(華北科技學(xué)院 河北 廊坊 065201)

前言

我國正處于建材需求旺盛時(shí)期，國內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)較多，規(guī)模參差不齊。袋裝水泥的需求也依然居高不下[1]。水泥生產(chǎn)行業(yè)的主要職業(yè)危害因素為水泥粉塵，極易導(dǎo)致水泥塵肺。水泥包裝是水泥粉塵危害嚴(yán)重的工作環(huán)節(jié)之一[2]。國內(nèi)外對粉塵控制研究主要采用理論分析、數(shù)值模擬、相似實(shí)驗(yàn)等方法研究粉塵濃度分布規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在露天采礦、井下礦山作業(yè)面，對水泥包裝車間粉塵研究較少。[3]本文對水泥包裝車間內(nèi)部裝袋崗位處的大容積半密閉罩內(nèi)部氣流組織和粉塵濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，掌握半密閉罩內(nèi)部氣流組織狀況以及粉塵濃度分布狀況，為采取控塵措施提供參考，保障作業(yè)人員身體健康有著重要的意義。

一、裝袋崗位基本情況

該廠包裝車間0號(hào)包裝機(jī)回轉(zhuǎn)式包裝機(jī)，生產(chǎn)能力為120 t/h，轉(zhuǎn)速為6 r/min，是目前廣大水泥企業(yè)包裝環(huán)節(jié)經(jīng)常采用的典型設(shè)備。包裝機(jī)外圍加裝半密閉罩(3.4m×2.52m×2.55m)，罩內(nèi)形成負(fù)壓，利用抽吸作用達(dá)到抑塵和收集粉塵的目的，減少粉塵的逸散。但由于局部通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，罩內(nèi)插袋工人呼吸帶粉塵濃度仍然超標(biāo)，且逸散到整個(gè)車間造成大面積空氣污染。半密閉罩內(nèi)粉塵的主要來源于袋裝水泥從料嘴處掉落到皮帶時(shí)，從料嘴灑落的大量水泥塵。雖然包裝機(jī)下方有錐形倉進(jìn)行粉塵收集，但由于罩內(nèi)氣流組織不合理，造成粉塵在包機(jī)周圍地面沉積，并隨著包裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)彌漫在半密閉罩空間內(nèi)，見圖1，除塵效果欠佳，影響著工作人員的身體健康。

圖1 裝袋崗位現(xiàn)場圖

二、幾何建模與參數(shù)設(shè)置

(一)幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

為了便于與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，模擬原型按照1:1比例進(jìn)行三維建模，幾何模型的主體尺寸為3400mm×2520mm×2550mm，如圖2。入口處為自然進(jìn)風(fēng)處，包裝機(jī)底部為1號(hào)排風(fēng)口，右側(cè)罩壁有兩個(gè)排風(fēng)管口，分別是靠內(nèi)的排風(fēng)管口2和靠進(jìn)出口的排風(fēng)管口3。網(wǎng)格生成采用ICEM軟件，根據(jù)網(wǎng)格劃分需考慮的各方面因素，該半密閉罩幾何模型網(wǎng)格劃分時(shí)包含了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格這兩種類型的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格數(shù)為58007，將其導(dǎo)入fluent軟件，polyhedra將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成多面體網(wǎng)格，最終得到12393個(gè)網(wǎng)格，此轉(zhuǎn)換可以在不影響計(jì)算精度的情況下精簡網(wǎng)格數(shù)量。

圖2 幾何圖及網(wǎng)格劃分圖

(二)邊界條件及模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)測定，三個(gè)排風(fēng)口的風(fēng)速分別為 1.26 m/s、27.7 m/s、22.65 m/s，入口設(shè)為壓力入口邊界條件。壓力速度耦合方程為 SIMPLE，湍流動(dòng)能、擴(kuò)散率設(shè)為二階迎風(fēng)格式，流動(dòng)方程收斂標(biāo)準(zhǔn)為 10-3 等。

三、數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)車間高度和需要觀測的插袋工呼吸帶高度位置，選取三個(gè)不同的高度查看半密閉罩內(nèi)氣流組織情況(速度云圖和矢量圖模擬結(jié)果)，分別是z=900mm、z=1750mm及z=2200mm平面。

(一)氣流流場分析

觀察圖中z=1750mm(即插袋工人呼吸帶高度)速度云圖， 從入口處進(jìn)入1.45m/s的風(fēng)，工人有較大的吹風(fēng)感，塵源處、半密閉罩四角以及內(nèi)部(-x方向)另一半風(fēng)速較低，大概在0.5m/s左右，粉塵很容易被旋轉(zhuǎn)的包裝機(jī)帶動(dòng)彌漫在整個(gè)半密閉罩內(nèi)。對應(yīng)圖11的矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，入口左側(cè)角和右側(cè)墻角附近有兩個(gè)大漩渦，容易造成粉塵的聚集。左側(cè)旋渦產(chǎn)生原因?yàn)槿肟跉饬骱桶鼨C(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)的氣流以及低風(fēng)速所致，右側(cè)漩渦造成原因?yàn)槿肟诘娘L(fēng)速較低，而且3號(hào)排風(fēng)口的位置過低，無法對此處的氣流造成影響，2號(hào)排風(fēng)口雖然起作用，但由于包機(jī)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與排風(fēng)口作用的氣流方向相逆，氣流要克服包機(jī)自轉(zhuǎn)的影響，因此很容易造成漩渦。

觀察圖中z=900mm速度云圖可以看到，入口處附近風(fēng)速在0.95m/s -1.95m/s之間，入口右側(cè)無漩渦，原因是3號(hào)排風(fēng)口發(fā)揮作用，并且速度較大。而在內(nèi)部(-x方向) 靠近2號(hào)排風(fēng)口側(cè)，有漩渦。一方面此處風(fēng)速較小，0.25m/s左右的風(fēng)速，3號(hào)排風(fēng)口偏向X軸正方向，對包機(jī)后部的氣流改善較小,由于1號(hào)排風(fēng)口風(fēng)速較小，底部也容易聚集灰塵。

觀察圖中z=2200mm速度云圖可以看到高處風(fēng)速較低，大概在0.34 m/s -1 m/s左右,對應(yīng)速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場通風(fēng)方式使得入口部分氣流在插袋處附近造成了渦流，使得插袋處上方容易造成粉塵聚集，工作區(qū)大部分風(fēng)速在0.4 m/s左右，風(fēng)速較小。

圖3 Z=1750 mm時(shí)速度云圖

圖4 Z=1750 mm時(shí)速度矢量圖

圖5 Z=900mm時(shí)速度云圖

圖6 Z=900 mm時(shí)速度矢量圖

圖4 Z=2200mm時(shí)云圖

圖8 Z=2200 mm時(shí)矢量圖

(二)粉塵分布規(guī)律

同樣的，選取了3個(gè)特定截面來進(jìn)行討論，即在呼吸帶高度z=1750mm和低于呼吸帶高度的z=900mm、高于呼吸帶高度的z=2200mm，觀察其粉塵濃度分布情況。

從三個(gè)截面分析可以看出，呼吸帶高度z=1750mm處粉塵濃度隨氣流運(yùn)動(dòng)，主要集中在塵源處、半密閉罩四角以及內(nèi)部(-x方向)，最高濃度達(dá)到200 mg/m3。在插袋工人工作區(qū)最高濃度可達(dá)80 mg/m3，入口兩側(cè)墻角濃度較高，是由于其渦流造成的。而且，在包裝機(jī)后方粉塵分布混亂，可以明顯看到粉塵在包裝機(jī)左后方會(huì)有積聚，且濃度都高達(dá)90 mg/m3以上。

z=900mm處，同樣可以明顯看到粉塵在包裝機(jī)后方會(huì)有積聚，且濃度都高達(dá)100 mg/m3左右。而由于3號(hào)排風(fēng)口的作用，塵源處的粉塵濃度比呼吸帶高度降低，最高濃度達(dá)20 mg/m3。工人作業(yè)區(qū)附近濃度在3 mg/m3-5 mg/m3之間，這是由于1號(hào)和3號(hào)排風(fēng)口的作用以及氣流組織較好的緣故。

在z=2200mm處，粉塵主要集聚在入口左上角，濃度在200 mg/m3以上，隨著包裝機(jī)自轉(zhuǎn)帶動(dòng)的氣流的影響，粉塵大多在整個(gè)罩內(nèi)上方彌漫，加之上方風(fēng)速較小，渦流較多，很容易造成粉塵的滯留。

圖9 水泥粉塵分布云圖

四、結(jié)論

現(xiàn)有通風(fēng)方式下，從入口流入的氣流，在現(xiàn)有半密閉罩結(jié)構(gòu)及人機(jī)布置情況下，會(huì)在四角和工人插袋作業(yè)附近形成渦流，同時(shí)，運(yùn)輸皮帶運(yùn)輸水泥方向正好迎著大門氣流流入方向，會(huì)把運(yùn)輸皮帶上方的粉塵吹回半密閉罩內(nèi)部，粉塵在渦流區(qū)和墻角等位置滯留，此外，從入口右側(cè)流入的部分氣流，會(huì)較快的從排風(fēng)口3吸走，使車間內(nèi)氣流產(chǎn)生短路。

在靠近塵源處、半密閉罩四角以及內(nèi)部(-x方向)粉塵濃度較高，粉塵在不同高度都存在不同程度的粉塵積聚，粉塵擴(kuò)散規(guī)律主要包括三個(gè)方面：大部分粉塵在包裝機(jī)后方及墻角滯留區(qū)和罩內(nèi)渦流區(qū)域積聚；少部分粉塵會(huì)在氣流控制下，隨氣流從3處排風(fēng)口排出。

在現(xiàn)場測的數(shù)據(jù)顯示，測點(diǎn)在入口右側(cè)偏下部位，在Z=900mm附近，粉塵濃度為18.55 mg/m3，而模擬的結(jié)果顯示濃度為20 mg/m3左右，基本符合實(shí)測結(jié)果。