呼吸性粉塵虛擬沖擊分離器數(shù)值模擬及實驗驗證

李彥筑，王 杰，謝 雙

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331)

塵肺病是目前我國嚴(yán)重的職業(yè)病之一。根據(jù)國家衛(wèi)生健康委員會統(tǒng)計，2020年，全國共報告各類職業(yè)病新增病例共17 064例，其中職業(yè)性塵肺病占14 367例[1]，占比超過80%。呼吸性粉塵是引發(fā)塵肺病的主要因素[2]。為降低塵肺病的發(fā)病率，減少呼吸性粉塵的危害，需要有效降低作業(yè)場所的粉塵濃度，加強(qiáng)對呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測。如何有效地把呼吸性粉塵按照規(guī)定的分離標(biāo)準(zhǔn)從總粉塵中分離出來，是實現(xiàn)呼吸性粉塵精確監(jiān)測的關(guān)鍵[3]。筆者擬通過對呼吸性粉塵分離標(biāo)準(zhǔn)和分離技術(shù)的研究分析，設(shè)計出可以滿足BMRC分離標(biāo)準(zhǔn)且能實現(xiàn)呼吸性粉塵連續(xù)分離的分離器，并進(jìn)行相關(guān)的實驗測試與分析。

1 顆粒物的分離標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)

1.1 分離標(biāo)準(zhǔn)

呼吸性粉塵是指按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測定方法所采集的、可進(jìn)入肺泡的粉塵粒子，其空氣動力學(xué)直徑均在7.07 μm以下，且當(dāng)空氣動力學(xué)直徑為5 μm時采樣效率為50%[4]。目前，國際上針對呼吸性粉塵的分離標(biāo)準(zhǔn)常用的有3種：1952年由英國醫(yī)學(xué)研究委員會提出，1959年在南非約翰內(nèi)斯堡召開的國際塵肺會議上被廣泛接受的BMRC標(biāo)準(zhǔn)曲線；1968年美國政府工業(yè)衛(wèi)生專家協(xié)會頒布的ACGIH標(biāo)準(zhǔn)曲線；20世紀(jì)90年代歐盟新提出并沿用至今的EN481標(biāo)準(zhǔn)曲線[5-6]。分離標(biāo)準(zhǔn)定義了分離器在各粒徑點的分離效能(分離效能指的是粒徑與分離比例的關(guān)系[7])。各分離標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的分離效能曲線如圖1所示。

圖1 不同分離效能曲線對比

我國煤炭行業(yè)自1995年引進(jìn)BMRC曲線以后一直沿用至今。在MT 394—1995《呼吸性粉塵測量儀采樣效能測定方法》中規(guī)定我國呼吸性粉塵監(jiān)測儀的采樣效能以BMRC曲線為標(biāo)準(zhǔn)，且在每個粒徑點的分離效能誤差不大于5%。

1.2 分離技術(shù)

目前，國內(nèi)外主要用于呼吸性粉塵分離的技術(shù)有3種：陶析式、沖擊式、旋風(fēng)式[8]。

1)陶析式分離器主要依靠重力的沉降作用，選用水平板作為分離器。當(dāng)含塵氣流通過分離器時，大顆粒粉塵受重力作用沉降到水平板上，而較小的顆粒(如呼吸性粉塵)沉降速度很慢，會隨氣流通過狹縫，實現(xiàn)分離。

2)慣性沖擊式分離器由噴射孔和沖擊板組成。含塵氣流在噴射孔處被加速，大顆粒粉塵因慣性較大會逃脫氣流，直接撞向沖擊板并被涂有黏性物質(zhì)的沖擊板捕獲[9]；粒徑小的粉塵則由氣流帶動繞過沖擊板，通過分離器，實現(xiàn)分離。

3)旋風(fēng)分離器由進(jìn)氣口、直筒、錐形筒、排氣口和集灰斗組成。含塵氣流從入口進(jìn)入旋風(fēng)筒后，受內(nèi)壁約束做圓周運動。大顆粒粉塵受到的離心力較大，與內(nèi)壁碰撞損失較多動能，然后沿內(nèi)壁下落至集灰斗；小粒徑粉塵則隨氣流繼續(xù)流動，在旋流作用下排出排氣口，達(dá)到分離目的[10]。

通過分析，在實現(xiàn)呼吸性粉塵的連續(xù)分離方面，以上3種技術(shù)都存在著局限性：陶析式分離器由于水平板很短且板間距很小，短時間內(nèi)水平板會被大顆粒粉塵填滿，長時間使用還會產(chǎn)生二次揚塵，使待檢的含呼吸性粉塵的氣流被污染；慣性沖擊式分離器沖擊板上的黏性物質(zhì)需定期更換涂抹和清理，否則在高濃度的環(huán)境里或持續(xù)使用的情況下，板面會被粉塵填滿；旋風(fēng)式分離器與另外兩種分離器相比，可使用時間較長，但在實現(xiàn)連續(xù)分離方面仍有困難，其集灰口仍需清潔維護(hù)，且對各結(jié)構(gòu)尺寸配合要求較高，各因素對分離效能的影響尚在研究中[11-12]。

為解決粉塵連續(xù)分離的問題，在分析傳統(tǒng)慣性沖擊分離技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，提出了沒有沖擊板的“虛擬沖擊分離”概念[13]。從20世紀(jì)60年代起，國外就已經(jīng)開始對虛擬沖擊器展開了系統(tǒng)的理論研究，并逐漸將虛擬沖擊器投入實際應(yīng)用中[14]。而國內(nèi)在虛擬沖擊器方面取得的研究成果較少，目前多應(yīng)用于固定污染源監(jiān)測和氣溶膠分離等方面[15-16]。因此，開展可實現(xiàn)連續(xù)分離呼吸性粉塵的虛擬沖擊器研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。

2 基于虛擬沖擊分離的模型建立與仿真

2.1 虛擬沖擊原理

虛擬沖擊的原理與傳統(tǒng)的慣性沖擊相似，都是利用顆粒物粒徑不同而產(chǎn)生的慣性不同來進(jìn)行分級的。虛擬沖擊分離技術(shù)主要是用收集腔代替了傳統(tǒng)的沖擊板，含塵氣流在通過噴嘴之后會進(jìn)入腔體而不是直接沖向固體板，所要采集的粒子還保留在采樣氣體中。相比傳統(tǒng)沖擊式，其優(yōu)勢在于解決了粒子破碎、反彈等問題[17-18]。

虛擬沖擊分離技術(shù)所對應(yīng)的分離器被稱為虛擬沖擊器，其組成部分有噴氣孔、收集腔、“主流”及“弱流”通道。噴氣孔的直徑D1很小，含塵氣流在通過時被加速。噴出的氣流一分為二：一部分氣體(約占總氣體的90%)發(fā)生90°的變向，進(jìn)入下一級，這部分氣流被稱為“主流”；剩下的一部分則直接沖進(jìn)收集腔，這部分氣流被稱為“弱流”[19]。小粒徑粒子的慣性較小，隨著氣流向“主流”流動；大粒徑粒子則會由于慣性隨著較弱的氣流進(jìn)入收集腔，排向外界。虛擬沖擊器分離原理如圖2所示。

圖2 虛擬沖擊器分離原理圖

2.2 虛擬沖擊器的設(shè)計及仿真

1)虛擬沖擊器結(jié)構(gòu)。虛擬沖擊器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別有噴氣孔角度θ1、噴氣孔直徑D1、噴氣孔與收口之間的距離S、收集腔直徑D2,以及噴氣孔與收集腔的同軸度δ。由文獻(xiàn)研究可知，當(dāng)噴氣孔角度θ1為45°、收集腔直徑D2約為D1的1.3～1.4倍時粒子損失量最少；收集腔與噴氣孔的距離S約為D1的1.2～1.8倍，以及要求同軸度δ需不大于0.05 mm。采樣流量依照MT 394—1995標(biāo)準(zhǔn)確定；結(jié)合Stokes公式和切割粒徑計算得到結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)上，建立虛擬沖擊器的三維模型，并將其劃為5個部分：入口段、加速段、分流域、主流及弱流出口。虛擬沖擊器各區(qū)域劃分情況如圖3所示。

圖3 虛擬沖擊器區(qū)域劃分

2)網(wǎng)格劃分及計算方法。建立虛擬沖擊器三維模型，然后使用ICEM對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分前處理；再采用CFD軟件Fluent對虛擬沖擊器內(nèi)部的氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值求解。求解器選擇SIMPLE方式，對流相采用QUICK 格式，擴(kuò)散項則采用Least-Squares Cell Based(基于單元體的最小二乘法插值)。

3)網(wǎng)格無關(guān)性驗證。從理論上講，網(wǎng)格布置越密，得到的計算結(jié)果也越精確，但同時計算量也越大，計算機(jī)造成的舍入誤差也會增大。因此，需要選擇合適的網(wǎng)格數(shù)以提高仿真的精確度[20]。選用噴氣孔氣流速度來驗證不同網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果精度的影響，驗證結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由表1可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到50萬以后，噴氣孔氣流速度變化較小。為節(jié)省計算時間，最后設(shè)定網(wǎng)格數(shù)為589 118。網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分情況

4)邊界條件。虛擬沖擊器入口采用速度入口(velocity inlet)，主流出口與弱流出口均采用自由出口(out flow)，其中主流出口流量權(quán)重為0.9，對離散相設(shè)置為捕捉(trap)；弱流出口流量權(quán)重為0.1，對離散相設(shè)置為逃逸(escape)。壁面設(shè)為wall，設(shè)置為無滑移邊界條件，與離散相的作用設(shè)為反彈(reflect)。

2.3 模擬結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬可以求解虛擬沖擊器的內(nèi)部流場參數(shù)，得到虛擬沖擊器內(nèi)部速度、壓力參數(shù)(動壓和靜壓)的分布特性，截面選取位置如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬橫截面選取位置

虛擬沖擊器各部分速度場分布情況如圖6所示。

(a)入口段

(b)加速段

(c)分流域

(d)弱流出口

由圖6可以看出：入口段中，速度沿軸向從上往下逐漸增大，而在同一橫截面上，徑向速度幾乎保持不變；加速段中，錐形段的速度沿軸向增量較大，而相比之下圓柱段的增量變??；分流域中，速度沿軸向逐漸變小，同一橫截面的徑向速度向四周減小，但其中在靠近收集腔的截面上，速度則是從軸心沿徑向逐漸升高至局部最大值，然后驟降至很小，再陡升至一個最大值，最后開始緩慢減小至平緩；弱流出口中，速度沿軸向逐漸減小，直至趨向扁平化，而徑向速度則沿徑向逐漸減小。

動壓的表達(dá)式如下：

Δp=ρv2/2

(1)

式中：Δp為動壓，Pa；ρ為氣流密度，kg/m3；v為氣流速度，m/s。

式(1)中，由于沖擊器內(nèi)的氣流速度遠(yuǎn)不及音速，故ρ近似不變，所以動壓與速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，動壓在各橫截面上的徑向分布與上述速度分布的趨勢基本一致。

虛擬沖擊器各部分的靜壓分布情況如圖7所示。

(a)入口段

(b)加速段

(c)分流域

(d)弱流出口

由圖7可以看出：入口段的靜壓沿著軸向減小，除了截面末端的靜壓從中心沿徑向增大后趨于穩(wěn)定以外，其他位置同一截面數(shù)值變化都很小； 加速段的錐形段，靜壓沿軸向逐漸減小，沿徑向近似不變，圓柱段部分的靜壓沿軸向、徑向均減??；分流域中，靜壓沿軸向增大，但在距離收集腔近處的靜壓則是由軸心最大值沿徑向先減小再增大，又陡降至最低值，再緩慢增大，最后趨于穩(wěn)定；弱流出口不同橫截面靜壓值幾乎不變，隨深度增大，靜壓值逐漸減小，并趨于恒定。

在明確了虛擬沖擊器內(nèi)部流動參數(shù)的分布情況，完成氣相場求解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對多個模型進(jìn)行求解和優(yōu)化，最終得到滿足BMRC曲線分離標(biāo)準(zhǔn)的虛擬沖擊器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 實驗驗證

根據(jù)仿真分析得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)加工制作模型樣件。根據(jù)MT 394—1995《呼吸性粉塵測量儀采樣效能測定方法》要求，分別對虛擬沖擊器5個粒徑點進(jìn)行了5次實驗。實驗過程中保證室內(nèi)相對濕度小于85%，環(huán)境溫度約為(20±5) ℃，擴(kuò)散罩氣流流量控制在1 L/min，干燥筒氣流流量為10 L/min，采樣時間設(shè)置為30 min。采樣結(jié)束后，用定量乙醇在試管中分別浸泡濾膜和未采樣白濾膜4 h，同時用乙醇清洗通道；最后用可見光分光光度計測量得出各個浸泡溶液的濃度值，進(jìn)而計算出虛擬沖擊器在各粒徑下的分離效能。測試結(jié)果與BMRC曲線對比及誤差見表3。

表3 虛擬沖擊器分離效能實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)式(2)計算虛擬分離器分離效能與BMRC曲線的標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

實驗結(jié)果表明：粒徑為2.2 μm時平均誤差為3.85%；粒徑為3.9 μm時平均誤差為2.69%；粒徑為5.0 μm時平均誤差為2.61%；粒徑為5.9 μm時平均誤差為1.79%；粒徑為7.1 μm時平均誤差為3.12%。綜上分析，5個實驗點的標(biāo)準(zhǔn)差δ=2.89%，小于5%，滿足MT 394—1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差限值，符合要求。

4 結(jié)語

1)虛擬沖擊分離技術(shù)具有連續(xù)分離的特點，是實現(xiàn)呼吸性粉塵連續(xù)分離的關(guān)鍵。虛擬沖擊器的內(nèi)部流場分布情況：速度分布方面，入口與加速段沿著氣流流動方向逐漸增大，而在分離域和弱流出口逐漸減小；動壓的分布與速度的分布趨勢基本一致；靜壓分布方面，入口與加速段沿氣流流動方向逐漸減小，分流域、弱流出口處則沿著流動方向逐漸增大。

2)實驗結(jié)果表明，虛擬沖擊器的分離效能與BMRC曲線分離標(biāo)準(zhǔn)的最大誤差為3.85%，最小誤差為1.79%，其中當(dāng)粒徑為2.2 μm與7.1 μm時，誤差相對較大，分別為3.85%、3.12%，但都仍滿足MT 394—1995的要求，均小于5%。