工業散狀物料轉運過程流動特性及粉塵控制研究現狀

周華鑫 王文遠

悉地國際設計顧問有限公司 北京 100013

1 粉塵顆粒流特性

工業散狀物料在轉運過程時的產塵主要發生在下落和碰撞過程中，因此明確散狀物料的流動規律和粉塵控制的現狀十分重要。散狀物料在轉運過程中會卷吸空氣進入到顆粒內部使其膨脹，同時物料中包含的一些細小顆粒受到空氣的作用力脫離主流形成粉塵。為了控制粉塵對工人的影響，需要對散狀物料在下落過程和碰撞時流態變化規律和卷吸空氣特性進行詳細研究[1-3]。

1.1 卷吸空氣量特性的研究

控制粉塵需要對卷吸空氣量進行深入研究。Hemeon教授[4]對單顆粒在靜止空氣中所受到阻力做的功進行假設，得到卷吸空氣量的計算公式。之后，許多學者基于Hemeon 研究基礎深入研究；Tooker 引進卷吸系數，Cooper 對粗、細顆粒進行研究得到半經驗公式。Glutz[5]用氧化鋁粉進行實驗研究，得出Cooper 模型與實驗數據更吻合，可用來模擬氧化鋁粉在自由下落過程中卷吸空氣量的變化。Ogata 則基于k- ε 方程，用數值模擬分析從圓形孔口落下的玻璃物料，給出了在Re＜500 時的卷吸空氣量半經驗公式。Uchiyama[6]利用二維渦方法對條縫出流非定常顆粒流分析得出二維渦模型對于開放、無邊界靜止的環境空氣自由下落微粒流特性模擬具有較好效果，但該方法難以追蹤顆粒軌跡。劉澤勤用細顆粒分析得出Cooper 模型更符合實際，用方程求解得到卷吸空氣量，但依舊受到卷吸系數影響。Esmaili[7]等使用高速攝像儀和圖像分析工具擴展了Cooper 和Arnold 提出的概念，根據體積守恒定律給出卷吸空氣量經驗公式。楊宏剛[8]用DPM模型求解了自由下落顆粒羽流卷吸空氣量，并與Cooper、Liu ZQ 和Ogata 等人模型在計算條件相同下的卷吸空氣量進行比較，發現擬合度非常高。

1.2 顆粒流流動特性和粉塵逸散的研究

為探索散狀物料顆粒流流動變化規律和粉塵逸散規律，需要對其自身和過程特性進行準確把握，以求對在轉運過程中的粉塵污染問題有所幫助。Ogata[9]等使用激光多普勒測速儀研究了氣體射流的質量流率和軸向速度截面下落高度的影響，得出顆粒流速度大于單個顆粒在空氣中速度，與質量流量成正比；Uchiyam 采用二維渦和三維渦方法研究了顆粒直徑對顆粒和空氣速度分布影響，得出卷吸空氣流動速率也與下落高度成正比。Ansart[10]等使用高速攝像機和透光率技術來研究下落物料的顆粒濃度、氣流速度分布以及顆粒流的粒徑分布，認為粒徑與顆粒流擴散程度呈反比，下落高度與顆粒水平運動速度呈反比，但是擴散的速度與顆粒軸心速度呈正比。Z.Zeren[11]等使用顆粒間摩擦粘性模型來模擬自由下落顆粒從筒倉下落，并得出筒倉出口處的平均質量流量與實驗測量的結果基本一致。Plinke[12]等研究發現影響粉塵產生的主要因素是散狀物料性質、落料速度、落料下落高度、含濕量以及落料顆粒的粒徑分布。Liu[13]對不同曲率落料導流板進行分析，發現隨著曲率增大，粉塵的量先減少后變大，可以找到最小粉塵量的曲率。張桂芹[14]實驗結果表明，隨著空氣濕度的增加，PM10 產生量降低；顆粒流隨下落高度的增加擴散面積增大；顆粒粒徑越小，顆粒的擴散面積越大。劉琳[15]以一個工程概況為實例對低位料倉汽車卸料產生的粉塵進行分析，對捕集罩的形式、排風口位置以及捕塵罩與塵源點的相對位置進行了優化設計。蔣仲安[16]理論分析了沖擊氣流的產生及流動過程，對比分析不同模型模擬結果與現場實測結果，驗證DPM 的準確性和適用性。

Wang[17]等研究了不同流態特性對粉塵擴散的影響，并利用DPM- CFD 以斜面上下落顆粒流作為研究對象，得出斜面出流顆粒流在下落時，隨下落高度增加空氣速度先增后減，且顆粒流周圍有渦流出現。王洪勝[18]以某選煤廠動篩車間為研究背景，依據氣固兩相流理論，分析研究吸塵罩安裝位置及結構參數對粉塵治理的影響，得到氣流及粉塵運動軌跡基本吻合，粉塵軌跡有滯后，吸塵罩加裝位置不受膠帶運輸速度影響，只取決于氣流運動軌跡及粉塵滯后距離，并通過現場密閉通風除塵實例，驗證了所建模型的科學性。李小川[19]提出在皮帶尾部的揚塵是轉運點最主要的產塵源, 隨后以半封閉轉運點為研究對象，利用π 定理研究了轉運點落料誘導氣流非線性變化影響因素，進一步分析發現落料產生的誘導空氣量不僅受物料質量流量影響，也與密閉罩總阻力系數有關。賈蘭[20]運用數值模擬，探究了露天礦回填過程中誘導氣流風速對粉塵顆粒運移逸散規律；張桂芹、呂太、馬云東[21-22]對誘導氣流揚塵進行研究，李小川[23]對轉運過程產生誘導氣流大小及其影響因素進行分析。張興華[24]采用量綱分析法，通過實驗數據擬合輸送機轉載點誘導氣流的計算模型，得出轉運點物料的給料量和落料高差是影響誘導風量的因素。

2 粉塵濃度的監測技術

近幾十年來，人們已經發現了諸多不同原理粉塵濃度測量，如濾膜稱重法、β 射線法、壓電法、微量震蕩天平法、電荷感應法、光散射法、光吸收法[25-26]。

2.1 粉塵濃度監測常用的方法

粉塵濃度監測儀主要分為粉塵采樣器、光散射式粉塵測試儀、β 射線測試儀、微量振蕩天平測試儀。其中粉塵采樣器所測粉塵濃度準確、可靠，被定為粉塵濃度測試基準方法，但該方法繁瑣，不能及時做出響應。后三種是直讀式儀器，校正后可快速讀取粉塵濃度，及時反映環境粉塵污染情況，被廣泛應用于礦井、環境空氣中粉塵濃度自動監測[27]。粉塵濃度監測儀性能比較見表1。

表1 粉塵濃度監測儀性能比較

2.2 常用方法的應用

（1）濾膜稱重法：發展歷史最長，國內外已發展了自動等速取樣裝置：如S 型便攜式采樣器、FC- 2B 型粉塵采樣器以及DF- 3 型雙頭粉塵采樣[28]。

（2）光散射式粉塵測試儀：技術比較成熟，趙政使用粉塵濃度GP2Y1010AU0F 傳感器設計了一款粉塵濃度檢測裝置，實驗表明，該裝置成本低廉，功能可靠，性價比以及實用價值都很高[29]。

（3）β 射線測試儀：由于存在放射性輻射源，易產生輻射泄露，使用者較少，白曉亮使用了PMS- 200 顆粒物采樣器與β 射線法顆粒物在線監測進行對比測定環境中PM10 質量濃度數據相對誤差低于±10%[30]。

（4）微量振蕩天平測試儀：現在應用較多的是是PDM3600 系列的個人呼吸性粉塵監測裝置，受環境因素影響較大，不適合連續監測。

3 生產性粉塵國家衛生標準及測定

（1）原理：總粉塵濃度用已知質量濾膜采集，由濾膜的增量和采氣量，計算出空氣中總粉塵的濃度；呼吸性粉塵濃度是空氣中粉塵通過預分離器，分離出的呼吸性粉塵顆粒采集在已知質量的濾膜上，由采樣后的濾膜增量和采氣量，計算出空氣中呼吸性粉塵的濃度。

（2）步驟：總粉塵分為濾膜準備、現場采樣、樣品運輸和保存、樣品稱量、濃度計算，呼吸性粉塵在濾膜準備后增加了預分離器準備。

（3）濃度計算公式：

以上的方法為測量空氣中總粉塵和呼吸性粉塵的基本方法，若使用其他儀器或方法測定粉塵質量濃度時，需要以本方法為基準。

4 討論與建議

（1）雖然研究者對粉塵的產生進行大量研究，并對上述問題進行分階段分析，但都是對其中某一階段進行研究獲得除塵結果，產塵機理方面的深入研究尚需探討。

（2）顆粒流下落過程的擴散受到顆粒流與接觸面的碰撞時的顆粒流的運動、顆粒流速度、含塵氣流流速與流向等多因素的影響，因此明確粉塵擴散規律，以求提出準確的粉塵控制策略，對粉塵進行高效控制。

（3）對實際工藝的針對性較弱，并且在現實工程中，顆粒運動形式多種多樣，缺乏應用的廣泛性。