孟曉靜,劉秦昱,楊宏剛,王會生

(1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西部綠色建筑國家重點實驗室,陜西 西安 710055)

0 引言

工業(yè)廠房生產(chǎn)過程中常伴有高溫和大量粉塵,嚴重危害作業(yè)人員的生命及財產(chǎn)安全。研究表明,高溫及粉塵對上頜竇的病變有著明顯影響,且隨著接觸時間的延長而增加[1]。吸入過量濃度的PM2.5、PM10會導(dǎo)致腦梗死和急性冠脈綜合征的患病風(fēng)險大幅增加[2],并且粉塵經(jīng)高溫加熱后還會灼傷呼吸道,誘發(fā)肺部衰竭[3]。為避免勞動者因過度接觸粉塵而影響健康,我國衛(wèi)健委頒布的職業(yè)衛(wèi)生標準《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第一部分:化學(xué)有害因素》[4]制訂了總塵和呼塵的容許濃度。因此,控制各類粉塵濃度對減少粉塵危害具有重要意義。

噴霧降塵是指液態(tài)霧粒與粉塵相互作用的過程,通過慣性碰撞、重力沉降、布朗擴散及靜電吸附等機理對粉塵進行抑制,從而達到降低粉塵濃度的目的[5]。張安明等[6]對高壓噴霧降塵的原理進行了闡述,發(fā)現(xiàn)高壓噴霧能使霧粒速度更高且粒徑更小,降塵效率也更高。Prostański[7]研究了氣-水二相流的降塵機理,對二相流混合降塵系統(tǒng)進行了優(yōu)化,使降塵效果提升約90%。劉夢紅等[8]通過對旋流離心噴嘴的結(jié)構(gòu)進行研究,發(fā)現(xiàn)液滴的直徑隨噴嘴孔徑的減小而減小,過大的噴嘴孔徑不利于降塵效率的提升。楊桐等[9]建立了高壓噴霧降塵系統(tǒng)模型,分析確定了綜放工作面采煤機高壓噴霧降塵最優(yōu)參數(shù),使優(yōu)化后的采煤機司機處降塵效率提升至97.18%。NIE W 等[10]以采煤機工作產(chǎn)塵現(xiàn)場為研究對象,采用正交試驗方法對噴霧場中的噴霧壓力、噴嘴收縮距離、噴嘴數(shù)量賦不同的權(quán)重值,計算得出降塵效率最優(yōu)的采煤場噴霧降塵系統(tǒng)布置方法。王晉[11]通過噴霧降塵試驗研究了不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)噴嘴的霧化特性,試驗結(jié)果表明:當噴嘴壓力為8 MPa時,其對巷道煤塵的降塵效果較好。丁厚成等[12]運用CFD 模擬,優(yōu)化了振弦柵與高壓噴霧協(xié)同作用下除塵特性參數(shù),發(fā)現(xiàn)了進口風(fēng)速為3 m/s時振弦柵表面形成水膜效果最佳,更有利于粉塵捕集。

近年來,由于噴霧降塵技術(shù)存在耗水量高、降塵效率低等問題,有學(xué)者對噴霧降塵技術(shù)進行了改進。荊德吉等[13]提出了多層螺旋霧幕的除塵方式,通過試驗驗證其效果明顯優(yōu)于自然降塵與傳統(tǒng)噴霧,進行3 min噴霧后可將濃度470 mg/m3左右的粉塵降到4 mg/m3以下。WANG Y P等[14]提出了改良噴霧液滴表面張力的方法,對影響噴霧效果的壓力因素進行分析,提出提高霧化效果和降塵效率的方法。WANG H T 等[15]通過試驗對比了自來水、磁化水、添加表面活性劑的溶液的不同液滴霧化粒徑,發(fā)現(xiàn)使用磁化后的表面活性劑溶液作為降塵溶液的效率最高。

目前噴霧降塵研究多針對煤炭及采礦行業(yè),較少涉及密閉高溫環(huán)境中噴霧降塵效果的研究。隨著大氣污染物綜合排放標準的不斷提高,工業(yè)廠房的密閉性越來越好,密閉高溫環(huán)境下噴霧系統(tǒng)降塵效果是值得研究的課題。本文通過搭建密閉高溫環(huán)境和噴霧系統(tǒng)降塵試驗平臺,研究噴嘴孔徑、噴霧時間及熱源溫度對各類粉塵降塵效果的影響,可為噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 試驗

1.1 試驗平臺搭建

在西安建筑科技大學(xué)安全工程實驗室搭建了密閉高溫環(huán)境和噴霧系統(tǒng)降塵試驗平臺,如圖1所示,試驗平臺由密閉高溫環(huán)境試驗腔體、噴霧系統(tǒng)、粉塵發(fā)生系統(tǒng)、粉塵監(jiān)測系統(tǒng)四部分組成。

圖1 試驗平臺

密閉加熱試驗艙由長1.5 m、寬0.9 m、高1.6 m的彩鋼板搭建而成,壁板隔熱絕緣,側(cè)壁有開孔通入氣溶膠模擬粉塵并接入粉塵監(jiān)測系統(tǒng)。熱源為底部放置的加熱功率為2000 W 的封閉式加熱爐,通過改變熱源溫度模擬不同的高溫環(huán)境。噴霧系統(tǒng)包括水箱、軟管、水泵、閥門、噴嘴,水泵采用水壓0.4 MPa微型高壓泵,經(jīng)測量單個噴嘴固定在1.6 m 高度處的噴霧覆蓋直徑約為0.6 m,使用兩個噴嘴可覆蓋試驗艙大部分除塵區(qū)域,增加噴嘴數(shù)量反而會造成液滴團聚,不利于提升除塵效率。因此,依照不同工況依次選用兩個0.2 mm、兩個0.3 mm、兩個0.4 mm 孔徑的快速可拆卸式噴嘴,其流量經(jīng)稱重法測量后單個噴嘴流量按0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm 孔徑的依次為20 m L/min、35 m L/min、80 m L/min,噴嘴固定在艙內(nèi)1.6 m 高度處。艙內(nèi)經(jīng)噴嘴形成的實心錐型液滴群分布均勻,經(jīng)測量噴嘴霧化錐角為60°。粉塵發(fā)生系統(tǒng)由空氣壓縮機與氣溶膠發(fā)生器組成,空壓機選用功率為1500 W、壓縮容積為15 L的無油空壓機。采用癸二酸二異辛酯模擬施工現(xiàn)場的粉塵,癸二酸二異辛酯無色無毒,沸點為256℃,在高溫環(huán)境下不易蒸發(fā),且不溶于水,沸點為220～240℃,與建筑施工現(xiàn)場粉塵物性相似,經(jīng)空壓機加壓噴出后的氣溶膠粒徑均勻分布在2.5～100μm 之間。選用國產(chǎn)LD-5M 型激光粉塵多粒徑檢測儀,其基于RS485總線傳輸技術(shù)和利用激光散射原理測量粉塵濃度,儀器量程為0.001～100 mg/m3,精度為0.001 mg/m3,對艙內(nèi)TSP、呼塵、PM10及PM2.5進行實時監(jiān)測。選用TR-72nw 雙通道溫濕度記錄儀實時記錄艙體內(nèi)部溫濕度,儀器溫度量程為0～55℃,相對濕度測量量程為10%～95%,相對誤差小于10%。

1.2 試驗過程及測點布置

為保持密封艙內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,試驗過程中門窗關(guān)閉,不考慮粉塵從艙體內(nèi)部逸散及室外氣象參數(shù)和熱交換對密封艙內(nèi)環(huán)境的影響。試驗開始前15 min打開密閉電爐,用來模擬密閉高溫環(huán)境。待艙內(nèi)溫度及濕度環(huán)境穩(wěn)定后,打開空壓機加壓到指定起始壓力6 MPa后,開啟氣溶膠發(fā)生器閥門,通入粉塵。待空壓機壓力下降至4 MPa時,通入粉塵結(jié)束。靜置1 min,待艙內(nèi)氣流穩(wěn)定,開啟噴霧系統(tǒng),同時開始記錄數(shù)據(jù)。噴霧系統(tǒng)工作5 min后關(guān)閉,每隔1 min記錄一次艙內(nèi)粉塵濃度及溫度、濕度。

試驗測點參考《工作場所中粉塵測定第1部分:總粉塵濃度》(GBZ/T 192.1—2007)[16]和《工作場所中粉塵測定第2部分:呼吸性粉塵濃度》(GBZ/T 192.2—2007)[17],粉塵監(jiān)測點選擇在試驗艙側(cè)壁開孔S1,參考工人坐姿時平均口鼻高度,垂直測點高度為0.85 m,為減小誤差,在密閉試驗艙內(nèi)部垂直高度0.3 m 及1 m 處分別選取兩個溫濕度測點S2、S3,如圖1所示,試驗后取其溫度、濕度數(shù)據(jù)平均值進行記錄。

通過改變噴嘴孔徑、噴霧時間、熱源溫度參數(shù),記錄開啟噴霧降塵系統(tǒng)后密閉高溫環(huán)境內(nèi)部各粒徑粉塵的濃度變化情況,進而研究不同噴霧參數(shù)對降塵效率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴孔徑對降塵效果的影響

在熱源溫度為350℃的條件下,研究噴嘴孔徑為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm 時噴霧系統(tǒng)對密閉高溫環(huán)境的降塵效果。圖2為不同噴嘴孔徑下噴霧5 min試驗艙內(nèi)總塵、呼吸性粉塵(以下簡稱呼塵)、PM10、PM2.5濃度的變化規(guī)律。

圖2 不同噴嘴孔徑下的粉塵濃度變化情況

從圖2可以看出,噴嘴孔徑對不同類型粉塵的影響規(guī)律不同。噴嘴孔徑越大,總塵的降塵幅度越大,如圖2(a)所示。當噴霧5 min時,總塵降塵幅度可達到8897μg/m3。圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)顯示,呼塵、PM10、PM2.5的降塵幅度隨著噴嘴孔徑的減小而增大,當噴嘴孔徑為0.2 mm 時,降塵幅度達到最大值,分別為3227μg/m3、4517μg/m3、1588 μg/m3。考慮到每次進行試驗時粉塵起始濃度有所不同,采用粉塵濃度下降幅度不能完全反映噴霧降塵的效果,因此引入降塵效率反映降塵效果:

圖3為不同孔徑噴嘴下噴霧5 min后降塵效率的變化規(guī)律。從圖3可以看出,總塵的降塵效率隨著噴嘴孔徑的增大而增大,這是因為噴嘴孔徑越大,噴霧量就越大。當噴嘴孔徑為0.4 mm 時,噴霧系統(tǒng)對總塵的降塵效率達到最大值90.92%。由噴嘴參數(shù)說明可知,在本試驗采用0.4 MPa固定水泵壓力作用下,當噴嘴孔徑為0.4 mm 時,噴射液滴粒徑范圍在35μm 左右,由于噴嘴孔徑越大,單位體積內(nèi)的噴霧量也就越大,增加了液滴與粉塵發(fā)生碰撞的概率,因此使用0.4 mm 孔徑噴嘴對總塵的降塵效果最好。呼塵、PM10、PM2.5的降塵效率隨著噴嘴孔徑的減小而增大,當噴嘴孔徑為0.2 mm 時,降塵效率達最大值,分別為93.43%、93.37%、90.28%。這是因為噴嘴孔徑越小,噴射液滴粒徑范圍越小。當噴嘴孔徑為0.2 mm 時,噴射液滴粒徑范圍在10～15 μm,與呼塵、PM2.5、PM10的粒徑接近。當粉塵粒徑與液滴粒徑相差過大時,液滴僅會在粉塵顆粒周圍進行繞行作用,只有當粉塵粒徑與液滴粒徑接近時,液滴顆粒才會與粉塵顆粒進行貼附碰撞沉降,因此根據(jù)工作場所粉塵粒徑范圍選取合適的噴嘴孔徑,可以提升噴霧降塵效果。

圖3 不同孔徑噴嘴對降塵效率的影響

2.2 噴霧時間對降塵效率的影響

在熱源溫度為350℃的條件下,噴嘴孔徑為0.2 mm 時,研究噴霧時間為1 min、3 min及5 min時噴霧系統(tǒng)對密閉高溫環(huán)境的降塵效果。圖4為不同噴霧時間作用下總塵、呼塵、PM10、PM2.5濃度的變化規(guī)律。

圖4 不同噴霧時間的粉塵濃度變化情況

由圖4可知,降塵幅度均隨著噴霧時間的增大而增大,不進行噴霧時自然沉降作用下的降塵幅度明顯較低。進行5 min噴霧后,總塵降塵幅度相較于不進行噴霧作業(yè)提升幅度最為顯著,濃度下降了6920μg/m3。其中圖4(d)顯示PM2.5的降塵幅度隨著噴霧時間的增加并未持續(xù)增加,當進行1 min噴霧后,PM2.5的降塵幅度已達到最大值1068 μg/m3。

圖5顯示了不同噴霧時間的降塵效率變化情況,不進行噴霧時自然沉降作用下降塵效率較低。由圖5可知,總塵、呼塵、PM10的降塵效率隨著噴霧時間的增加而增大,其中進行5 min噴霧后,PM10的降塵效率達到最高值81.05%。進行5 min噴霧后,相較于不進行噴霧作業(yè),呼塵的降塵效率提升幅度最為顯著,達到52.78%。由溫濕度傳感器測量數(shù)據(jù)可得,持續(xù)噴霧5 min后,艙內(nèi)相對濕度增加了31%。由于噴霧時間的增加,艙內(nèi)濕潤的空氣加強了液滴與粉塵顆粒物的惰性凝結(jié)作用,塵粒被液滴濕潤后質(zhì)量增加,加強了顆粒物的重力沉降作用,使降塵效率得到了提升。

圖5 不同噴霧時間的降塵效率

其中PM2.5的降塵效率隨著噴霧時間的增加并未持續(xù)增加,而是出現(xiàn)了先降低至69.43%后增加到75.21%的變化趨勢。當進行1 min 噴霧后,PM2.5的降塵效率已到達最大值75.60%。這是由于PM2.5在上述粉塵類型中平均粒徑最小,延長噴霧時間會使液滴發(fā)生凝聚作用,液滴粒徑遠超PM2.5,導(dǎo)致液滴與粉塵粒徑相差過大,液滴對粉塵做繞行運動而非直接進行碰撞,反而不利于提升降塵效率。因此對于PM2.5,選擇1 min噴霧時間即可獲得最佳降塵效果,無須繼續(xù)延長噴霧時間。

2.3 熱源溫度對降塵效率的影響

在噴嘴孔徑為0.2 mm,噴霧5 min的條件下,研究熱源溫度為300℃、350℃、400℃時噴霧系統(tǒng)對密閉高溫環(huán)境的降塵效果。圖6為不同熱源溫度噴霧5 min試驗艙內(nèi)總塵、呼塵、PM10、PM2.5濃度的變化規(guī)律。

圖6 不同熱源溫度下粉塵濃度變化

如圖6所示,降塵幅度隨著熱源溫度的升高而降低,這是因為熱源溫度越高,噴霧液滴的蒸發(fā)量越大。當熱源溫度為300℃,噴霧5 min時,降塵幅度達到最大值,總塵、呼塵、PM10、PM2.5分別為6571μg/m3、1783μg/m3、3186μg/m3、851μg/m3。

圖7為降塵效率隨熱源溫度的變化趨勢,各類型粉塵的降塵效率隨著熱源溫度的增大而減小。當熱源溫度為300℃時,降塵效率達最大值,總塵、呼塵、PM10、PM10.5 分別為86.53%、74.85%、77.67%、73.42%。其中PM2.5降塵效率受熱源溫度變化影響最大,當熱源溫度由300℃上升至400℃時,降塵效率下降了19.08個百分點。由溫濕度傳感器測量數(shù)據(jù)可得,當熱源溫度為300℃時,艙內(nèi)溫度為35.3℃,提高熱源溫度至400℃時,環(huán)境溫度上升了約6℃,達到41.3℃。由于熱源溫度的升高,熱源溫度與密封艙內(nèi)環(huán)境溫度差增大,當粉塵從噴口噴出后迅速與周圍熱空氣進行熱交換,此時粉塵除受自身重力作用外,還受到熱羽流向上的曳力作用。熱源溫度越高,顆粒物受熱羽流向上的曳力越強,粉塵將更容易飄浮在高溫氣流中,因此受重力沉降的效果也就越差。同時熱源溫度越高,相對濕度也越低,這表明高溫會加速蒸發(fā)空氣中的液滴,使得單位體積內(nèi)的液滴密度降低,數(shù)量減少,液滴還未與粉塵發(fā)生碰撞捕集作用就已經(jīng)蒸發(fā),削弱了液滴通過慣性碰撞捕塵的效率。

圖7 不同熱源溫度下的降塵效率

3 結(jié)論

本文研究了密閉高溫環(huán)境下噴霧系統(tǒng)對各類粉塵的降塵效果,分析了不同噴嘴孔徑、噴霧時間、熱源溫度對降塵效果的影響,得到了以下結(jié)論。

(1)噴嘴孔徑越小,對呼塵、PM10和PM2.5的降塵效果越好,而噴嘴孔徑越大,對總塵的降塵效果越好,使用0.4 mm 孔徑的噴嘴,總塵的降塵效率達到最大值90.92%。

(2)總塵、呼塵、PM10的降塵效率隨著噴霧時間的增加而增大。對于PM2.5,增加噴霧時間對降塵效率的提升較不明顯,進行1 min噴霧時,降塵效率達到最大值75.60%。

(3)噴霧降塵效率隨著熱源溫度的升高而降低,熱源溫度越高,粉塵受熱羽流作用越強,受重力沉降作用越差。同時熱源溫度越高,會使噴霧液滴蒸發(fā)量增大,削弱了液滴通過碰撞捕塵的效率。