鐵渣轉運廊道粉塵分布規律及其影響因素模擬研究

任曉芬，郭軍霞，郜玉聰，張 蕾，叢曉春

(1.石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.河北工程大學能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038；3.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590)

皮帶輸運是固體顆粒物料轉運的主要方式，被廣泛應用于各行各業，如選煤廠煤粉轉運，礦井巷道煤粉轉運，燒結礦轉運，化學原料、冶金原材料和水泥原材料的輸送，鋼鐵廢渣回收再利用等[1]。輸運過程中由于皮帶及附屬設備振動、皮帶運行的牽引風流、物料下落過程中的誘導氣流的共同影響，產生大量的粉塵，容易引發塵肺病及其他呼吸系統疾病，嚴重威脅工人的身體健康。因此，研究皮帶轉運物料時粉塵的遷移擴散規律，掌握粉塵分布特點及粉塵濃度的影響因素，對降低工作場所粉塵濃度有重要的指導作用。

目前已有一些學者對物料轉運過程中粉塵的擴散規律及其影響因素進行了研究，研究成果主要集中于輸運物料自身特性、皮帶運行速度、巷道環境風速三個方面。針對輸運物料自身特性開展的研究包括不同物料量、物料含水率、顆粒粒徑對粉塵分布規律的影響，其中物料量與產塵量是直接相關的，如張子文等[2]，張海洋等[3]對不同運煤量下粉塵濃度的分布規律進行數值模擬，結果證明運煤量越大，揚塵作用越明顯；袁明昌[4]、魏德寧等[5]通過研究得出提高物料含水率可有效降低粉塵濃度的結論；劉少虹等[6]對皮帶巷風流與巷道粉塵濃度分布進行了模擬研究，得到顆粒起塵濃度與顆粒直徑成反比的結論；吳應豪[7]對巷道內粉塵的沉降規律進行了研究，結果表明巷道中大顆粒粉塵沉降距離與粉塵粒徑成正比，而小顆粒粉塵通常易隨風流漂移而難以沉降。大量的研究證明皮帶運行速度對巷道粉塵分布有明顯的影響，如陳舉師等[8-9]采用試驗、數值模擬相結合的方法對巷道內氣流場與粉塵分布進行了研究，結果表明：皮帶運行速度是影響常溫物料粉塵擴散的主要原因；Zhang等[10]、汪日生[11]、朱鵬等[12]、汪佩[13]研究了巷道風流速度對粉塵濃度的影響，結果表明：在一定風速范圍內，巷道內粉塵濃度隨風速的增大而降低，風速增大對粉塵排出具有促進作用。

少數學者針對其他領域高溫單顆粒和非常溫環境中粒子運移規律進行了研究，如：Duan等[14-15]從高溫單顆粒在氣流場中的動力學特性出發，建立了單顆粒傳熱動態計算模型，得出高溫單顆粒在上升過程中較常溫顆粒物具有較小空氣阻力和較大速度且在流場中具有較長的運動時間的結論;Neuman[16-17]通過風洞實驗證明，空氣溫濕度會對沉積物粒子輸送產生影響，同粒徑顆粒在低溫環境中輸運所受的空氣阻力比在高溫環境中降低30%，即低溫環境更加有利于粉塵顆粒的運移擴散。

綜上所述，對于皮帶輸運中粉塵污染的研究主要集中在常溫干物料且未涉及到環境溫度這一影響因素，目前針對皮帶輸運熱濕物料產塵規律的研究也鮮有述及。根據已有的相關研究可知環境溫度、物料溫度會對粉塵運移產生一定的影響，因此本文依據某鋼鐵企業熱濕鐵渣轉運廊道實際情況，建立廊道模型，模擬不同鐵渣溫度、室外環境溫度和皮帶運行速度下的粉塵分布規律，探究鐵渣轉運廊道內粉塵分布特點及其影響因素，以為實際的粉塵控制工作提供依據，對改善工作環境，保障工人身體健康具有重大的意義。

1 現場實測

1.1 現場概況

某鋼鐵企業鐵渣轉運廊道全長為170 m，廊道斷面形狀為長方形，寬為4.5 m，高為3 m，皮帶輸送機位于廊道正中心位置，皮帶長為160 m、寬為0.9 m，距底板高度為1.2 m；皮帶兩側均有寬為1.8 m的過道，過道裝有電線、管道、人行梯等設備，剩余空間供作業人員日常通行；廊道起始端與末端均有一扇門，皮帶機頭和機尾正上方各有一個天窗，廊道內無任何除塵設備和機械通風裝置，僅在機頭落料點做了簡單密封，由于高溫物料及皮帶運行的影響，現場粉塵較為明顯，圖1為現場肉眼可見的漂浮顆粒物。課題組前期已采用掃描電子顯微鏡(SEM)對鐵渣轉運廊道內的粉塵進行了粒徑分析[1]，結果發現存在很多粒徑10 μm以下的微細顆粒物(見圖2)。此外，利用X射線能譜儀(EDAX)分析了顆粒物元素成分，發現SiO2含量較多，SiO2是職業衛生標準中嚴格控制的、可誘發塵肺病的主要成分。

圖1 鐵渣轉運廊道內顆粒物

圖2 鐵渣轉運廊道內顆粒物形貌(20 μm標尺)

1.2 測試參數及儀器

現場測試主要內容包括鐵渣轉運廊道內風速、溫度、呼吸性粉塵濃度、鐵渣溫度和廊道外空氣溫度。溫度的測試儀器為美國NK5000型電子氣象儀；風速的測試儀器為日本加野KANOMAX6006測風儀；呼吸性粉塵濃度的測試儀器為科爾諾四合一檢測儀(GT1000-YX4)；鐵渣溫度的測試儀器為Testo869紅外熱像儀。

1.3 測點布置

根據風流流場理論及鐵渣轉運廊道實際情況，進行風速測點布置，沿廊道長度方向(機頭至機尾)選取9個測試斷面[18](見圖3)，在每個斷面布置12個風速測點[見圖4(a)]；廊道內溫濕度和呼吸性粉塵濃度的測試斷面參照風速測試斷面，根據工業場所呼吸性粉塵測試要求，需將測點布置于工人長時間作業與停留的區域，因此每個斷面測點都應布置于人行道側距皮帶0.9 m、距離廊道底板1.5 m的呼吸帶高度處[19][見圖4(b)]，從廊道機頭位置開始向皮帶機尾方向每隔20 m設定一個測試點，共計9個測點，所測數據用于模型驗證；本次呼吸性粉塵測定均在皮帶運輸機運行平穩、巷道內粉塵濃度達到穩定狀態時進行，測試儀器相對誤差為±3%，每個測點粉塵濃度采樣次數為3次，采樣時間設定為5 min；風速和溫濕度的現場測定過程，見圖5。

圖3 鐵渣轉運廊道測試斷面圖

圖4 鐵渣轉運廊道I-I斷面測點布置示意圖

圖5 風速和溫濕度的現場測試圖

2 數值模擬

2.1 模型建立

由于鐵渣轉運廊道內現場情況復雜，建模比較困難，結合模擬計算的實際需求，對鐵渣轉運廊道模型進行了適當的簡化和假設：

(1) 將鐵渣轉運廊道和皮帶輸送機視為長方體；

(2) 鐵渣轉運廊道內人行梯、管道等附屬設備較小，對流場與粉塵擴散的影響較弱，建立模型時忽略不計[4]；

(3) 忽略人員流動及附屬設備運行對鐵渣轉運廊道粉塵濃度的影響；

(4) 將皮帶設為移動熱源，皮帶軸面上的溫度變化不予考慮[1]；

(5) 鐵渣轉運廊道模型僅考慮對流傳熱，忽略熱傳導、輻射換熱的影響；

(6) 鐵渣轉運廊道內空氣為不可壓縮氣體，且符合Boussinesq假設。

基于上述簡化，采用ICEM軟件建立尺寸為 170 m×4.5 m×3 m的長方體鐵渣轉運廊道三維幾何模型，皮帶輸送機尺寸為160 m×0.9 m×1.2 m，位于廊道正中間位置，模型坐標原點為廊道底面、入口面與側壁面的交界處，X、Y、Z軸正方向分別指向運輸機徑向一側、皮帶機機尾、廊道頂面，鐵渣轉運廊道三維幾何模型見圖6。采用非結構化網格進行網絡劃分，最大面網格尺寸設定為0.27 m，整體網格質量大于0.35，滿足Fluent軟件計算的要求。

圖6 鐵渣轉運廊道三維幾何模型

2.2 模擬參數設置

根據鐵渣轉運廊道現場情況，結合實測數據，對圖6所示的計算模型進行了模擬參數、邊界條件和離散相參數設置，其中邊界條件設置如下：皮帶設為移動壁面，速度設為2.5 m/s，溫度設為328 K；廊道起始端設為壓力入口、末端為壓力出口，相對壓力設為0 Pa；機頭和機尾的天窗為壓力出口，相對壓力設為0 Pa；廊道頂面、底面和側壁設置為固定壁面。模擬參數和離散相模擬參數設置，分別見表1和表2。

表1 模擬參數設置表

表2 離散相參數設置表

2.3 模型驗證

為了驗證所建立的計算模型的準確性和可靠性，將模擬結果與實測數據進行了對比分析。不同位置測點的風速、溫度、呼吸性粉塵質量濃度實測值與模擬值如圖7所示(圖中橫坐標Y的意義為：人行道截面呼吸帶高度沿程直線上各點距廊道起始端的距離，下同)。

由圖7可見：風速、溫度、呼吸性粉塵質量濃度的模擬結果與實測結果基本吻合，但模擬是在理想條件下進行的，對鐵渣轉運廊道內部設備做了相應的簡化，導致廊道內風速模擬值小于實測值；模擬中廊道壁面視為絕熱壁面且不考慮在皮帶軸面上的溫度變化，使模擬所得的溫度值略大于實測溫度值；呼吸性粉塵質量濃度3次測試數據最大誤差在16.7%以內，將模擬所得的呼吸性粉塵質量濃度與實測值進行了對比，最大誤差為19.39%，從而證明本文所建立的模型用于研究鐵渣轉運廊道呼吸性粉塵分布規律及其影響因素具有可靠性和有效性。

圖7 實測與模擬數據對比圖

2.4 模擬結果及分析

2.4.1 流場與溫度場分布規律

在進行DPM計算前先對流體相進行了單獨求解，當流體相達到穩定狀態后再加入離散相，對粉塵顆粒在此流場中的分布規律進行求解計算，以第2.1節和第2.2節中所建模型與邊界條件的模擬結果為例，說明鐵渣轉運廊道內流場與溫度場的分布規律。鐵渣轉運廊道寬度方向正中間截面(X=-2.25 m)的速度矢量圖，見圖8。

圖8 鐵渣轉運廊道寬度方向正中間截面(X=-2.25 m)的速度矢量圖

由圖8可見：由于皮帶輸送機卷吸周圍空氣形成負壓，使外界新風經廊道起始端入口和機頭上部天窗誘導進入廊道，且在機頭位置匯集，形成渦流；廊道中部無通風裝置，風速較為穩定，風流方向與皮帶運行方向一致，貫穿整個廊道，經皮帶機尾上方天窗和廊道尾部出口流向廊道外部。

人行道正中間截面(X=-3.6 m)的溫度分布，見圖9。

圖9 人行道正中間截面(X=-3.6 m)的溫度云圖

由圖9可見：皮帶上廢渣與廊道內部空氣發生對流傳熱，熱氣流在風場的影響下不斷向廊道尾部流動，導致人行道截面溫度在廊道長度方向上存在分層現象，且呈現上升趨勢；在廊道高度方向上以皮帶面為中心，呈V型分布。

2.4.2 粉塵質量濃度分布規律

(1) 鐵渣溫度對粉塵分布規律的影響。保證室外環境溫度為295 K、皮帶運行速度為2.5 m/s等模擬條件不變，設鐵渣溫度(T)分別為 318 K、328 K、338 K，不同鐵渣溫度下鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵質量濃度分布見圖10，不同鐵渣溫度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質量濃度沿程變化規律見圖11。

圖10 不同鐵渣溫度下鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵質量濃度分布圖

圖11 不同鐵渣溫度下鐵渣轉運廊道內人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度沿程變化圖

由圖10可知：呼吸性粉塵在皮帶運輸機表面產生后，縱向隨機波動，橫向隨風流方向不斷擴散；廊道前5 m無產塵點，外界風流從機頭上方的天窗侵入流向皮帶機頭表面，導致皮帶機頭區域粉塵無法向周圍空間擴散，廊道長度方向前10 m基本無粉塵產生。由圖11可見：不同鐵渣溫度下廊道內呼吸性粉塵質量濃度沿程的分布規律大致相同，均呈現逐漸上升的趨勢；但隨著鐵渣溫度的上升，廊道內呼吸性粉塵質量濃度整體升高，人行道呼吸帶高度粉塵質量濃度在90 m后均高于700 μg/m3，達到工作場所有害因素呼吸性粉塵質量濃度限值(300 μg/m3[20])的2倍以上。

(2) 室外環境溫度對粉塵分布規律的影響。保證鐵渣溫度為328 K、皮帶運行速度為2.5 m/s等模擬條件不變，設室外環境溫度(t)分別為 275 K、290 K、305 K，不同室外環境溫度下鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵質量濃度分布見圖12，不同室外環境溫度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質量濃度沿程變化規律見圖13。

圖12 不同室外環境溫度下鐵渣轉運廊道內人行道斷面呼吸性粉塵質量濃度分布圖

圖13 不同室外環境溫度下鐵渣轉運廊道內人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度沿程變化圖

由圖12可知：不同室外環境溫度下廊道內粉塵質量濃度的分布規律基本一致，因風流作用，人行道中后部粉塵質量濃度大于起始端。由圖13可知：呼吸帶高度粉塵質量濃度沿廊道長度方向呈逐漸上升趨勢，且隨室外環境溫度的升高而升高；室外環境溫度由275 K升高至305 K時，廊道內相同位置粉塵質量濃度升高約為2.7%～36.4%，造成粉塵濃度升高的原因是隨著室外環境溫度的升高，廊道內溫度也隨之升高，導致空氣動力黏度增大，從而引起粉塵在遷移過程所受阻力增大。

(3) 皮帶運行速度對粉塵分布規律的影響。鐵渣溫度為330 K、室外環境溫度為290 K等模擬條件不變，設皮帶運行速度(v)分別為1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，不同皮帶運行速度下鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵質量濃度分布見圖14，不同皮帶運行速度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質量濃度沿程變化規律見圖15。

圖14 不同皮帶運行速度下鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵質量濃度分布圖

圖15 不同皮帶運行速度下鐵渣轉運廊道內人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度沿程變化圖

由圖14和圖15可知：不同皮帶運行速度下廊道內呼吸性粉塵濃度的分布規律均呈現逐漸上升的趨勢；沿程粉塵質量濃度隨皮帶運行速度的增大而減小。因為轉運物料為熱濕物料，揚塵主要受物料溫度的影響，受皮帶振動的影響較小，粉塵的擴散過程主要受廊道內流場的影響，呼吸性粉塵顆粒在氣流場中跟隨性較強，皮帶運行速度越大牽引風流越大，導致廊道內整體風速均增大，粉塵隨風流在廊道長度方向的擴散作用越明顯，經廊道末端出口與機尾上方天窗排出的粉塵較多。因此，在鐵渣的實際轉運線上，既需將粉塵濃度控制在衛生許可范圍內，又要保證皮帶機安全穩定運行，故綜合考慮宜將皮帶的合理運行速度v設定為2.5 m/s。

3 各因素的影響程度分析

3.1 正交實驗設計

為了研究鐵渣溫度(A)、 室外環境溫度(B)、皮帶運行速度(C)3種影響因素對鐵渣轉運廊道內粉塵濃度分布的影響程度，本文采用正交實驗的設計方法[21]，將上述3因素各選取3個水平進行正交表設計，各影響因素水平見表3，正交實驗設計方案見表4。

表3 影響因素水平表

表4 正交實驗設計方案表

3.2 正交實驗結果分析

3.2.1 結果評價指標

根據上述正交實驗方案，依次進行計算。分析各因素對鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵分布的影響程度，考慮到人員具體作業和活動區域，對以上9個工況的評價以人行道斷面呼吸帶高度均勻選取的170個點的呼吸性粉塵質量濃度總和為評價指標，呼吸帶高度粉塵質量濃度越小越好。

3.2.2 模擬結果與極差分析

不同工況下人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度總和模擬計算結果見表5。從計算結果看，當鐵渣溫度為318 K、室外環境溫度為305 K、皮帶運行速度為3 m/s時，人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度最小，廊道內環境相對較好。

表5 不同工況下人行道斷面呼吸帶高度粉塵質量濃度總和的模擬計算結果

利用極差R判斷鐵渣溫度、室外環境溫度和皮帶運行速度3個因素的影響程度，R值越大說明該因素對粉塵分布的影響越大。粉塵質量濃度模擬結果的極差分析結果見表6。

表6 粉塵質量濃度模擬結果的極差分析表

由表6可知，對粉塵質量濃度的影響程度由大到小依次為皮帶運行速度(C)、鐵渣溫度(A)、室外環境溫度(B)。

4 結 論

(1) 數值模擬結果與實測數據的吻合程度較高，說明采用DPM 模型對鐵渣轉運廊道內呼吸性粉塵濃度分布規律及其影響因素進行研究可行。

(2) 呼吸性粉塵顆粒氣流跟隨性較強，粉塵顆粒自皮帶面產生后，縱向隨機波動，橫向隨風流方向不斷擴散，在沿程粉塵累積與擴散的作用下，人行道中間截面粉塵質量濃度沿廊道長度方向逐漸增大，且在廊道中后部以后粉塵質量濃度均大于700 μg/m3，達到工作場所粉塵質量濃度限值的2倍。

(3) 廊道內粉塵質量濃度隨鐵渣溫度、室外環境溫度的升高略有升高，隨著皮帶運行速度的增加而降低，在實際鐵渣轉運過程中，既需將粉塵質量濃度控制在限值內又要保證皮帶安全穩定運行，宜將皮帶運行速度設置為2.5 m/s。

(4) 通過正交實驗設計與極差分析，得到各影響因素對粉塵質量濃度的影響程度由大到小依次為皮帶運行速度、鐵渣溫度、室外環境溫度。