進(jìn)行量級(jí)分析發(fā)現(xiàn)，除了重力、浮力及阻力以外，其他作用力均很小，可以忽略不記，建立塵粒在空氣中運(yùn)動(dòng)方程[7-8]：

(1)

式中：dp為粉塵顆粒直徑，m；ρg為氣體密度，kg/m3；ρp為粉塵顆粒密度，kg/m3；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；Cd為氣體阻力系數(shù)；vg為氣體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；vp為粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

1.2　粉塵在空氣中的擴(kuò)散方程

若取Ω為一個(gè)小六面體ΔV=ΔxΔyΔz，設(shè)在小六面體ΔV內(nèi)，污染物既不產(chǎn)生也不消失。沿著x方向通過ΔyΔz面的污染物流入量可用通量的概念來描述。因?yàn)榇髿馔牧髯饔?，單位時(shí)間內(nèi)沿著x方向經(jīng)過單位面積污染物量與該方向污染物濃度梯度成正比[9-10]，可表示為：

(2)

(3)

各向同性的空氣中，粉塵顆粒在x，y和z方向上擴(kuò)散系數(shù)均相等，統(tǒng)一用Kp進(jìn)行表示。利用高斯公式對(duì)該方程進(jìn)行求解得到粉塵質(zhì)量濃度的解為：

(4)

式中：k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K。

1.3　粉塵在空氣中的沉降方程

石棉破碎過程中，粉塵受到重力作用進(jìn)行不同程度沉降，整個(gè)過程中塵粒速度不斷變化，阻力隨速度大小改變而發(fā)生改變，當(dāng)重力、浮力和氣動(dòng)阻力達(dá)到平衡后，粉塵顆粒以固定的速度下降，此時(shí)粉塵顆粒的速度為最終沉降速度[11]。在(1)中，令dvp/dt=0，得到最終沉降速度vt，如下：

(5)

當(dāng)粉塵粒徑較小時(shí)，取Cd= 24/Rep，粉塵雷諾數(shù)Rep=dpρgvt/μg，則最終沉降速度為：

(6)

式中：μg表示空氣的動(dòng)力粘度，Pa·s。

2　幾何模型與參數(shù)設(shè)置

2.1　工程概況

西南某石棉選礦廠破碎車間主要任務(wù)是對(duì)礦石做進(jìn)一步的破碎處理，礦石經(jīng)過膠帶輸送機(jī)從上一車間運(yùn)至破碎車間，礦石經(jīng)給料口進(jìn)入圓錐破碎機(jī)，在破碎工藝中，有收塵收棉旋風(fēng)器經(jīng)過通風(fēng)管段連接破碎機(jī)，進(jìn)行收塵收棉作業(yè)。破碎車間為簡(jiǎn)單的水泥砌磚板房建筑，高14 m，長(zhǎng)17 m，寬16 m，車間內(nèi)主要由圓錐破碎機(jī)、收塵收棉旋風(fēng)器、值班儲(chǔ)物室、膠帶輸送室、高臺(tái)組成。其中高臺(tái)(高6 m×長(zhǎng)6 m×寬2 m)連接膠帶輸送室，為膠帶給料設(shè)備提供架設(shè)平臺(tái)，同時(shí)也為工人作業(yè)提供場(chǎng)地，地面通向高臺(tái)設(shè)有行人的梯子。圖1為破碎車間現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1　破碎車間現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1　The scene of crushing plant

2.2　幾何模型建立

根據(jù)破碎車間內(nèi)部布局及其相關(guān)尺寸大小，用Gambit建立近似1∶1幾何模型，主要對(duì)破碎車間內(nèi)部空間粉塵擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)車間進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，將車間內(nèi)值班房、破碎設(shè)備、旋風(fēng)除棉設(shè)備均視為相對(duì)規(guī)則的形狀，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)不做進(jìn)一步考慮，主要模擬破碎車間內(nèi)粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。破碎車間廠房尺寸為長(zhǎng)17 m、寬17 m、高14 m，用Gambit建立幾何模型，并劃分計(jì)算網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2　破碎車間幾何模型Fig.2　Geometric model of crushing plant

2.3　參數(shù)設(shè)置

根據(jù)石棉選礦廠破碎車間的具體情況和相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)兩相流理論，對(duì)FLUENT數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[9-10,12]，詳見表1。該石棉礦主要為溫石棉礦石，主要成分有二氧化硅、氧化鎂和結(jié)晶水，它的分子式是Mg6[(OH)4Si2O5]2，原礦石粉塵密度為2 500 kg/m3。

表1　計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 1　Defining the calculation model parameters

3　數(shù)值模擬分析

3.1　風(fēng)流流場(chǎng)分布及分析

破碎車間在作業(yè)的過程中，膠帶連續(xù)地將礦石運(yùn)至破碎機(jī)給料口，膠帶間產(chǎn)生一定風(fēng)流進(jìn)入破碎車間，設(shè)置膠帶間進(jìn)入破碎車間風(fēng)速為0.4 m/s，對(duì)車間內(nèi)部風(fēng)流進(jìn)行數(shù)值模擬，得到車間內(nèi)部風(fēng)流矢量圖和速度云圖，詳見圖3。從模擬結(jié)果看出：風(fēng)流進(jìn)入車間，先沿著初始方向向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)受到設(shè)備或墻壁阻擋后，風(fēng)流方向發(fā)生不同程度的變化；風(fēng)流流動(dòng)過程中，流場(chǎng)影響區(qū)域呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，流場(chǎng)風(fēng)速則是呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，流向車間中央風(fēng)流較多，車間兩側(cè)形成漩渦區(qū)，風(fēng)流交換周期較長(zhǎng)；根據(jù)風(fēng)流不同狀態(tài)分為射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)、出口區(qū)等4種狀態(tài)，射流區(qū)和出口區(qū)風(fēng)速在 0.30～0.40 m/s，回流區(qū)風(fēng)速保持在 0.20～0.30 m/s，渦流區(qū)風(fēng)速范圍為 0～0.20 m/s。

圖3　破碎車間風(fēng)流矢量Fig.3　Air flow vector of crushing plant

3.2　粉塵質(zhì)量濃度分布及分析

破碎車間內(nèi)主要塵源位置為膠帶輸送和破碎機(jī)入口處，粉塵在車間內(nèi)部風(fēng)流作用下產(chǎn)生逸散，擴(kuò)散至車間內(nèi)部。從圖4至圖8看出：破碎車間內(nèi)部粉塵主要集中在輸送膠帶和破碎機(jī)附近，在破碎機(jī)物料入口處的粉塵濃度最高，粉塵在車間內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)的作用下逐漸向車間內(nèi)部運(yùn)移，粉塵濃度隨著距破碎機(jī)入口的距離增加而逐漸變??；在平臺(tái)高度位置粉塵濃度較高，高濃度粉塵主要集中在破碎設(shè)備上方，而距地面H=1.5 m呼吸帶高度的粉塵濃度較低，車間大門附近粉塵濃度維持較低水平；在破碎車間人行通道上，越靠近車間內(nèi)部，粉塵濃度越高，在人體呼吸帶高度粉塵濃度維持在9～16 mg/m3范圍。

圖5　破碎車間粉塵濃度等值線Fig.5　Dust concentration contour map of crushing plant

圖6　破碎車間高度1.5 m處粉塵濃度分布Fig.6　Dust concentration of H=1.5 m in crushing plant

圖7　破碎車間高度7.5 m處粉塵濃度分布Fig.7　Dust concentration of H=7.5 m in crushing plant

圖8　破碎車間人行通道上粉塵濃度分布Fig.8　The distribution of dust concentration on the humanoid channel in crushing plant

4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

4.1　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及文獻(xiàn)中的采樣點(diǎn)布置方法，在破碎車間內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)車間內(nèi)石棉粉塵和石棉纖維現(xiàn)場(chǎng)采樣與實(shí)測(cè)，見圖9。

圖9　破碎車間測(cè)點(diǎn)布置Fig.9　The measuring point arrangement in crushing plant

根據(jù)上述測(cè)點(diǎn)布置，參照相關(guān)的粉塵濃度和石棉纖維濃度測(cè)定規(guī)范[13-15]，對(duì)破碎車間內(nèi)粉塵濃度分布進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到破碎車間各個(gè)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度大小情況，如圖10所示。

圖10　各測(cè)點(diǎn)粉塵濃度Fig.10　Dust concentration of each measuring point

如圖10所示，破碎車間內(nèi)粉塵濃度最大的測(cè)點(diǎn)為3號(hào)測(cè)點(diǎn)，即膠帶與給料口連接處，產(chǎn)生大量粉塵，全塵濃度86.24 mg/m3，呼塵濃度52.60 mg/m3，車間內(nèi)粉塵濃度較大點(diǎn)主要集中在高臺(tái)上膠帶輸送室(1號(hào)測(cè)點(diǎn))、高臺(tái)連接處(2號(hào)測(cè)點(diǎn))、破碎機(jī)給料(3號(hào)測(cè)點(diǎn))。粉塵濃度最小測(cè)點(diǎn)為12號(hào)測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)在大門附近的車間過道處。在破碎車間地面上設(shè)有9個(gè)測(cè)點(diǎn)，粉塵濃度大小在9～15 mg/m3范圍內(nèi)，污染程度相對(duì)較輕。

為掌握破碎車間內(nèi)石棉纖維的污染情況，對(duì)車間內(nèi)收集粉塵后的濾膜進(jìn)行了石棉纖維濃度的分析，對(duì)測(cè)點(diǎn)2，3，5，6，8，11共6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了石棉纖維濃度分析，測(cè)點(diǎn)3的石棉纖維濃度高達(dá)12.46 f/mL，其次是測(cè)點(diǎn)2處纖維濃度為5.58 f/mL，其余測(cè)點(diǎn)濃度范圍在1.2～1.5 f/mL，測(cè)定結(jié)果如圖11所示。

4.2　模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)對(duì)破碎車間內(nèi)部粉塵質(zhì)量濃度數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，比較情況詳見表2，兩者數(shù)據(jù)基本吻合，說明數(shù)值模擬的結(jié)果具有可靠性，能夠真實(shí)反映破碎車間內(nèi)部粉塵質(zhì)量濃度分布情況。

圖11　破碎車間測(cè)點(diǎn)纖維濃度Fig.11　Asbestos fiber concentration of each measuring point

表2　模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2　sComparison of simulation results with measured data

5　結(jié)論與建議

通過對(duì)西南某石棉選礦廠破碎車間粉塵濃度分布情況進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析，得到如下結(jié)論和建議：

1) 破碎車間內(nèi)部風(fēng)流較為紊亂，存在較多的渦流區(qū)域，新鮮空氣更新周期長(zhǎng)，同時(shí)不利于粉塵沉降。建議改變車間內(nèi)部風(fēng)流流場(chǎng)，將車間2個(gè)門作為進(jìn)風(fēng)口，膠帶輸送室與破碎車間連接處設(shè)置單向風(fēng)門，控制膠帶室內(nèi)含塵氣流進(jìn)入車間。

2)粉塵集中于膠帶輸送室和破碎機(jī)給料口處，粉塵濃度最高86.24 mg/m3，纖維濃度最高為12.46 f/mL；隨著距破碎機(jī)入口的距離增加，粉塵濃度逐漸減小，在地面呼吸帶高度的粉塵濃度較低。破碎車間粉塵和石棉纖維濃度均超過國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，建議采用措施，在現(xiàn)有工藝要求允許的前提下，適當(dāng)對(duì)破碎車間進(jìn)行灑水等措施，增強(qiáng)對(duì)空氣粉塵捕集。

3)膠帶輸送室和破碎設(shè)備給料口作為破碎車間的主要塵源，粉塵從塵源隨著風(fēng)流擴(kuò)散至車間內(nèi)部，污染破碎車間空氣。建議對(duì)膠帶輸送過程中粉塵進(jìn)行控制，對(duì)膠帶輸送室和破碎車間連接處采取隔塵除塵措施；對(duì)破碎設(shè)備給料口采用局部密閉罩或負(fù)壓集塵罩控塵。

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