石棉篩分車間粉塵質量濃度分布規律的數值模擬*

蔣仲安，鄧權龍，時訓先，陳舉師

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083; 2.中國安全生產科學研究院 工業安全研究所，北京 100012)

石棉篩分車間粉塵質量濃度分布規律的數值模擬*

蔣仲安1?，鄧權龍1，時訓先2，陳舉師1

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083; 2.中國安全生產科學研究院 工業安全研究所，北京 100012)

為了掌握石棉選礦廠篩分車間內部粉塵隨時間和空間運移的規律，獲取通風除塵優化的參數，以茫崖石棉礦第一選礦廠篩分車間為研究背景，依據氣固兩相流理論，采用計算機流體力學的離散相(DPM)模型對篩分車間粉塵濃度分布規律數值模擬，并與現場粉塵濃度實測數據比較分析，模擬結果和實測數據相吻合.研究結果表明：篩分設備附近粉塵濃度較高，以篩分設備為中心隨著距離增加粉塵濃度降低；捕集邊界下粉塵濃度比反彈邊界較低，粉塵捕集效果更好；篩分車間進風風速控制在 0.6 m/s左右時，粉塵沉降效果較好；安裝抽風集塵罩后，主抽風管風速為 14 m/s時，平均控塵效率達到90%，石棉纖維濃度控制在2.52 f/mL以下.

石棉篩分車間；粉塵濃度；運移規律；離散相；數值模擬

石棉因其具有獨特的耐腐蝕性、隔熱性和強抗拉性等優良特性，廣泛應用于航天、船舶、消防、特殊制造等領域[1-2].國內石棉礦產資源豐富，工業使用量較大，2014年使用量達到50萬噸.近幾年歐美、德國、日本等國家禁止生產含石棉成分的產品；國內采取全面禁止使用青石棉，安全使用溫石棉的方針[3].石棉在開采、選礦、加工等過程容易產生粉塵，污染新鮮空氣，威脅作業人員的健康，特別是粉塵含有微細纖維，人體器官組織吸入后易附著和沉降，導致石棉肺、肺癌、間皮瘤等疾病[4-6].篩分作業作為選礦工藝中重要的工序，主要采用振動篩分設備，通過網篩不停的振動，分離粒徑大于網篩孔徑的塊石，由于網篩循環的震蕩，致使礦石表面的粉塵揚起，擴散到車間污染空氣.目前，國內外對粉塵控制研究主要采用理論分析、相似實驗、數值模擬等方法研究粉塵濃度分布規律.國內學者的研究主要集中在礦山作業面[7-8]，在石棉篩分車間粉塵方面的研究較少.國外學者在工業粉塵控制做了一定的研究，例如Silvester等[9]針對壓碎破碎設備車間粉塵控制，通過計算流體動力學軟件預測車間粉塵分布；Constance[10]分別對稀釋通風和局部通風兩種控塵措施的優缺點進行概述.本文針對石棉篩分車間建立幾何模型，通過數值模擬車間不同條件下粉塵的運移規律，結合現場實測數據，獲得篩分車間最優通風控塵參數，指導現場控塵改造，對于保障作業人員身體健康有重要意義.

1 數學模型與控制方程

1.1 數學模型

粉塵粒子在空氣運移的理論基礎是氣固兩相流理論，目前，在數值計算方面主要分兩種方法：歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法.其中，歐拉-拉格朗日方法是運用歐拉法、拉格朗日法分別處理背景、離散流體，將氣體作為背景流體，粉塵粒子視為離散流體，離散相模型(DPM)的理論基礎就是基于該方法.本文運用離散相模型研究石棉選廠篩分車間粉塵運動規律，將車間內部空氣視為背景流體，采用歐拉法進行研究；將塵顆粒作為離散流體，采用拉格朗日法研究粉塵粒子運移線路，最終得出粉塵在車間空氣中的濃度分布.

1.2 控制方程

假定流體為不可壓縮的牛頓流體，忽略體積力，則連續相的運動方程選用三維不可壓縮Navier-Stokes方程：

連續方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

式中:ρ為氣體密度，kg/m3；τij為應力張量；p為流體相壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；xi,xj分別為x,y方向上的坐標，m；ui,uj分別為流體在x,y方向上的速度(m/s)；Fi為控制體平均的顆粒流體阻力，N.

k-ε湍流動能方程：

Gk-ρε+Sk

(3)

(4)

通過積分拉格朗日坐標下顆粒作用力的微分方程來求解顆粒的軌跡，在求解過程中，只考慮阻力和重力及顆粒相的作用力[11-13].

(5)

式中:FD(u-up)為顆粒的單位質量阻力；FC為顆粒與顆粒(邊界)碰撞力；FD可根據式(4)計算：

(6)

2 幾何建模與參數設置

2.1 幾何模型與網格劃分

石棉選廠篩分車間主要有供料皮帶間、篩分設備間、物料分類收集間3部分，幾何模型圖如圖1所示.設備間長12 m、寬9 m、高4 m;車間安裝2臺篩分機，篩分機尺寸為長4 m、寬1 m、高1.2 m;開有兩扇門，高3 m、寬2 m;給料管段斷面為0.8 m×0.6 m.集塵罩整體形狀為規則的六面體，大罩口斷面1.0 m×0.6 m，集塵罩小口直接與抽風通連接.采用Gambit軟件劃分模型網格，詳見圖2.

圖1 篩分車間幾何模型圖Fig.1 The geometrical model of screening workshop

圖2 篩分車間網格劃分Fig. 2 The meshing of screening workshop

2.2 計算模型參數設置

根據茫崖石棉礦第一選廠篩分車間的具體情況和相關實測數據，結合CFD相關理論，對FLUENT數值模擬進行參數設定[14-16]，詳見表1.

表1 計算模型參數設定表Tab.1 The calculation model parameters

3 數值模擬結果與對比分析

3.1 風流流場分析

設置車間進風口風速為 0.25 m/s，通過對車間風流流場進行數值模擬，得到風流場速度矢量圖和風流速度云圖，如圖3，圖4所示.從圖中看出：①風流進入車間先沿著風流初始方向向前運動，隨后前方受到車間壁面邊界的阻擋后，風向幾乎發生90°變化流向車間出口.②風流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，風流受附壁效應的影響，流向車間中央風流較少，形成漩渦區，風流交換周期較長.③根據風流狀態不同分為：射流區、渦流區、回流區、出口區，射流區和出口區風速在0.20～0.25 m/s，回流區風速保持在 0.10～0.20 m/s，渦流區風速范圍 0～0.10 m/s.

圖3 篩分車間風流場速度矢量分布圖Fig. 3 The distribution of velocity vector in screening workshop

圖4 篩分車間風流速度云圖Fig. 4 The speed cloud in screening workshop

3.2 粉塵運動規律

圖5 粉塵顆粒運動軌跡圖Fig. 5 The particle trajectory of dust particles

圖6 篩分車間粉塵濃度空間分布圖Fig. 6 The dust concentration distribution in screening workshop

為直觀觀察粉塵粒子在篩分車間內的運動軌跡，在離散相模型設置篩分機物料出口處隨機產生120個粉塵粒子，運用隨機游走模型(DRW)追蹤粒子運動軌跡，得到圖5.圖6，圖7分別為車間粉塵質量濃度空間分布圖和分布云圖.從圖5～圖7得出：①粉塵從塵源產生后隨風流運動方向進行逸散，粉塵受到壁面邊界阻擋和碰撞后停止運動.②在篩分設備物料出口產生的粉塵濃度達到最大值，隨著距離該區域距離增大粉塵濃度呈降低趨勢.③粉塵受車間壁面邊界阻擋和碰撞等效應，同時部分粉塵隨風流排出，在不同程度上起到降低粉塵的作用，但車間內粉塵濃度依然較大，平均濃度約 65 mg/m3，篩分設備物料出口濃度高達 186.5 mg/m3，中央漩渦區濃度低于 28 mg/m3且粉塵停留時間較長，排塵與沉降效果差.

3.3 不同邊界條件粉塵濃度

為比較不同邊界條件篩分車間粉塵運動和濃度分布規律的差異性，分別模擬了邊界條件設置為捕集和反彈兩種情況，圖7，圖8分別為篩分車間邊界設置為捕集條件、反彈條件粉塵濃度分布云圖.經對比模擬結果發現：在粉塵濃度分布特征上兩者基本一致，在數值上反彈邊界情況較大，由此可見，在篩分車間日常作業過程中，現有工藝允許條件下，采取適當地潤濕墻面、地板的措施，加強對壁面的捕集效率，有助于減輕篩分車間粉塵污染.

圖7 篩分車間粉塵濃度分布云圖Fig. 7 The dust concentration cloud in screening workshop

圖8 邊界設置反彈時粉塵濃度云圖Fig. 8 The dust concentration cloud under reflect wall condition

3.4 不同車間進風風速粉塵濃度

研究篩分車間不同進風風速條件粉塵濃度空間分布情況，選取了車間進風風速為0.20 m/s,0.40 m/s,0.60 m/s,0.80 m/s 4種情況下，換算成進風風量分別對應為1.2 m3/s,2.4 m3/s,3.6 m3/s,4.8 m3/s，分別進行模擬，模擬結果詳見圖9.為了量化不同進風風速排塵效果，對車間內人體呼吸帶高度(H=1.5 m)平面粉塵濃度取平均值，進風風速為0.20 m/s,0.40 m/s,0.60 m/s,0.80 m/s 4種情況下對應的呼吸帶高度粉塵濃度平均值分別為97.58 mg/m3,82.42 mg/m3,70.87 mg/m3,67.21 mg/m3.從模擬結果看出：當進風風速在 0.20～0.80 m/s區間，篩分車間排塵效果隨著風速變大而增強；當進風風速從0.60 m/s增加到0.80 m/s時，排塵效果增幅較小.考慮到當風速較大時，風流流動容易揚起車間地面積塵，產生二次揚塵；當風速較小時，車間內部排塵效果不好.因此，綜合考慮，建議篩分車間進風風速控制在0.6 m/s左右.

圖9 不同進風風速下粉塵濃度分布云圖Fig. 9 The dust concentration cloud at different inlet wind speeds

3.5 安裝抽風集塵罩粉塵濃度分布

為改善車間作業環境，在兩臺篩分設備的物料出口處安裝集塵罩，用直徑為400 mm的風管與集塵罩連通，模擬主抽風管風速為10 m/s,12 m/s,14 m/s,16 m/s 4種情況車間粉塵濃度分布，車間進風風速為0.6 m/s，控塵效果如圖10所示.對比分析得出：安裝抽風集塵罩后，大部分粉塵經集塵罩和抽風管排出，車間內部粉塵濃度下降明顯，粉塵污染得到良好的控制.隨著主抽風管風速增加，控塵效果先顯著增強，后趨于穩定，當抽風風速達到14 m/s時，抽風集塵罩基本能控制篩分設備物料出口處粉塵的外逸，控塵效果較好，當增加抽風風速至16 m/s時，控塵效果趨于穩定.綜合篩分車間控塵效果和風機耗能等因素，最終確定抽風集成罩主抽風管適宜風速為14 m/s.

圖10 不同抽風風速篩分車間控塵效果圖Fig. 10 The dust removal effect at different extraction wind speeds

4 實測結果與模擬結果對比分析

依據GBZ/T192.1—2007，GBZ/T192.5—2007以及相關文獻[17-18]，結合篩分車間空間結構和產塵源位置情況，對車間內呼吸帶高度布置10個測點，測點布置如圖11所示.現場采用IFC-2防爆型粉塵采樣儀，選用過氯乙烯纖維濾膜(孔徑0.8 μm)分別對集塵罩安裝前后粉塵進行采樣.實驗室使用BK5000相差顯微鏡對樣本石棉纖維濃度進行測定，數據結果如表2所示，采樣濾膜處理后在顯微鏡下觀察石棉纖維形態，如圖12所示.運用濾膜稱重法對樣本進行粉塵濃度測定，每個測點采用3次以上重復操作取平均值，并將實測數據與模擬結果進行對比，對集塵罩安裝前后的控塵效率進行計算，如圖13所示.

圖11 粉塵測點布置圖Fig. 11 The layout of dust measuring points

測定數據測點編號12345678910集塵罩安裝前石棉纖維濃度/(f·mL-1)23.2120.8314.1612.4417.6019.826.229.864.113.26集塵罩安裝后石棉纖維濃度/(f·mL-1)2.522.341.551.421.862.100.961.110.640.58

圖12 采樣濾膜石棉纖維在顯微鏡下放大視野圖Fig.12 The pictures of asbestos fibers on the sampling membrane under microscope

圖13 抽風集塵罩安裝前后粉塵濃度實測與模擬數據Fig.13 The measured and simulated data of dust concentration before and after installation of collector

如圖12為石棉纖維在顯微鏡下放大的視野圖，石棉纖維的形態呈現細條針絲狀，而巖塵顆粒為細小顆粒狀，石棉粉塵中還有微細纖維，人體吸入體內后，容易附著于器官組織引起病變.由表2，圖13可以看出：①篩分車間安裝集塵罩前后模擬結果和實測數據基本吻合，說明幾何建模和離散相模型(DPM)等相關的設置均合理，數值模擬結果具有一定的可靠性.②經過對比集塵罩安裝前后的各測點粉塵濃度數據，發現安裝集塵罩后，粉塵通過風管抽走，篩分車間內部粉塵急劇下降，各測點的平均控塵效率達到90%.③集塵罩安裝后，篩分車間粉塵濃度降低的同時，粉塵中石棉纖維濃度也得到了良好的控制，1號測點石棉纖維濃度由原來最高的23.21 f/mL下降至2.52 f/mL.圖14為抽風集塵罩安裝前后篩分車間的現場照片.

(a)安裝前 (b)安裝后圖14 抽風集塵罩安裝前后車間作業時現場照片Fig. 14 The workshop photos before and after the installation of the exhaust dust collector

5 結論與建議

通過對茫崖石棉礦第一選礦廠篩分車間粉塵濃度分布進行數值模擬，并與現場實測粉塵濃度比較分析，得到如下結論與建議：

1)兩臺篩分設備附近粉塵濃度較大，并以篩分設備為中心隨著距離增大粉塵濃度呈現降低的趨勢.建議對篩分設備采取防塵降塵措施，從塵源位置遏止粉塵逸散.

2)與反彈邊界相比，捕集邊界下車間內粉塵濃度更低，捕集粉塵顆粒效果更好.在工藝允許前提下，適當采取地濕潤車間墻壁、地面、頂板等措施.

3)根據車間進風口和出風口的現有布局情況，通過數值模擬得出：當車間進風風速控制在0.6 m/s左右時，能夠較好地排塵車間粉塵.建議將篩分車間進風風速設為 0.6 m/s左右.

4)在兩臺篩分設備物料出口處安裝負壓抽風集塵罩后，各測點的平均控塵效率達到90%，車間石棉纖維濃度控制在 2.52 f/mL以下，主抽風管風速建議控制在 14 m/s時為宜.

抽風控塵研究的內容還有很多，其中集塵罩的尺寸、形狀、布置方式等均可做進一步深入的研究.

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Numerical Simulation of Dust Mass Concentration Distribution inScreening Workshop of Asbestos Concentrator

JIANG Zhongan1?,DENG Quanlong1,SHI Xunxian2,CHEN Jushi1

(1.Key Laboratory of Minitry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine,University ofScience and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Institute of Industrial Safety,China Academy of Safety Science & Technology,Beijing 100012,China)

In order to master the regularities of dust movement with time and space in the screening workshop of asbestos concentrator and obtain the optimized parameters of dust removal by ventilation,screening workshop of No. 1 concentrator in Mangya Asbestos Mine was considered as the research background. Based on the theory of gas-solid two-phase flow,the discrete phase model (DPM) of computational fluid mechanics was used to simulate the dust concentration in screening workshop. By comparing with field measurement of dust concentration distribution,simulation results are essentially coincident with the measured data. The results indicate that the dust concentration near the screening equipment is higher,and the value decreases as the distance from the screening equipment increases. The dust concentration is lower under trap wall condition than the reflect,and the dust trapping effect is better. The dust settling effect is better when the inlet wind speed is about 0.6 m/s. When the exhaust dust cover is installed and the wind speed of main exhaust pipes is maintained at 14 m/s,the average dust-removal efficiency can reach 90%,and the asbestos fiber concentration can be controlled below 2.52 f/mL.

asbestos screening workshop; dust concentration; migration regularity; discrete phase; numerical simulation

1674-2974(2017)12-0135-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.12.021

2017-02-07

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAK40B02),National Science and Technology Support Program(2015BAK40B02)；國家自然科學基金資助項目(51574016),National Natural Science Foundation of China(51574016)；北京市自然科學基金青年科學基金資助項目(8164010),the Young Scientists Fund of the Beijing Municipal Natural Science Foundation(8164010);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(FRF-BD-17-007A),Fundamental Research Funds for the Central Universities(FRF-BD-17-007A)

蔣仲安(1963-)，男，浙江諸暨人，北京科技大學教授，博士?通訊聯系人，E-mail: jza1963@263.net

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