中藥飲片車間通風除塵及空調(diào)設(shè)計的探討

馮朝暉 丁艷國

1 深圳臻瑞機電工程設(shè)計有限公司2 北方-漢沙楊建筑工程設(shè)計有限公司

1 工藝概述

將中藥材通過凈選，切制及炮制等工序，制成一定規(guī)格的成品，切成一定形態(tài)的薄片（或顆粒），這是中藥材制成中藥飲片的生產(chǎn)過程。典型的中藥飲片生產(chǎn)工藝流水線主要由投料區(qū)，風選篩選區(qū)及選別區(qū)組成。其生產(chǎn)流線：原料通道—投料—風選或篩選—選別切制篩分—包裝—成品通道。

對本類車間而言，根據(jù)GMP 的認證要求，嚴格區(qū)分中轉(zhuǎn)區(qū)，一般生產(chǎn)區(qū)，控制污染區(qū)和潔凈區(qū)。區(qū)分人流通道與物流通道，合理分配進入與退出人流。合理分配并區(qū)分原料進入通道，成品出生產(chǎn)區(qū)通道以及廢棄物通道。

其工藝特點如下：

1）飲片生產(chǎn)過程中，投料、風選、轉(zhuǎn)運、切制或篩分等過程中，均會產(chǎn)生不同程度的粉塵。

2）生產(chǎn)車間各房間的正壓符合GMP 對氣流方向的要求，避免交叉及逆向污染。

3）生產(chǎn)車間對溫度、濕度、噪聲等方面均有一定要求。但沒有潔凈度要求(但由于有正壓要求，對車間密閉性要求高，因此實際工程中的裝修等級是按最低潔凈等級實施的)。

根據(jù)工藝特點，中藥飲片車間的工程設(shè)計難點在于同時存在除塵通風、空調(diào)、正壓控制的要求，還需考慮系統(tǒng)的節(jié)能運行。

2 關(guān)于除塵系統(tǒng)安全防爆問題

根據(jù)生產(chǎn)車間集塵機房粉塵檢測報告[1]，粉塵性質(zhì)：主要是中藥材植物粉塵，夾帶著泥土等雜質(zhì)。采用粉塵云爆炸威力測試方法進行的可爆性篩選試驗，在實驗條件下，粉塵性質(zhì)被認為可爆。

其試驗參數(shù)如下：在500 g/m3濃度時，PR 值為6.92，大于2.0。PR 值為爆炸壓力比，PR 超過2.0 時，被視為發(fā)生爆炸。

粉塵分布：d(0.1)=0.117 μm；d(0.5)=37.91 μm；d(0.9)=231 μm。

比表面積：0.32 m2/g；水分含量：8.75%；體積平均粒徑：84.6 μm。

實驗條件：粉塵云爆炸威力測試；實驗容器：20 L球；檢測條件：使用二個能量為5 kJ 的化學點火具；樣品處理：取過0.5 mm 篩樣品進行試驗；檢測環(huán)境：17 ℃，相對濕度54%。

顯微鏡下的粉塵形態(tài)見圖1：

圖1 顯微鏡下的粉塵形態(tài)

粉塵發(fā)生最大的區(qū)域是投料區(qū)。風選及振動篩的粉塵也很大。粉塵泄漏點最大抽風空氣濃度約為500～2000 mg/m3，雖然與其爆炸下限濃度還有很大距離（參考木纖維粉塵的爆炸下限濃度為25 g/m3），但除塵系統(tǒng)運行過程中，由于積塵等因素，會聚集很大濃度，如果遇明火或靜電火花等意外情況，也會產(chǎn)生爆炸危險，因此除塵系統(tǒng)應采取防爆隔爆設(shè)計。

根據(jù)國家標準：《粉塵爆炸危險場所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)程》AQ4273-2016[2]，及《粉塵防爆安全規(guī)程》GB15577-2018[3]，對本車間類除塵系統(tǒng)有以下要求，有些條款與現(xiàn)行的《工業(yè)建筑供暖通風空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50019-2015 有些差異：

1）除塵器須采用干式防爆型，并設(shè)置在專用房間內(nèi)。圍護結(jié)構(gòu)采用耐火極限不小于3 小時的實體隔墻，靠外墻，設(shè)泄爆口。

2）所有除塵系統(tǒng)風管應明裝。這是為了便于清灰。但影響美觀及凈高，對工藝操作稍有不便。

3）除塵系統(tǒng)除塵器進風管風速，按AQ4273-2016規(guī)范中7.1.3 的規(guī)定，應大于20 m/s。這個規(guī)定沒有像工業(yè)通風空調(diào)設(shè)計規(guī)范區(qū)分水平管及垂直管。從積灰的角度來看，垂直管道及支管的風速可以低一些，建議按12～15 m/s 計算，因為如果按20 m/s 計算，系統(tǒng)阻力及風噪會很大。例如：直徑120 mm 的風管，20 m/s 風速時，比摩阻為33.5 Pa/m；12 m/s 風速時，比摩阻為14 Pa/m，相差很大。

4）除塵系統(tǒng)應設(shè)置隔爆閥。主要是防止沖擊波的擴散。

由于這個AQ4273-2016 規(guī)范實施時間不長，以往的系統(tǒng)很多沒有采取防爆隔爆設(shè)計措施，需要在以后逐步整改。

3 關(guān)于除塵系統(tǒng)風量平衡及能量回收

根據(jù)大氣污染物綜合排放標準，本類車間的粉塵排放濃度為150 mg/m3。按這個要求，按傳統(tǒng)的做法，一般都是由袋式除塵器處理后直接高空排放。

但高空排放有二個很不利的問題產(chǎn)生：

1）由于車間正壓的控制要求，除塵排走的風，需要新風來補充，會增加新風量（空調(diào)系統(tǒng)幾乎變?yōu)橹绷飨到y(tǒng)）。同時由于除塵系統(tǒng)運行的不定期性，會帶來房間風量的波動，造成房間正壓失衡。

2）直接排放會帶來空調(diào)系統(tǒng)能耗損失。

因此從風量平衡及能量回收的角度來，除塵排風應回用。抽多少風，就回多少風，這樣不管除塵系統(tǒng)運行不運行，風量平衡，對房間的正壓不會產(chǎn)生波動。

按規(guī)范《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》6.3.2 的要求，只要除塵處理后的粉塵濃度低于工作區(qū)容許濃度的30%以下，就可以采用循環(huán)空氣，就是說除塵后的排風可以回用。工作區(qū)的容許濃度，查閱《工作場所有害因數(shù)職業(yè)接觸限值》GBZ 2-2002 的條款，參照木粉塵的平均容許濃度為3 mg/m3，采用一般的布袋除塵器，除塵效率＞99%，除塵后的濃度Cp=500～2000×(1-0.99)=5～20 mg/m3。有時投料區(qū)的初始粉塵濃度根據(jù)物料不同可能不止500～2000 mg/m3。可見采用一般的干式布袋除塵器，除塵后濃度不一定能滿足回用的要求。按初始濃度2000 mg/m3容許濃度3 mg/m3反算，除塵器的除塵效率應＞99.85%

高效的濾筒式除塵器，采用的是超細纖維濾材，耐高溫，防油防水防靜電，過濾效率＞99.99%。采用濾筒結(jié)構(gòu)布置，脈沖反吹清灰，特制的回轉(zhuǎn)鎖式卸灰閥及存灰筒。這種除塵器可以滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

此前大多數(shù)中藥飲片車間都采用除塵排風直接排到大氣，有些地方采用了就地高效過濾除塵器，相當于除塵排風直接排到房間，但沒有專用的除塵機房。或者除塵機房不能滿足圍護結(jié)構(gòu)采用耐火極限不小于3 小時的實體隔墻，靠外墻，設(shè)泄爆口等要求。這些做法是不能滿足規(guī)范防爆防火的要求的。

現(xiàn)在安監(jiān)部門對這塊的監(jiān)管力度不斷在加大、完善。因此嚴格按規(guī)范設(shè)置，同時又能達到節(jié)能環(huán)保的目的，合理的方案是采用專用房間（或室外）的排風回用的高效濾筒除塵系統(tǒng)，按生產(chǎn)線對應設(shè)置除塵系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)。這樣既有利于風量平衡，又有利于節(jié)能。除塵排風回用，節(jié)約的能量很大。經(jīng)過計算，其回收的能量能達到空調(diào)能耗的一倍多。

計算過程如下：

一條典型生產(chǎn)線，總面積約為300 m2，吊頂凈高3.3 m，空調(diào)系統(tǒng)風量為10000 m3/h（換氣次數(shù)按10 次/h），新風比30%（按正壓要求），除塵系統(tǒng)風量為80000 m3/h（大約有11 個除塵點）。室內(nèi)空氣設(shè)計工況點的溫濕度為 244 ℃/65%，室外新風參數(shù)按干球33.74 ℃，濕球27.54 ℃（參照深圳地區(qū)）。

空調(diào)冷負荷約為50 kW，單位冷指標為167 W/m2（含新風）。

如果除塵排風全部排至室外，除塵排風帶走的能量Q=(87-55)×1.20×(8000-1500)/3600=61 kW（1500 m3/h 是排風系統(tǒng)風量）。

通過以上計算可看出，除塵排風不回用，空調(diào)系統(tǒng)幾乎為直流新風系統(tǒng)，其空調(diào)冷負荷比排風回用系統(tǒng)大了一倍以上，直接排放的能耗損失巨大。

4 關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)的處理方式

4.1 空調(diào)冷熱負荷

本類車間冷負荷主要有圍護結(jié)構(gòu)冷負荷，人員冷濕負荷，照明負荷，設(shè)備發(fā)熱負荷及新風負荷組成。由于生產(chǎn)車間一般布置在內(nèi)區(qū)，維護結(jié)構(gòu)負荷比較小，主要是后四項的負荷。新風量按人員最小衛(wèi)生標準及正壓新風量取大值來核算，正壓新風遠遠大于人員衛(wèi)生新風量，按照正壓控制的要求，新風比一般為30%。

按前面敘說的典型一條生產(chǎn)線，其空調(diào)冷負荷按鴻業(yè)負荷計算軟件，計算得總冷負荷約為50 kW，不含新風冷負荷為22 kW，濕負荷約為1.58 kg/h（不含新風）。其中生產(chǎn)用電設(shè)備統(tǒng)計約為18 kW（電機及驅(qū)動裝置均在室內(nèi)）。

物料在運輸過程中均為冷鏈運輸，這一部分的物料冷負荷可以忽略不計。

可見本類車間的冷負荷主要是新風冷負荷及內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱，室內(nèi)濕負荷不大，濕負荷主要為新風及人體濕負荷，熱濕比為22000/1.58=13924（與新風量無關(guān)），全年相對穩(wěn)定。

冬季熱負荷還是由于內(nèi)區(qū)的原因，車間圍護結(jié)構(gòu)熱負荷很小，主要是新風熱負荷。但就室內(nèi)而言，由于設(shè)備發(fā)熱大，冬季都需要消除余熱。應利用新風量來調(diào)節(jié)冷熱平衡。

4.2 空調(diào)處理方式

常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)空氣處理方式是一次回風系統(tǒng)。本類車間，室內(nèi)產(chǎn)濕量不大，對濕度的控制要求不高（小于等于65%即可），為了節(jié)能，直接以露點L（大約為13.7 ℃）送風，就可滿足要求。

從熱濕比來看，同時本類車間的控制精度要求不高，平時空調(diào)夏季是不需要再熱的。即使梅雨或臺風季節(jié)，室外新風濕度很大的情況下，只要表冷器的焓差處理能力足夠，就可以達到熱濕比線與95%相對濕度相交的露點溫度來控制室內(nèi)參數(shù)。

過渡季節(jié)采用一次混合直接送風的方式處理,采用調(diào)節(jié)新風比來控制室內(nèi)溫濕度，即使回南天等濕度很大的情況下，也不需要再熱。

冬季運行的模式下，夏熱冬冷或寒冷地區(qū)，需要做加熱處理。以避免室內(nèi)溫度因新風送入而降得很低。實際上可以人為地降低室內(nèi)溫度參數(shù)標準（需要與業(yè)主方商議），因為在冬季或過渡季節(jié)穿上潔凈工作服后，工人衣著還是比較多的，即使溫度降低，人體舒適度還可承受。

5 關(guān)于生產(chǎn)車間正壓控制

根據(jù)GMP 的要求，生產(chǎn)車間各房間的正壓符合對氣流方向的要求，避免相互交叉及逆向污染。典型的生產(chǎn)線的正壓要求，見圖2。

圖2 各房間正壓分布圖

由于本類廠房車間一般沒有潔凈要求（實際按最低要求的潔凈等級設(shè)置），空調(diào)換氣次數(shù)與常規(guī)空調(diào)區(qū)別不大，大概為10 次/h 左右，不必刻意加大風量。

按照正壓要求，需要控制各房間的正壓風量。除塵系統(tǒng)送多少回多少，自身風量是平衡的。正壓風量就只與空調(diào)送回風量、排風量及房間的滲透風量有關(guān)。計算的方式則為：正壓風量=送風量-回風量-排風量。

正壓風量最后是通過余壓，造成對門窗等縫隙的滲透漏風而平衡的。從此意義上講，正壓風量=滲透風量。滲透風量有進有排，其差值其實就是正壓風量。

正壓風量可以加大或減少新風量來調(diào)節(jié)。按有關(guān)空調(diào)設(shè)計手冊，可以按正壓值選定一定的正壓換氣次數(shù)風量。按經(jīng)驗值，可按表1[4]：

表1 潔凈室正壓值與換氣次數(shù)（次/h）的關(guān)系

本類車間由于有原料及成品通道的二個叉車進出門，密封性能不大好，建議正壓風量適當放大，按2～3 次/h 為宜。

由于正壓值的控制要求，對風量的控制要求精準，需采用調(diào)節(jié)性能良好的調(diào)節(jié)閥、余壓閥等調(diào)節(jié)手段，同時根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗來看，房間的機械排風設(shè)置必不可少，對房間的正壓調(diào)試可以起到明顯的作用。這是因為正壓最低的風選間在內(nèi)區(qū)，多余的滲透風只有通過排風口滲透或機械排風排除?？孔匀粷B透，時間會很慢，機械排風會造成局部負壓，對風量可以快速調(diào)節(jié)。排風量一般按新風量的50%～80%選取，并考慮到過渡季節(jié)空調(diào)大新風運行時的情況，建議選用變頻風機。

正壓調(diào)試是在生產(chǎn)靜態(tài)下進行，動態(tài)生產(chǎn)時，由于原料通道及成品通道開啟，會造成正壓瞬間消失。

房間正壓值的控制是GMP 認證的基本要求，是防止交叉污染的氣流方向要求，關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)，應當引起重視。

6 關(guān)于生產(chǎn)車間噪聲的控制

生產(chǎn)車間生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生一定噪聲，主要是投料、風選、振動篩等，空調(diào)通風設(shè)備會產(chǎn)生一定的噪聲，除塵系統(tǒng)運行過程中也會產(chǎn)生噪聲，主要是風管風速過大產(chǎn)生的吹哨聲及風機的噪聲。噪聲疊加產(chǎn)生共振效應，實際噪聲值會達到85 dB(A)以上。按照國家標準《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》GB/T50087-2013，此類生產(chǎn)車間的噪聲標準是85 dB(A)。雖然工人生產(chǎn)過程中會佩戴耳塞之類的護耳設(shè)備，但長期在高噪聲環(huán)境下工作，對身心還是會有一定的影響的。因此有些業(yè)主方適當提高了這個標準，會在項目URS 中（URS:User Requirement Specification，即用戶需求說明，是指使用方對設(shè)備、廠房、硬件設(shè)施系統(tǒng)等提出的自己的期望使用需求說明，設(shè)計方依據(jù)這個需求等提出自己具體的方案，設(shè)備供應商依據(jù)客戶提供的URS 方案設(shè)計施工）要求這個噪聲值是80 dB(A)以下。采取綜合措施，如果能達到70～75 dB(A)，就更理想了。

前面說的車間噪聲的幾個主要因素中，生產(chǎn)線本身的噪聲無法避免?？照{(diào)通風系統(tǒng)可以設(shè)置消聲器等辦法，可以控制在70 dB(A)以內(nèi)。比較麻煩的是除塵系統(tǒng)的噪聲問題，除塵系統(tǒng)采取消聲措施還是比較少見的。難點在于以下兩點：

1）除塵風機的噪聲，雖然風量不是很大，但風壓很高，達到3000～4000 Pa，風機轉(zhuǎn)速達到2900 rpm，按這個工況選用的離心風機產(chǎn)生的噪聲值達到100 dB(A)以上。風機房可以做降噪處理，但風機噪聲還是會通過風管傳遞或共鳴共振傳到室內(nèi)。

2）除塵風管產(chǎn)生的再生噪聲，由于粉塵爆炸危險場所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)程AQ4273-2016 規(guī)范要求，除塵風管風速，要大于20 m/s，風速過高，本身就會產(chǎn)生風噪，尤其是除塵抽風口如果是銳角的話，會產(chǎn)生嚴重的吹哨聲。還有調(diào)節(jié)閥，開度很小的情況下，也會產(chǎn)生高頻的尖銳噪聲。

因此除塵系統(tǒng)應采取降噪措施。由于吸風段的含塵濃度高，風速高，不適合設(shè)置微孔結(jié)構(gòu)的消聲器。同時風機噪聲逆向通過吸風管把風機噪聲傳遞到車間的機率不大，吸風段可以不采取消聲措施。而回風段，噪聲會順風把風機噪聲傳遞到車間內(nèi)，如果風管的軟連接及支吊架處理不好，會引起共振傳遞。這段風管的粉塵濃度已很低，可以采用微孔結(jié)構(gòu)消聲措施。但仍含塵，消聲器有定期清灰的要求，消聲器要便于拆裝或更換。

消聲器的種類比較多，可以采用管道式、消聲彎頭、消聲靜壓箱等。除塵系統(tǒng)的風壓已經(jīng)很大了，消聲器的選擇要盡量選阻力小的，管道式消聲器或消聲彎頭，風速還是偏大，同時存在一個因風速過大的二次產(chǎn)塵的問題。建議選用消聲靜壓箱，其優(yōu)點：風速低阻力小，消聲效果高，便于清灰拆裝。由于消聲計算非常復雜，消聲靜壓箱的計算也很復雜，只能是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，消聲靜壓箱的制作示意見圖3。這種消聲靜壓箱采用了阻性與抗性相結(jié)合，實際工程情況表明，對高中頻的消聲降噪效果明顯（優(yōu)于消聲彎頭及管道式消聲器）。

圖3 8000 m3/h 風量消聲靜壓箱制作示意圖

7 其他值得注意及探討的問題

1）除塵系統(tǒng)在車間外的部分（包括除塵器及風機）均需要保溫，明裝在車間的部分可以不保溫。除塵風管采用不銹鋼制，以避免管道生銹產(chǎn)塵。

2）除塵吸風罩的密封形式對除塵風量及效果影響很大，生產(chǎn)設(shè)備自帶的除塵風口，有些沒很好的密封，有些沒有采用擴散口的形式，有些還是銳角，造成抽風風速過大，把物料帶走，同時也會造成吸風口的風哨聲。建議對密封方式改造優(yōu)化，對尖銳抽風口改造成喇叭口等有利氣流的形式。除塵點的風量一般按除塵罩口風速不大于0.6 m/s 計算。

3）除塵風機的選型：由于除塵系統(tǒng)的水力計算比較復雜，有時也難以計算準確，建議除塵風機采用變頻。也有利于生產(chǎn)過程中根據(jù)情況調(diào)整風量。

4）除塵系統(tǒng)的回風段，由于含塵濃度已很小，風速可以降低（8～10 m/s），這段管路應可以暗裝在吊頂。這個需要與規(guī)范編制人員或安監(jiān)部門交流溝通。

5）除塵系統(tǒng)、空調(diào)通風系統(tǒng)宜與生產(chǎn)線配套劃分，以便于使用過程中的靈活性。不宜采用大集中系統(tǒng)的方式，既不利于運行管理，也不好風量平衡。系統(tǒng)的控制集成，建議采用樓宇智能化來實現(xiàn)。

6）中藥飲片車間的管線復雜，除了除塵、通風及空調(diào)管道，還有排煙、真空吸塵、壓縮空氣、水電管線、消防管線、工藝管線等，很多管線需要維修調(diào)試，空調(diào)通風系統(tǒng)的閥門均布置在吊頂內(nèi)，因此，管線綜合很重要，同時吊頂空間應考慮上人檢修通道。

8 結(jié)論

綜合以上問題，中藥飲片車間的通風除塵空調(diào)的優(yōu)選方案，有如下要點：

1）按生產(chǎn)線及功能區(qū)劃分對應系統(tǒng)。

2）采用除塵排風回用的防爆高效濾筒除塵系統(tǒng)，避免直接排放。

3）采用露點送風一次回風組合式空調(diào)系統(tǒng),充分利用新風比的調(diào)節(jié)作用。

4）結(jié)合智能化精準正壓控制。

5）注意噪聲、保溫、檢修等問題控制。

中醫(yī)飲片生產(chǎn)車間的建設(shè)數(shù)量越來越多，選取一種節(jié)能高效的除塵、通風及空調(diào)多個系統(tǒng)有機結(jié)合的方案，對生產(chǎn)的保障越來越重要，也是從粗擴式發(fā)展模式向精細化、集約化管理的必然趨勢，對從業(yè)設(shè)計人員也是一個新的挑戰(zhàn)。