周華鑫 王文遠(yuǎn)

悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 北京 100013

1 粉塵顆粒流特性

工業(yè)散狀物料在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程時(shí)的產(chǎn)塵主要發(fā)生在下落和碰撞過(guò)程中，因此明確散狀物料的流動(dòng)規(guī)律和粉塵控制的現(xiàn)狀十分重要。散狀物料在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中會(huì)卷吸空氣進(jìn)入到顆粒內(nèi)部使其膨脹，同時(shí)物料中包含的一些細(xì)小顆粒受到空氣的作用力脫離主流形成粉塵。為了控制粉塵對(duì)工人的影響，需要對(duì)散狀物料在下落過(guò)程和碰撞時(shí)流態(tài)變化規(guī)律和卷吸空氣特性進(jìn)行詳細(xì)研究[1-3]。

1.1 卷吸空氣量特性的研究

控制粉塵需要對(duì)卷吸空氣量進(jìn)行深入研究。Hemeon教授[4]對(duì)單顆粒在靜止空氣中所受到阻力做的功進(jìn)行假設(shè)，得到卷吸空氣量的計(jì)算公式。之后，許多學(xué)者基于Hemeon 研究基礎(chǔ)深入研究；Tooker 引進(jìn)卷吸系數(shù)，Cooper 對(duì)粗、細(xì)顆粒進(jìn)行研究得到半經(jīng)驗(yàn)公式。Glutz[5]用氧化鋁粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出Cooper 模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合，可用來(lái)模擬氧化鋁粉在自由下落過(guò)程中卷吸空氣量的變化。Ogata 則基于k- ε 方程，用數(shù)值模擬分析從圓形孔口落下的玻璃物料，給出了在Re＜500 時(shí)的卷吸空氣量半經(jīng)驗(yàn)公式。Uchiyama[6]利用二維渦方法對(duì)條縫出流非定常顆粒流分析得出二維渦模型對(duì)于開(kāi)放、無(wú)邊界靜止的環(huán)境空氣自由下落微粒流特性模擬具有較好效果，但該方法難以追蹤顆粒軌跡。劉澤勤用細(xì)顆粒分析得出Cooper 模型更符合實(shí)際，用方程求解得到卷吸空氣量，但依舊受到卷吸系數(shù)影響。Esmaili[7]等使用高速攝像儀和圖像分析工具擴(kuò)展了Cooper 和Arnold 提出的概念，根據(jù)體積守恒定律給出卷吸空氣量經(jīng)驗(yàn)公式。楊宏剛[8]用DPM模型求解了自由下落顆粒羽流卷吸空氣量，并與Cooper、Liu ZQ 和Ogata 等人模型在計(jì)算條件相同下的卷吸空氣量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)擬合度非常高。

1.2 顆粒流流動(dòng)特性和粉塵逸散的研究

為探索散狀物料顆粒流流動(dòng)變化規(guī)律和粉塵逸散規(guī)律，需要對(duì)其自身和過(guò)程特性進(jìn)行準(zhǔn)確把握，以求對(duì)在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的粉塵污染問(wèn)題有所幫助。Ogata[9]等使用激光多普勒測(cè)速儀研究了氣體射流的質(zhì)量流率和軸向速度截面下落高度的影響，得出顆粒流速度大于單個(gè)顆粒在空氣中速度，與質(zhì)量流量成正比；Uchiyam 采用二維渦和三維渦方法研究了顆粒直徑對(duì)顆粒和空氣速度分布影響，得出卷吸空氣流動(dòng)速率也與下落高度成正比。Ansart[10]等使用高速攝像機(jī)和透光率技術(shù)來(lái)研究下落物料的顆粒濃度、氣流速度分布以及顆粒流的粒徑分布，認(rèn)為粒徑與顆粒流擴(kuò)散程度呈反比，下落高度與顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度呈反比，但是擴(kuò)散的速度與顆粒軸心速度呈正比。Z.Zeren[11]等使用顆粒間摩擦粘性模型來(lái)模擬自由下落顆粒從筒倉(cāng)下落，并得出筒倉(cāng)出口處的平均質(zhì)量流量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本一致。Plinke[12]等研究發(fā)現(xiàn)影響粉塵產(chǎn)生的主要因素是散狀物料性質(zhì)、落料速度、落料下落高度、含濕量以及落料顆粒的粒徑分布。Liu[13]對(duì)不同曲率落料導(dǎo)流板進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著曲率增大，粉塵的量先減少后變大，可以找到最小粉塵量的曲率。張桂芹[14]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著空氣濕度的增加，PM10 產(chǎn)生量降低；顆粒流隨下落高度的增加擴(kuò)散面積增大；顆粒粒徑越小，顆粒的擴(kuò)散面積越大。劉琳[15]以一個(gè)工程概況為實(shí)例對(duì)低位料倉(cāng)汽車卸料產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行分析，對(duì)捕集罩的形式、排風(fēng)口位置以及捕塵罩與塵源點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。蔣仲安[16]理論分析了沖擊氣流的產(chǎn)生及流動(dòng)過(guò)程，對(duì)比分析不同模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證DPM 的準(zhǔn)確性和適用性。

Wang[17]等研究了不同流態(tài)特性對(duì)粉塵擴(kuò)散的影響，并利用DPM- CFD 以斜面上下落顆粒流作為研究對(duì)象，得出斜面出流顆粒流在下落時(shí)，隨下落高度增加空氣速度先增后減，且顆粒流周圍有渦流出現(xiàn)。王洪勝[18]以某選煤廠動(dòng)篩車間為研究背景，依據(jù)氣固兩相流理論，分析研究吸塵罩安裝位置及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粉塵治理的影響，得到氣流及粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡基本吻合，粉塵軌跡有滯后，吸塵罩加裝位置不受膠帶運(yùn)輸速度影響，只取決于氣流運(yùn)動(dòng)軌跡及粉塵滯后距離，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)密閉通風(fēng)除塵實(shí)例，驗(yàn)證了所建模型的科學(xué)性。李小川[19]提出在皮帶尾部的揚(yáng)塵是轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)最主要的產(chǎn)塵源, 隨后以半封閉轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)為研究對(duì)象，利用π 定理研究了轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)落料誘導(dǎo)氣流非線性變化影響因素，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)落料產(chǎn)生的誘導(dǎo)空氣量不僅受物料質(zhì)量流量影響，也與密閉罩總阻力系數(shù)有關(guān)。賈蘭[20]運(yùn)用數(shù)值模擬，探究了露天礦回填過(guò)程中誘導(dǎo)氣流風(fēng)速對(duì)粉塵顆粒運(yùn)移逸散規(guī)律；張桂芹、呂太、馬云東[21-22]對(duì)誘導(dǎo)氣流揚(yáng)塵進(jìn)行研究，李小川[23]對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流大小及其影響因素進(jìn)行分析。張興華[24]采用量綱分析法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流的計(jì)算模型，得出轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)物料的給料量和落料高差是影響誘導(dǎo)風(fēng)量的因素。

2 粉塵濃度的監(jiān)測(cè)技術(shù)

近幾十年來(lái)，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多不同原理粉塵濃度測(cè)量，如濾膜稱重法、β 射線法、壓電法、微量震蕩天平法、電荷感應(yīng)法、光散射法、光吸收法[25-26]。

2.1 粉塵濃度監(jiān)測(cè)常用的方法

粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀主要分為粉塵采樣器、光散射式粉塵測(cè)試儀、β 射線測(cè)試儀、微量振蕩天平測(cè)試儀。其中粉塵采樣器所測(cè)粉塵濃度準(zhǔn)確、可靠，被定為粉塵濃度測(cè)試基準(zhǔn)方法，但該方法繁瑣，不能及時(shí)做出響應(yīng)。后三種是直讀式儀器，校正后可快速讀取粉塵濃度，及時(shí)反映環(huán)境粉塵污染情況，被廣泛應(yīng)用于礦井、環(huán)境空氣中粉塵濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)[27]。粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀性能比較見(jiàn)表1。

表1 粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀性能比較

2.2 常用方法的應(yīng)用

（1）濾膜稱重法：發(fā)展歷史最長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展了自動(dòng)等速取樣裝置：如S 型便攜式采樣器、FC- 2B 型粉塵采樣器以及DF- 3 型雙頭粉塵采樣[28]。

（2）光散射式粉塵測(cè)試儀：技術(shù)比較成熟，趙政使用粉塵濃度GP2Y1010AU0F 傳感器設(shè)計(jì)了一款粉塵濃度檢測(cè)裝置，實(shí)驗(yàn)表明，該裝置成本低廉，功能可靠，性價(jià)比以及實(shí)用價(jià)值都很高[29]。

（3）β 射線測(cè)試儀：由于存在放射性輻射源，易產(chǎn)生輻射泄露，使用者較少，白曉亮使用了PMS- 200 顆粒物采樣器與β 射線法顆粒物在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比測(cè)定環(huán)境中PM10 質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差低于±10%[30]。

（4）微量振蕩天平測(cè)試儀：現(xiàn)在應(yīng)用較多的是是PDM3600 系列的個(gè)人呼吸性粉塵監(jiān)測(cè)裝置，受環(huán)境因素影響較大，不適合連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3 生產(chǎn)性粉塵國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)定

（1）原理：總粉塵濃度用已知質(zhì)量濾膜采集，由濾膜的增量和采氣量，計(jì)算出空氣中總粉塵的濃度；呼吸性粉塵濃度是空氣中粉塵通過(guò)預(yù)分離器，分離出的呼吸性粉塵顆粒采集在已知質(zhì)量的濾膜上，由采樣后的濾膜增量和采氣量，計(jì)算出空氣中呼吸性粉塵的濃度。

（2）步驟：總粉塵分為濾膜準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)采樣、樣品運(yùn)輸和保存、樣品稱量、濃度計(jì)算，呼吸性粉塵在濾膜準(zhǔn)備后增加了預(yù)分離器準(zhǔn)備。

（3）濃度計(jì)算公式：

以上的方法為測(cè)量空氣中總粉塵和呼吸性粉塵的基本方法，若使用其他儀器或方法測(cè)定粉塵質(zhì)量濃度時(shí)，需要以本方法為基準(zhǔn)。

4 討論與建議

（1）雖然研究者對(duì)粉塵的產(chǎn)生進(jìn)行大量研究，并對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分階段分析，但都是對(duì)其中某一階段進(jìn)行研究獲得除塵結(jié)果，產(chǎn)塵機(jī)理方面的深入研究尚需探討。

（2）顆粒流下落過(guò)程的擴(kuò)散受到顆粒流與接觸面的碰撞時(shí)的顆粒流的運(yùn)動(dòng)、顆粒流速度、含塵氣流流速與流向等多因素的影響，因此明確粉塵擴(kuò)散規(guī)律，以求提出準(zhǔn)確的粉塵控制策略，對(duì)粉塵進(jìn)行高效控制。

（3）對(duì)實(shí)際工藝的針對(duì)性較弱，并且在現(xiàn)實(shí)工程中，顆粒運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，缺乏應(yīng)用的廣泛性。