袋裝水泥車間粉塵擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

王祿龍

(南昌航空大學(xué) 330063)

袋裝水泥車間粉塵擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

王祿龍

(南昌航空大學(xué) 330063)

袋裝水泥包裝車間是水泥企業(yè)的重要產(chǎn)塵點之一，水泥包裝車間粉塵的控制尤為重要。文中以某袋裝水泥包裝車間為例，針對包裝作業(yè)典型生產(chǎn)工藝過程及布局，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研及檢測，采用數(shù)值模擬的方法，對該水泥包裝車間現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)粉塵分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得出現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)對粉塵控制效果較差；并提出兩種新的通風(fēng)方案，一種為同側(cè)上送下排，另一種為異側(cè)上送下排，運用FLUENT流體力學(xué)軟件模擬兩種通風(fēng)方案下氣流組織情況，模擬結(jié)果表明，預(yù)計同側(cè)上送下排的通風(fēng)方式能有效控制該車間的粉塵擴(kuò)散。

水泥粉塵；包裝車間；FLUENT；通風(fēng)

1 前言

我國正處于建材需求旺盛的時期，全國約有水泥生產(chǎn)企業(yè)5124家，接觸粉塵人數(shù)約20萬人，水泥塵肺病高發(fā)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，水泥生產(chǎn)過程中包裝作業(yè)是產(chǎn)生水泥粉塵較嚴(yán)重的一個環(huán)節(jié)，水泥包裝車間的通風(fēng)及除塵至關(guān)重要，實際生產(chǎn)過程中大多數(shù)水泥企業(yè)水泥包裝車間通風(fēng)系統(tǒng)存在設(shè)置不合理或者沒有設(shè)置等情況。本文以某水泥包裝車間為研究對象，對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了流場分析及粉塵擴(kuò)散分布的數(shù)值模擬分析，針對存在的問題提出了兩種通風(fēng)方案，并通過數(shù)值模擬分析研究了通風(fēng)方案的可行性。

2 水泥包裝車間概況

文中以某水泥企業(yè)為例，選取該水泥廠某袋裝水泥包裝車間進(jìn)行研究，該包裝車間內(nèi)有1臺八嘴回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)，生產(chǎn)能力為85t/h，每分鐘裝袋量約為30袋。該車間內(nèi)包裝機(jī)為半密閉負(fù)壓狀態(tài)，在包裝機(jī)出口有除塵系統(tǒng)，局部排塵罩收集袋裝水泥下落時產(chǎn)生的粉塵。通過現(xiàn)場觀測，皮帶處雖然有除塵措施，但除塵效果并不明顯，工作區(qū)域粉塵仍然是四處彌漫，影響作業(yè)人員身體健康。該水泥包裝車間示意圖如下，見圖1所示，其中廠房尺寸為長8m×寬8m×高5m，采取大門（長 2m，高 2.5m）處自然通風(fēng)，同時在塵源處有局部排塵罩，罩口尺寸0.65m×0.65m，兩面墻壁上有自然出風(fēng)口。

3 塵源參數(shù)及現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)粉塵分布

（1）塵源參數(shù)確定

該水泥包裝車間粉塵源設(shè)置為面射源，位于袋裝水泥包裝機(jī)包裝完成后經(jīng)運輸落到皮帶上方的區(qū)域，經(jīng)查閱文獻(xiàn)，由經(jīng)驗公式可以得到塵源處發(fā)塵量（kg/s）。

公式中：c為塵源處粉塵濃度，kg/s；V為塵源處風(fēng)速，m/s；A為塵源處斷面面積，m2。通過現(xiàn)場調(diào)研及檢測，塵源處粉塵濃度為42mg/m3，塵源處風(fēng)速為0.48m/s，塵源斷面面積取0.6m2，從而由上式計算得塵源處發(fā)塵量為1.21e-5kg/s。另外，經(jīng)計算粉塵的粒徑Rosin-Rammler分布為：最大直徑8e-5m，最小粒徑為e-6m，平均直徑為4e-6m，分散指數(shù)為1.27。

（2）現(xiàn)有通風(fēng)方式下粉塵分布情況

圖1 現(xiàn)有通風(fēng)方式粉塵滯留時間模擬結(jié)果

現(xiàn)有通風(fēng)方式下粉塵在車間內(nèi)滯留時間如圖 1所示，通過分析現(xiàn)有氣流組織和粉塵滯留時間可以發(fā)現(xiàn)，逸散的粉塵會被大門吹進(jìn)的氣流帶到工作區(qū)中部，并向兩個出風(fēng)口方向運動，其中大部分粉塵會在工作區(qū)中部長時間滯留，并且會被墻壁及地面吸附或在墻角等位置滯留，一部分粉塵會隨氣流從大門對側(cè)出風(fēng)口排出，極少的粉塵會隨氣流運動到另一出風(fēng)口，隨氣流排出，該出風(fēng)口排出的粉塵較少，流向該出風(fēng)口的部分氣流經(jīng)墻壁反彈后還會將粉塵吹向工作區(qū)域，使車間內(nèi)粉塵彌漫。

4 通風(fēng)方案及數(shù)值模擬結(jié)果分析

由以上氣流組織和粉塵擴(kuò)散分析可以看出，現(xiàn)有通風(fēng)方式設(shè)置不合理，針對粉塵產(chǎn)生位置及現(xiàn)場布置情況，可以考慮采用全面通風(fēng)。由于車間內(nèi)在皮帶上方粉塵濃度較大且塵源主要在皮帶上方，并且排風(fēng)口要盡量靠近有害物質(zhì)濃度較高的區(qū)域，同時考慮該行業(yè)特征及經(jīng)濟(jì)節(jié)約等條件，提出采用側(cè)送側(cè)排的氣流組織形式，出風(fēng)口設(shè)置在離皮帶較近的一側(cè)，送風(fēng)口一種情況位于出風(fēng)口同側(cè)，另一種情況位于出風(fēng)口對側(cè)，出風(fēng)口大小為4m×0.5m，送風(fēng)口大小為4m×0.25m，出風(fēng)口和送風(fēng)口離地面高度分別為0.5m和3.5m，出風(fēng)口為自由出口邊界，送風(fēng)口速度為2m/s，同時車間大門關(guān)閉，其他條件沒有變化。

（1）送風(fēng)口和出風(fēng)口均位于靠近污染源一側(cè)時，模擬結(jié)果如下：

圖2 送排風(fēng)口同側(cè)z=7m數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 送排風(fēng)口異側(cè)z=7m數(shù)值模擬結(jié)果

由圖2速度云圖可知：送風(fēng)口氣流以2m/s的速度進(jìn)入車間內(nèi)，剛吹入的氣流速度較大，在屋頂形成貼附現(xiàn)象，經(jīng)過一定距離不斷與周圍空氣作用速度逐漸減小，大概減小到1.0～1.1m/s，當(dāng)氣流碰撞墻壁后會產(chǎn)生回流，同時在送風(fēng)口射流影響下，射流區(qū)域周圍空氣也會具有一定速度，部分氣流會流向送風(fēng)口，由圖 2中z=7m平面上速度云圖可以看出氣流在車間內(nèi)呈順時針流動，在遠(yuǎn)離皮帶一側(cè)的車間中上方會形成渦流，但是該渦流離塵源較遠(yuǎn)，所以對塵源的影響不大。在車間頂部也會形成小的渦流區(qū)，由于該區(qū)域較小且風(fēng)速基本穩(wěn)定在0.1m/s左右，對粉塵運動影響不大。同時出風(fēng)口附近風(fēng)速約為0.4～0.6m/s，且離塵源較近，會對粉塵產(chǎn)生一定的控制風(fēng)速，使粉塵從出風(fēng)口排出，加之塵源處局部排風(fēng)罩的作用，預(yù)計此通風(fēng)方案對粉塵的控制效果較好。

（2）出風(fēng)口位于靠近污染源一側(cè)，送風(fēng)口位于對側(cè)時模擬結(jié)果如下：

由圖3中速度云圖可知：送風(fēng)口氣流以2m/s的速度進(jìn)入車間內(nèi)，剛吹入的氣流速度較大，在屋頂形成貼附現(xiàn)象，經(jīng)過一定距離不斷與周圍空氣作用速度逐漸減小，大概減小到0.8～1.1m/s，直到離壁面約2m時速度減小至0.4～0.6m/s范圍內(nèi)。當(dāng)射流到達(dá)對面壁面前，受到重力作用影響會有向下彎曲的現(xiàn)象，到達(dá)壁面后會沿壁面向下運動，此時的風(fēng)速約為 0.7m/s，當(dāng)?shù)竭_(dá)出風(fēng)口時，氣流會直接從出風(fēng)口排出，造成氣流短路，這樣就使送入的部分新鮮空氣從出風(fēng)口直接排出，氣流損失嚴(yán)重產(chǎn)生浪費，可見此通風(fēng)方案的不合理性。

5 結(jié)論及展望

通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬分析可知，文中選定的袋裝水泥包裝車間現(xiàn)場采取的通風(fēng)方式不合理，粉塵不能得到有效控制。在分析現(xiàn)場作業(yè)空間和考慮氣流組織選擇的原則基礎(chǔ)上，提出了兩種通風(fēng)方案，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析得出結(jié)論：送排風(fēng)口異側(cè)的通風(fēng)方案不合理，預(yù)計送排風(fēng)口同側(cè)且出風(fēng)口靠近皮帶一側(cè)的上送下排通風(fēng)方案能夠?qū)υ摪b車間粉塵控制起到較好的效果。由于現(xiàn)場作業(yè)條件較復(fù)雜，車間內(nèi)的積塵、設(shè)備運行及不同季節(jié)溫度等因素對水泥粉塵擴(kuò)散有一定影響，所以需考慮這些因素做進(jìn)一步研究。

[1]馬駿.水泥生產(chǎn)中粉塵危害與防治[J].勞動保護(hù),2014,(3):24-26.

[2]何偉明.水泥制造企業(yè)粉塵危害及防塵措施分析[J].建筑安全,2013,28(1): 70-76.

U453.5

B

1007-6344（2016）10-0007-01

王祿龍，男，貴州省黔南布依族苗族自治州人，大學(xué)本科，就讀于南昌航空大學(xué)。研究方向生產(chǎn)安全。