石棉破碎车间粉尘质量浓度分布的数值模拟及实测
时训先;邓权龙;蒋仲安;陈兵
【摘 要】为改善破碎车间内部粉尘浓度超标的现状,掌握石棉选矿厂破碎车间内粉尘浓度的分布规律,依据气固两相流、气溶胶力学等相关理论,建立粉尘在空气内运动、扩散及沉降方程.以西南某石棉选矿厂破碎车间为研究背景,采用计算机流体力学的离散相模型,运用Fluent软件对石棉破碎车间粉尘质量浓度分布进行数值模拟,并与现场粉尘浓度实测数据比较分析.研究表明:模拟结果和实测数据相吻合;粉尘集中在胶带输送室和破碎机给料口附近,全尘浓度最大为86.24 mg/m3,纤维浓度最高为12.46 f/mL;粉尘浓度随着距破碎机入口的距离增加而逐渐变小;地面呼吸带高度粉尘浓度相对处于较低水平,维持在9~16 mg/m3区间.%In order to improve the situation of dust concentration exceeding and master the distribution laws of dust concentration in the crushing plant of asbestos concentrator, the movement, diffusion and ttlement equations of dust in air were established bad on the theories of gas-solid two-pha flow and aerosol mechanics.Taking the crushing plant of a asbestos concentrator in southwest as the rearch background, and adopting the discrete pha mo
del of computational fluid dynamics, Fluent software was ud to simulate the mass concentration distribution of dust in the asbestos crushing plant.By comparing with the measurement data of in-situ dust concentration, the si-mulation results were esntially coincident with the measured data.The results showed that the dust concentrated in the belt conveyor and the crusher feed port, the maximum total dust concentration was 86.24 mg/m3, and the maximum fiber concentration was 12.46 f/mL.As the distance away from the entrance of the crusher incread, the dust concentration gradually decread.The dust concentration was relatively low in the height of ground breathing zone, maintaining in the range of 9-16 mg/m3.
【期刊名称】《中国安全生产科学技术》
【年(卷),期】2017(013)006
【总页数】6页(P179-184)男生美白
伯德街小岛【关键词】石棉选矿厂;破碎车间;粉尘质量浓度;数值模拟;现场测定
平安大学
【作 者】时训先;邓权龙;蒋仲安;陈兵
【作者单位】中国安全生产科学研究院,北京 100012;北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083;北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083;中国安全生产科学研究院,北京 100012
【正文语种】中 文
【中图分类】X964
0 引言
石棉材料具有耐热、抗拉、绝缘等良好的特性，被广泛应用于工业制造中[1]。然而，在石棉矿选矿过程中容易产生大量石棉粉尘污染，欧美等一些西方发达国家都禁止采用石棉材料，但是我国目前仍然是石棉使用大国之一[2]。石棉选矿工艺主要包括：破碎、筛分、除砂、除尘等，其中破碎作为石棉矿选矿工艺的重要环节之一，主要任务是将块状矿石进行机械破碎，达到工艺要求的粒度后，进入下一步工序。破碎作业过程中，矿石受到机械力作用，矿石表面细小尘粒经过剪切、碰撞、扩散等作用，运移至空气中，污染车间作业环
境。石棉纤维经呼吸道进入人体体内容易沉积附着在组织器官上，很难通过人体代谢排出，很可能引发石棉肺、肺癌、间皮瘤等疾病[3-4]。目前，国内外对工业场所粉尘研究的多为矿山露天采场、井下工作面等[5-6]，对于石棉破碎车间粉尘的研究较少。所以，本文对石棉选矿厂破碎车间内部粉尘质量浓度进行数值模拟，并结合现场实测数据，掌握破碎车间内部粉尘浓度分布情况，为车间采取控尘措施提供参考，进而改善工人作业环境、保障作业人员身体健康。
1 数学模型
1.1 粉尘在空气中的运动方程
对破碎车间内粉尘的受力情况进行量级分析发现，除了重力、浮力及阻力以外，其他作用力均很小，可以忽略不记，建立尘粒在空气中运动方程[7-8]：
(1)
式中：dp为粉尘颗粒直径，m；ρg为气体密度，kg/m3； ρp为粉尘颗粒密度，kg/m3；t为运动时间，s； Cd为气体阻力系数；vg为气体运动速度，m/s； vp为粉尘颗粒的运动速度，
m/s；g为重力加速度，m/s2。
1.2 粉尘在空气中的扩散方程
若取Ω为一个小六面体ΔV=ΔxΔyΔz，设在小六面体ΔV内，污染物既不产生也不消失。沿着x方向通过ΔyΔz面的污染物流入量可用通量的概念来描述。因为大气湍流作用，单位时间内沿着x方向经过单位面积污染物量与该方向污染物浓度梯度成正比[9-10]，可表示为：
(2)
式中： c为污染物浓度，为沿坐标x方向污染物浓度的梯度；Kx为x方向的扩散系数。
在实际应用中，为简化计算，常常选取坐标系x方向与环境风的方向一致，在此坐标下，环境风在y和z方向速度分量v=w=0。对于稳定污染排放源，当环境条件(风速、大气参数)处于稳定状态，此外，当环境风速较大, x方向扩散项远小于环境风平流项可以忽略不计。在此条件下，根据质量守恒方程，三方向净流入等于累积率，则有：冲浪运动
(3)
各向同性的空气中，粉尘颗粒在x，y和z方向上扩散系数均相等，统一用 Kp进行表示。利用高斯公式对该方程进行求解得到粉尘质量浓度的解为：陆游诗词
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(4)
式中：k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23 J/K。
1.3 粉尘在空气中的沉降方程
石棉破碎过程中，粉尘受到重力作用进行不同程度沉降，整个过程中尘粒速度不断变化，阻力随速度大小改变而发生改变，当重力、浮力和气动阻力达到平衡后，粉尘颗粒以固定的速度下降，此时粉尘颗粒的速度为最终沉降速度[11]。在(1)中，令dvp/dt=0，得到最终沉降速度vt，如下：
(5)
当粉尘粒径较小时，取Cd = 24/Rep，粉尘雷诺数Rep = dpρg vt /μg ，则最终沉降速度为：
(6)
式中：μg表示空气的动力粘度，Pa·s。
2 几何模型与参数设置
2.1 工程概况
西南某石棉选矿厂破碎车间主要任务是对矿石做进一步的破碎处理，矿石经过胶带输送机从上一车间运至破碎车间，矿石经给料口进入圆锥破碎机，在破碎工艺中，有收尘收棉旋风器经过通风管段连接破碎机，进行收尘收棉作业。破碎车间为简单的水泥砌砖板房建筑，高14 m，长17 m，宽16 m，车间内主要由圆锥破碎机、收尘收棉旋风器、值班储物室、胶带输送室、高台组成。其中高台(高6 m×长6 m×宽2 m)连接胶带输送室，为胶带给料设备提供架设平台，同时也为工人作业提供场地，地面通向高台设有行人的梯子。图1为破碎车间现场照片。
图1 破碎车间现场照片Fig.1 The scene of crushing plant
2.2 几何模型建立
根据破碎车间内部布局及其相关尺寸大小，用Gambit建立近似1∶1几何模型，主要对破碎车间内部空间粉尘扩散进行数值模拟，对车间进行适当的简化，将车间内值班房、破碎设备、旋风除棉设备均视为相对规则的形状，设备内部结构不做进一步考虑，主要模拟破碎车间内粉尘的运动规律。破碎车间厂房尺寸为长17 m、宽17 m、高14 m，用Gambit建立几何模型，并划分计算网格，如图2所示。
图2 破碎车间几何模型Fig.2 Geometric model of crushing plant
2.3 参数设置
根据石棉选矿厂破碎车间的具体情况和相关实测数据，结合计算流体力学两相流理论，对FLUENT数值模拟进行参数设定[9-10,12]，详见表1。该石棉矿主要为温石棉矿石，主要成分有二氧化硅、氧化镁和结晶水，它的分子式是Mg6[(OH)4Si2O5]2，原矿石粉尘密度为2 500 kg/m3。
表1 计算模型参数设定Table 1 Defining the calculation model parameters边界条件参数设定边界条件参数设定求解器分离求解器材质温石棉矿湍流模型k-ε双方程密度2500kg/m3
能量方程关闭粒径分布R-R入口边界速度入口粒径范围10-6～10-4m入口速度0.4m/s质量流率0.0002kg/s出口边界自由出流分布指数1.22水力直径2.0m喷射源类型面喷射湍流强度3.32%离散相边界捕捉/反弹离散相模打开收敛标准10-3计算频率10压力-速度耦合SIMPLEC阻力特征球形颗粒剪切边界无滑移
3 数值模拟分析
3.1 风流流场分布及分析
runonce破碎车间在作业的过程中，胶带连续地将矿石运至破碎机给料口，胶带间产生一定风流进入破碎车间，设置胶带间进入破碎车间风速为0.4 m/s，对车间内部风流进行数值模拟，得到车间内部风流矢量图和速度云图，详见图3。从模拟结果看出：风流进入车间，先沿着初始方向向前运动，当受到设备或墙壁阻挡后，风流方向发生不同程度的变化；风流流动过程中，流场影响区域呈现不断扩大的趋势，流场风速则是呈现减小的趋势，流向车间中央风流较多，车间两侧形成漩涡区，风流交换周期较长；根据风流不同状态分为射流区、涡流区、回流区、出口区等4种状态，射流区和出口区风速在 0.30～0.40 m/s，回流区风速保持在 0.20～0.30 m/s，涡流区风速范围为 0～0.20 m/s。
图3 破碎车间风流矢量Fig.3 Air flow vector of crushing plant
3.2 粉尘质量浓度分布及分析
破碎车间内主要尘源位置为胶带输送和破碎机入口处，粉尘在车间内部风流作用下产生逸散，扩散至车间内部。从图4至图8看出：破碎车间内部粉尘主要集中在输送胶带和破碎机附近，在破碎机物料入口处的粉尘浓度最高，粉尘在车间内部风流场的作用下逐渐向车间内部运移，粉尘浓度随着距破碎机入口的距离增加而逐渐变小；在平台高度位置粉尘浓度较高，高浓度粉尘主要集中在破碎设备上方，而距地面H=1.5 m呼吸带高度的粉尘浓度较低，车间大门附近粉尘浓度维持较低水平；在破碎车间人行通道上，越靠近车间内部，粉尘浓度越高，在人体呼吸带高度粉尘浓度维持在9～16 mg/m3范围。
图4 破碎车间粉尘浓度分布Fig.4 Dust concentration distribution of crushing plant
图5 破碎车间粉尘浓度等值线Fig.5 Dust concentration contour map of crushing plant
图6 破碎车间高度1.5 m处粉尘浓度分布Fig.6 Dust concentration of H=1.5 m in crushing plant
图7 破碎车间高度7.5 m处粉尘浓度分布Fig.7 Dust concentration of H=7.5 m in crushing plant
上海底薪图8 破碎车间人行通道上粉尘浓度分布Fig.8 The distribution of dust concentration on the humanoid channel in crushing plant
4 实测数据与模拟结果对比
4.1 现场实测
根据相关标准规范以及文献中的采样点布置方法，在破碎车间内布置测点，对车间内石棉粉尘和石棉纤维现场采样与实测，见图9。
