生物質(zhì)成型車間粉塵微觀特性分析＊

楊 華，吳政強，袁 野，李 爍，陳天聰

（河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

國務院在《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書等文件中，要求加快提高清潔能源和非化石能源消費比例，支持利用清潔生物質(zhì)燃料[1]，因地制宜發(fā)展生物質(zhì)供暖，加快推進秸稈高值化利用[2]。生物質(zhì)成型燃料是指通過專門設備將生物質(zhì)（多為農(nóng)林副產(chǎn)品及加工剩余物）壓縮成特定形狀來增加其密度的固體燃料，是農(nóng)村地區(qū)最具可行性的生物質(zhì)利用方式。生物質(zhì)成型廠房中的粉碎和壓縮成型等環(huán)節(jié)會產(chǎn)生有機粉塵，對廠房室內(nèi)工作人員的健康造成嚴重的威脅[3]。粉塵的物理特征和化學元素組成對粉塵的沉降、擴散和毒性有較為直接的影響[4-5]，同時也影響粉塵在人體內(nèi)的吸入、沉積等危害的大小[6-8]。

本文以生物質(zhì)成型車間粉塵（揚塵出口揚塵、防塵薄膜上的落塵）為研究對象，對揚塵與落塵的形貌、粒度特征和元素組成進行對比和分析，旨在為生物質(zhì)成型車間的工作人員防護及通風除塵系統(tǒng)設計提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 測試廠房概況

本文實測的生物質(zhì)成型廠房位于河北省張家口市張北縣。該廠房為20 m×10 m 的單層人字形坡彩鋼瓦房，坐北朝南，檐口高度為4 m，正脊高度為5.2 m，無排風扇。廠房內(nèi)有1 臺秸稈粉碎機和1 臺壓輥式環(huán)模成型機，成型機的型號、總功率及生產(chǎn)能力分別為9K-3200D、75 kW 及1.0～1.5 t/h。成型原料為產(chǎn)自于當?shù)氐妮溄斩挘斩捲谑彝饨?jīng)粉碎后進入廠房堆料區(qū)，經(jīng)傳送帶進入成型機被壓縮為成型燃料。成型燃料經(jīng)傳送帶運送至儲料區(qū)稱重打包。廠房內(nèi)的粉碎、輸料等環(huán)節(jié)均做了防塵措施，生產(chǎn)時的主要粉塵發(fā)生位置在成型機頂部的泄壓口。

1.2 樣品采集

生物質(zhì)成型過程所產(chǎn)生的粉塵中，粒徑較大的會自然沉降，粒徑較小的將在空氣中懸浮。本文對粉塵發(fā)生處的揚塵和廠房室內(nèi)自然沉降的落塵均進行了采集，以對比二者的理化特性。揚塵的采樣位置在成型機的粉塵和蒸汽出口處，落塵的采樣位置在揚塵出口下方皮帶進料機的防塵薄膜上，如圖1（а）所示。生物質(zhì)成型機生產(chǎn)過程產(chǎn)生的揚塵如圖1（b）所示。

圖1 粉塵采樣點及揚塵實景圖

揚塵采樣在成型機運行時進行，采用Pаnаsоniс MC-C10G 塵袋式吸塵器進行粉塵采樣。該吸塵器可以高效地從揚塵出口捕集揚塵顆粒物。揚塵采樣過程中，1 名采樣人手持采樣器靜止站立于揚塵出口下方，將吸塵器吸入口對準揚塵出口進行采樣，采樣持續(xù)20～25 min，收集粉塵5～6 g。采樣結(jié)束后，將吸塵器的塵袋取出，用刮片將粉塵樣品刮入塑料密封袋保存。

落塵采樣在揚塵采樣前進行。成型設備開機前，先清理采樣點處，保證該處干燥無塵。隨后開啟設備進行生產(chǎn)作業(yè)，大約運行10 min，防塵薄膜有積塵后關(guān)閉設備，隨即用刮片采集5～6 g 的落塵，裝入塑料密封袋保存。

1.3 表征方法

粉塵形貌測試：采用JSM-7610F 掃描電鏡對現(xiàn)場采集的揚塵出口的揚塵、防塵薄膜上的落塵進行表面掃描，分析粉塵的表面形態(tài)。測試條件為工作電壓5.0 kV，放大倍數(shù)為25、500、2 000 及5 000。

粉塵粒度測試：采用Mаlvеrn Mаstеrsizеr 2000 激光粒度儀（測量范圍0.02～2 000 μm）分別測定揚塵和落塵的粒徑分布和中值粒徑等參數(shù)，用以描述并對比揚塵和落塵的粒度特征。

粉塵化學組成測試：采用ZSX_Primus II 熒光光譜儀對現(xiàn)場采集的揚塵和落塵化學組成進行測試，了解粉塵的元素組成。測試條件為工作電壓60 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉塵的形貌特征分析

采用JSM-7610F 掃描電子顯微鏡對生物質(zhì)成型車間中采集的揚塵樣本與落塵樣本形態(tài)特征進行了觀察，揚塵顆粒微觀結(jié)構(gòu)和落塵顆粒物微觀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 粉塵不同放大倍數(shù)下SEM 圖像

從SEM 測試結(jié)果的整體和單個顆粒物的圖像可以得到該生產(chǎn)場所內(nèi)顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)主要有2 種特點：一是條狀顆粒所占比例較多；二是含有少量的塊狀顆粒。此外，從高倍放大圖像中可以看出，較大顆粒的表面都比較粗糙，主要呈魚鱗狀。對比表面較光滑平整的顆粒物，也正是這種結(jié)構(gòu)被破壞的、比較粗糙的顆粒物更容易粘著在人體的呼吸道及肺部等器官上，不易排出[9]。對比揚塵與落塵的微觀結(jié)構(gòu)圖，并未發(fā)現(xiàn)太大的區(qū)別。

2.2 粉塵的粒度分析

采用馬爾文激光粒度儀（Mаstеrsizеr 2000）測定了揚塵與落塵樣品的體積-粒度分布，如圖3 所示。由圖3 可知：①生物質(zhì)成型車間揚塵與落塵的體積-粒度分布圖不完全遵循羅辛-拉姆勒（Rоsin-Rаmmlеr）分布，其中揚塵在粒徑為34.67 μm 和1 258.93 μm 時出現(xiàn)2個波峰。出現(xiàn)這種情況的可能原因是成型燃料的生產(chǎn)過程中，需要在生物質(zhì)物料中加入部分沙土，其中粒徑較小的沙土顆粒質(zhì)量較小，在成型機內(nèi)也會被熱蒸汽裹挾帶出，導致成型燃料生產(chǎn)過程中釋放的揚塵體積-粒度呈雙峰分布。②揚塵與落塵粒度區(qū)間皆為0.832～2 187.762 μm，中值粒徑分別為63.363 μm、86.437 μm。③落塵在粒徑為45.72 μm 出現(xiàn)波峰，而揚塵在粒徑為34.67 μm 時出現(xiàn)波峰。此外，揚塵中0～10 μm 顆粒物累計體積占有率為5.60 %，落塵中0～10 μm 顆粒物累計體積占有率為4.77%。可以說明落塵中小粒徑顆粒物少于揚塵中小粒徑顆粒物，這是因為揚塵中大粒徑顆粒物易于沉降，而小粒徑顆粒物更容易懸浮在氣流中。④揚塵和落塵的粉塵粒度分布曲線在粒度為1～10 μm 的附近皆有高度，說明揚塵與落塵都有一個共同的特點，就是存在一定量的粒度小于10 μm 的粉塵。其中揚塵粒徑分布在0～2.5 μm 和0～10 μm 之間累計體積占有率分別大約為1%和6%。由于粉塵的粒度越小，沉積部位越深，對人身體的危害越大[10]，因此揚塵與落塵皆對作業(yè)人員的健康有較大威脅。

圖3 揚塵和落塵體積-粒度分布

2.3 粉塵元素組成分析

應用ZSX_Primus II 熒光光譜儀對顆粒物進行化學元素組成分析，其可以對F 到U 元素進行定性、定量分析。

經(jīng)X 射線熒光光譜儀分析得到的原料、揚塵與落塵元素種類及質(zhì)量分數(shù)如表1 所示。

從表1 中可知，被檢測粉塵中質(zhì)量分數(shù)在1%以上的元素共有7 種，質(zhì)量分數(shù)排在前四的元素分別是Si、K、Cа 及Fе，其中揚塵Si 元素遠高于原料中Si 元素的質(zhì)量分數(shù)，是原料中Si 元素的1.55 倍，這是因為成型燃料在生產(chǎn)過程中需要在原料中加入沙土促進其成型，導致?lián)P塵中Si 高于原料中Si 質(zhì)量分數(shù)。此外，揚塵中還含有微量Cu 和Zn 等重金屬，故為了減少揚塵的危害，建議以后生產(chǎn)中使用其他類型的無毒無害粘合劑進行生產(chǎn)。揚塵與落塵元素種類及質(zhì)量分數(shù)差別不明顯。

表1 原料、揚塵與落塵主要元素質(zhì)量分數(shù)/（單位：%）

3 結(jié)論

本文在某生物質(zhì)成型廠房內(nèi)進行了揚塵和落塵采樣，并對粉塵的形貌、粒度特征和元素組成進行了對比和分析，得到以下主要結(jié)論。

粉塵樣本微觀上為條狀和塊狀結(jié)構(gòu)，其表面較粗糙，揚塵與落塵形貌差距較小。揚塵分別在粒徑為34.67 μm 和1 258.93 μm 時出現(xiàn)2 個波峰，落塵分別在粒徑為45.71 μm 和1 258.93 μm 時出現(xiàn)2 個波峰；粉塵粒度分布范圍為0.832～2 187.762 μm，小于10 μm揚塵約占全部揚塵體積的6%。粉塵中揚塵Si 元素質(zhì)量分數(shù)是原料中Si 元素的1.55 倍，粉塵中元素種類及質(zhì)量分數(shù)差別不明顯，其中質(zhì)量分數(shù)在1%以上的元素共有7 種，還含有微量Cu 和Zn 等重金屬。