石棉破碎車間粉塵質量濃度分布的數值模擬及實測*

時訓先，鄧權龍，蔣仲安，陳　兵

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0　引言

石棉材料具有耐熱、抗拉、絕緣等良好的特性，被廣泛應用于工業制造中[1]。然而，在石棉礦選礦過程中容易產生大量石棉粉塵污染，歐美等一些西方發達國家都禁止采用石棉材料，但是我國目前仍然是石棉使用大國之一[2]。石棉選礦工藝主要包括：破碎、篩分、除砂、除塵等，其中破碎作為石棉礦選礦工藝的重要環節之一，主要任務是將塊狀礦石進行機械破碎，達到工藝要求的粒度后，進入下一步工序。破碎作業過程中，礦石受到機械力作用，礦石表面細小塵粒經過剪切、碰撞、擴散等作用，運移至空氣中，污染車間作業環境。石棉纖維經呼吸道進入人體體內容易沉積附著在組織器官上，很難通過人體代謝排出，很可能引發石棉肺、肺癌、間皮瘤等疾病[3-4]。目前，國內外對工業場所粉塵研究的多為礦山露天采場、井下工作面等[5-6]，對于石棉破碎車間粉塵的研究較少。所以，本文對石棉選礦廠破碎車間內部粉塵質量濃度進行數值模擬，并結合現場實測數據，掌握破碎車間內部粉塵濃度分布情況，為車間采取控塵措施提供參考，進而改善工人作業環境、保障作業人員身體健康。

1　數學模型

1.1　粉塵在空氣中的運動方程

對破碎車間內粉塵的受力情況進行量級分析發現，除了重力、浮力及阻力以外，其他作用力均很小，可以忽略不記，建立塵粒在空氣中運動方程[7-8]：

(1)

式中：dp為粉塵顆粒直徑，m；ρg為氣體密度，kg/m3；ρp為粉塵顆粒密度，kg/m3；t為運動時間，s；Cd為氣體阻力系數；vg為氣體運動速度，m/s；vp為粉塵顆粒的運動速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

1.2　粉塵在空氣中的擴散方程

若取Ω為一個小六面體ΔV=ΔxΔyΔz，設在小六面體ΔV內，污染物既不產生也不消失。沿著x方向通過ΔyΔz面的污染物流入量可用通量的概念來描述。因為大氣湍流作用，單位時間內沿著x方向經過單位面積污染物量與該方向污染物濃度梯度成正比[9-10]，可表示為：

(2)

(3)

各向同性的空氣中，粉塵顆粒在x，y和z方向上擴散系數均相等，統一用Kp進行表示。利用高斯公式對該方程進行求解得到粉塵質量濃度的解為：

(4)

式中：k為波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K。

1.3　粉塵在空氣中的沉降方程

石棉破碎過程中，粉塵受到重力作用進行不同程度沉降，整個過程中塵粒速度不斷變化，阻力隨速度大小改變而發生改變，當重力、浮力和氣動阻力達到平衡后，粉塵顆粒以固定的速度下降，此時粉塵顆粒的速度為最終沉降速度[11]。在(1)中，令dvp/dt=0，得到最終沉降速度vt，如下：

(5)

當粉塵粒徑較小時，取Cd= 24/Rep，粉塵雷諾數Rep=dpρgvt/μg，則最終沉降速度為：

(6)

式中：μg表示空氣的動力粘度，Pa·s。

2　幾何模型與參數設置

2.1　工程概況

西南某石棉選礦廠破碎車間主要任務是對礦石做進一步的破碎處理，礦石經過膠帶輸送機從上一車間運至破碎車間，礦石經給料口進入圓錐破碎機，在破碎工藝中，有收塵收棉旋風器經過通風管段連接破碎機，進行收塵收棉作業。破碎車間為簡單的水泥砌磚板房建筑，高14 m，長17 m，寬16 m，車間內主要由圓錐破碎機、收塵收棉旋風器、值班儲物室、膠帶輸送室、高臺組成。其中高臺(高6 m×長6 m×寬2 m)連接膠帶輸送室，為膠帶給料設備提供架設平臺，同時也為工人作業提供場地，地面通向高臺設有行人的梯子。圖1為破碎車間現場照片。

圖1　破碎車間現場照片Fig.1　The scene of crushing plant

2.2　幾何模型建立

根據破碎車間內部布局及其相關尺寸大小，用Gambit建立近似1∶1幾何模型，主要對破碎車間內部空間粉塵擴散進行數值模擬，對車間進行適當的簡化，將車間內值班房、破碎設備、旋風除棉設備均視為相對規則的形狀，設備內部結構不做進一步考慮，主要模擬破碎車間內粉塵的運動規律。破碎車間廠房尺寸為長17 m、寬17 m、高14 m，用Gambit建立幾何模型，并劃分計算網格，如圖2所示。

圖2　破碎車間幾何模型Fig.2　Geometric model of crushing plant

2.3　參數設置

根據石棉選礦廠破碎車間的具體情況和相關實測數據，結合計算流體力學兩相流理論，對FLUENT數值模擬進行參數設定[9-10,12]，詳見表1。該石棉礦主要為溫石棉礦石，主要成分有二氧化硅、氧化鎂和結晶水，它的分子式是Mg6[(OH)4Si2O5]2，原礦石粉塵密度為2 500 kg/m3。

表1　計算模型參數設定Table 1　Defining the calculation model parameters

3　數值模擬分析

3.1　風流流場分布及分析

破碎車間在作業的過程中，膠帶連續地將礦石運至破碎機給料口，膠帶間產生一定風流進入破碎車間，設置膠帶間進入破碎車間風速為0.4 m/s，對車間內部風流進行數值模擬，得到車間內部風流矢量圖和速度云圖，詳見圖3。從模擬結果看出：風流進入車間，先沿著初始方向向前運動，當受到設備或墻壁阻擋后，風流方向發生不同程度的變化；風流流動過程中，流場影響區域呈現不斷擴大的趨勢，流場風速則是呈現減小的趨勢，流向車間中央風流較多，車間兩側形成漩渦區，風流交換周期較長；根據風流不同狀態分為射流區、渦流區、回流區、出口區等4種狀態，射流區和出口區風速在 0.30～0.40 m/s，回流區風速保持在 0.20～0.30 m/s，渦流區風速范圍為 0～0.20 m/s。

圖3　破碎車間風流矢量Fig.3　Air flow vector of crushing plant

3.2　粉塵質量濃度分布及分析

破碎車間內主要塵源位置為膠帶輸送和破碎機入口處，粉塵在車間內部風流作用下產生逸散，擴散至車間內部。從圖4至圖8看出：破碎車間內部粉塵主要集中在輸送膠帶和破碎機附近，在破碎機物料入口處的粉塵濃度最高，粉塵在車間內部風流場的作用下逐漸向車間內部運移，粉塵濃度隨著距破碎機入口的距離增加而逐漸變小；在平臺高度位置粉塵濃度較高，高濃度粉塵主要集中在破碎設備上方，而距地面H=1.5 m呼吸帶高度的粉塵濃度較低，車間大門附近粉塵濃度維持較低水平；在破碎車間人行通道上，越靠近車間內部，粉塵濃度越高，在人體呼吸帶高度粉塵濃度維持在9～16 mg/m3范圍。

圖5　破碎車間粉塵濃度等值線Fig.5　Dust concentration contour map of crushing plant

圖6　破碎車間高度1.5 m處粉塵濃度分布Fig.6　Dust concentration of H=1.5 m in crushing plant

圖7　破碎車間高度7.5 m處粉塵濃度分布Fig.7　Dust concentration of H=7.5 m in crushing plant

圖8　破碎車間人行通道上粉塵濃度分布Fig.8　The distribution of dust concentration on the humanoid channel in crushing plant

4　實測數據與模擬結果對比

4.1　現場實測

根據相關標準規范以及文獻中的采樣點布置方法，在破碎車間內布置測點，對車間內石棉粉塵和石棉纖維現場采樣與實測，見圖9。

圖9　破碎車間測點布置Fig.9　The measuring point arrangement in crushing plant

根據上述測點布置，參照相關的粉塵濃度和石棉纖維濃度測定規范[13-15]，對破碎車間內粉塵濃度分布進行現場測定，并對所測數據進行整理，得到破碎車間各個測點的粉塵濃度大小情況，如圖10所示。

圖10　各測點粉塵濃度Fig.10　Dust concentration of each measuring point

如圖10所示，破碎車間內粉塵濃度最大的測點為3號測點，即膠帶與給料口連接處，產生大量粉塵，全塵濃度86.24 mg/m3，呼塵濃度52.60 mg/m3，車間內粉塵濃度較大點主要集中在高臺上膠帶輸送室(1號測點)、高臺連接處(2號測點)、破碎機給料(3號測點)。粉塵濃度最小測點為12號測點，該測點在大門附近的車間過道處。在破碎車間地面上設有9個測點，粉塵濃度大小在9～15 mg/m3范圍內，污染程度相對較輕。

為掌握破碎車間內石棉纖維的污染情況，對車間內收集粉塵后的濾膜進行了石棉纖維濃度的分析，對測點2，3，5，6，8，11共6個測點進行了石棉纖維濃度分析，測點3的石棉纖維濃度高達12.46 f/mL，其次是測點2處纖維濃度為5.58 f/mL，其余測點濃度范圍在1.2～1.5 f/mL，測定結果如圖11所示。

4.2　模擬結果與現場實測對比

根據對破碎車間內部粉塵質量濃度數值模擬和實測數據相比較，比較情況詳見表2，兩者數據基本吻合，說明數值模擬的結果具有可靠性，能夠真實反映破碎車間內部粉塵質量濃度分布情況。

圖11　破碎車間測點纖維濃度Fig.11　Asbestos fiber concentration of each measuring point

表2　模擬與實測數據對比Table 2　sComparison of simulation results with measured data

5　結論與建議

通過對西南某石棉選礦廠破碎車間粉塵濃度分布情況進行模擬，并將模擬結果與實測數據對比與分析，得到如下結論和建議：

1) 破碎車間內部風流較為紊亂，存在較多的渦流區域，新鮮空氣更新周期長，同時不利于粉塵沉降。建議改變車間內部風流流場，將車間2個門作為進風口，膠帶輸送室與破碎車間連接處設置單向風門，控制膠帶室內含塵氣流進入車間。

2)粉塵集中于膠帶輸送室和破碎機給料口處，粉塵濃度最高86.24 mg/m3，纖維濃度最高為12.46 f/mL；隨著距破碎機入口的距離增加，粉塵濃度逐漸減小，在地面呼吸帶高度的粉塵濃度較低。破碎車間粉塵和石棉纖維濃度均超過國家規定標準，建議采用措施，在現有工藝要求允許的前提下，適當對破碎車間進行灑水等措施，增強對空氣粉塵捕集。

3)膠帶輸送室和破碎設備給料口作為破碎車間的主要塵源，粉塵從塵源隨著風流擴散至車間內部，污染破碎車間空氣。建議對膠帶輸送過程中粉塵進行控制，對膠帶輸送室和破碎車間連接處采取隔塵除塵措施；對破碎設備給料口采用局部密閉罩或負壓集塵罩控塵。

[1]王瑜.我國石棉開采和加工企業粉塵危害研究[J].中國安全生產科學技術，2011，7(4)：144-147.

WANG Yu. Study on dust hazard of asbestos mining and processing enterprises in China[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011, 7(4): 144-147.

[2]王勇毅，姜亢，郭建中，等.石棉相關產品生產過程粉塵危害與控制對策[J].中國安全生產科學技術，2012，8(12)：156-160.

WANG Yongyi, JIANG Kang, GUO Jianzhong, et al. Dust hazards and control countermeasures in the process of asbestos-related production[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 8(12): 156-160.

[3]陳志霞，陳水平，張林忠，等.某石棉礦接塵工人惡性腫瘤10年回顧性調查[J].中國職業醫學，2008，35(5)：391-393.

CHEN Zhixia, CHEN Shuiping, ZHANG Linzhong, et al. Ten-year retrospective study on malignant tumor in workers exposed to asbestos dust in an asbestos mine[J]. China Occupational Medicine, 2008, 35(5): 391-393.

[4]陳照亮，楊俊杰，金春姬.我國石棉的安全性分析及對策研究[J].中國安全生產科學技術，2007，3(2)：36-42.

CHEN Zhaoliang, YANG Junjie, JIN Chunji. Safety analysis and countermeasures of asbestos [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2007, 3(2): 36-42.

[5]周剛，程衛民，陳連軍，等. 綜放工作面粉塵濃度空間分布規律的數值模擬及其應用[J]. 煤炭學報，2010，35(12)：2094-2099.

ZHOU Gang, CHENG Weimin, CHEN Lianjun, et al .Numerical simulation and its application of dust concentration spatial distribution regularities in fully-mechanized caving face [J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(12):2094-2099.

[6]陳舉師，姜蘭，蔣仲安.邊坡鉆孔作業中粉塵分布及其影響因素的數值模擬[J].工程科學學報，2015，37(6)：685-692.

CHEN Jushi, JIANG Lan, JIANG Zhongan. Numerical simulation of dust distribution and influencing factors in slope drilling[J]. Chinese Journal of Engineering, 2015, 37(6): 685-692.

[7]蔣仲安，陳舉師，王晶晶，等.膠帶輸送巷道粉塵運動規律的數值模擬[J].煤炭學報，2012，37(4)：659-663.

JIANG Zhongan, CHEN Jushi, WANG Jingjing, et al. Numerical simulation of dust movement regularities in belt conveyer roadway[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(4): 659-663.

[8]牛偉，蔣仲安，劉毅.綜采工作面粉塵運動規律數值模擬及應用[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2010，29(3)：357-360.

NIU Wei, JIANG Zhongan, LIU Yi. Numerical simulation on dust movement regularities at fully-mechanized coal faces and its utilization[J]. Journal of Liaoning Technology University: Natural Sciences, 2010, 29(3): 357-360.

[9]馬云東, 羅根華, 郭昭華. 轉載點粉塵顆粒擴散運動的數值模擬[J]. 安全與環境學報, 2006, 6(2): 16-18.

MA Yundong, LUO Genhua, GUO Zhaohua. Numerical simulation on application of diffuse regulation with powre dust in transshipping site[J]. Journal of Safety and Environment, 2006, 6(2): 16-18.

[10]譚聰，蔣仲安，陳舉師，等.綜采割煤粉塵運移影響因素的數值模擬[J].北京科技大學學報，2014，36(6)：716-721.

TAN Cong, JIANG Zhongan, CHEN Jushi, et al. Numerical simulation of influencing factors on dust movement during coal cutting at fully mechanized working faces[J]. Journal of University of Science and Technology Bengjing, 2014, 36(6): 716-721.

[11]向曉東.氣溶膠科學技術基礎[M].北京：中國環境科學出版社，2012.

[12]陳舉師，蔣仲安，王明.膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的數值模擬及實驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版)，2015，42(6)：127-134.

CHEN Jushi, JIANG Zhongan, WANG Ming. Numerical simulation and experimental research on dust concentration distribution in belt conveyer roadway[J]. Journal of Hunan University :Natural Sciences, 2015, 42(6): 127-134.

[13]衛生部職業衛生標準專業委員會.工業場所空氣中粉塵測定 第1部分：總粉塵濃度：GBZ/T 192.1—2007 [S]. 北京：人民衛生出版社，2007.

[14]衛生部職業衛生標準專業委員會.工業場所空氣中粉塵測定 第2部分：呼塵濃度：GBZ/T 192.2—2007 [S]. 北京：人民衛生出版社，2007.

[15]衛生部職業衛生標準專業委員會.工業場所空氣中粉塵測定 第5部分：石棉纖維濃度：GBZ/T 192.5—2007 [S]. 北京：人民衛生出版社，2007.