水泥包装车间装袋岗位粉尘控制研究

(华北科技学院 河北 廊坊 065201)

前言

我国现有水泥生产企业包装车间仍以人工插袋方式为主[1]，袋装水泥的长期需求，短期内难以将包装设备实现升级换代的困境，以及包装作业从业人员众多的事实，决定了包装环节水泥粉尘危害治理的迫切性[2]。目前常用的方法是给包装机加一个半密闭罩，并使罩内形成负压，但由于罩内局部通风系统设计不合理，造成罩内粉尘浓度超标以及溢出到罩外的车间里，插袋工人长时间在半密闭罩内进行插袋作业，对工人的健康造成了威胁，因此罩内的气流组织状况以及局部通风系统的控尘效果值得关注。

一、现有情况下数值模拟

(一)几何模型及网格

为了便于与实测结果进行对比，模拟原型按照1:1比例进行三维建模，几何模型的主体尺寸为3400mm×2520mm×2550mm，如图1，8个料嘴为8个尘源面，忽略传送带及水泥袋的影响。网格划分时包含了结构网格和非结构网格这两种类型的网格，统计网格数为904113，网格质量良好，满足计算要求，见图2。

图1 现有情况下几何模型

图2 现有情况下模型网格划分

(二)现有情况下数值模拟结果

主要研究呼吸带高度(y=1700mm处)气流组织情况。观察图3a中呼吸带高度速度云图可以看到，从入口进入的气流，由于包装机的影响，分成两股，一股流向2号排风口，一股随包机的旋转流向包机左后方，风速逐渐减弱。此截面有5个涡流，呼吸带高度入口处附近风速在1.00m/s-2.00m/s之间，入口左侧的涡流处并没有粉尘聚集，但风速较小，在0.1m/s-0.3m/s左右。入口右侧的涡流处风速较低，容易造成粉尘的积聚，参照粉尘浓度云图(图3b)也可以看出，粉尘浓度较高，在30mg/m3左右；包机后左后方的三个涡流，风速较小，基本上在0.1m/s-0.4m/s，粉尘浓度较高，基本上在100mg/m3以上。这是由于包装机后部空间较大，从入口流入的新风被包装机影响而减弱，距离排风口较远，容易造成粉尘的积聚。

图3 现有情况下速度云图粉尘质量浓度

二、控尘方案研究

(一)方案1：改变风量

几何模型及网格模型没有改变，在原来的基础上，改变初始条件。根据总风量不变的原则，2号排风口风量从原来的3000m3/h(简称风量为3k)的风量增至4500m3/h(简称风量为4.5k)，1号排风口风量相应减少。

增大2号排风口风量后，分析速度云图及速度矢量图可知，罩内风速分布相对均匀，包机后方涡流很大程度减弱，并且风速比现有通风条件较高。但是粉尘浓度并没有因此减弱，依然高达100mg/m3以上。初步判断与入口以及排风口的设置有关，包机后部离入口较远，且被包机阻挡一部分风速；排风口的面积较小，以及包机后方离2号和3号排风口的位置较远。

图4 方案1气流组织状况及粉尘浓度分布

(二)方案2：改变排风口的位置

几何模型在原来的基础上，将2号排风口移动到包机后方的墙壁，网格化分步骤与现有通风状况下的网格化分步骤一致，得到的网格图如图5(a)所示。

图5 方案2模拟结果

2号排风口的位置移动到包机后部后，将方案2风速云图和矢量图(图5b、c)与现有情况对比可知，包机后部速度整体均匀且增大，粉尘浓度一直居高不下的原因很可能是入口距离包装机后部较远，以及虽然2号排风口的风量大，但面积小，一时无法完全将汇集于此的粉尘全部带走，造成粉尘的聚积。

(三)改变风量及出入口的方位

根据现场实际情况，以及方案1和2的分析，根据实际情况，缩减密闭罩入口到包机后部的距离，由于现场实际情况通风系统的限制，排风口2无法移动到包机后部的罩壁上，因此2号排风口依然在右侧，但将其往右后上方设置，并将3号排风口增大面积并移动到同入口一侧，几何模型见图6。

图6 方案3几何模型图

方案3在呼吸带高度的风速分布较好，风速较大，基本上在1.2m/s-1.8m/s之间，包机后部风速较大(1.8m/s以上)，参照图7，没有粉尘积聚。只有在尘源处浓度较大，最大值45mg/m3左右，并且大大改善了包机四角的粉尘积聚，虽然包机右侧有一涡流，风速在0.25m/s左右，但粉尘浓度在6mg/m3左右，在排风口3处有一部分粉尘聚积，但很快就能被排风带走。因此，方案3的气流组织最为合理。建议改造方案按照方案3进行设计。

三、结论与展望

现有情况下的气流组织较为紊乱，从整体上看，在靠近尘源处、半密闭罩四角以及包装机后方粉尘浓度较高，粉尘扩散规律主要包括三个方面：大部分粉尘在包装机后方及墙角滞留区和罩内涡流区域积聚。粉尘平均浓度(总尘)为156.46mg/m3，而模拟的结果显示浓度为100mg/m3以上，基本符合实测结果。

本文提出三个控尘方案，研究显示，由于包装机的影响，单独的增加某一排风口的风速(流量)或者改变其位置，对整个气流组织的影响不大，除尘效果不佳；但当入口与排风口形成对角线关系时，整个半密闭罩内气流稳定，粉尘浓度降低幅度明显，总尘质量浓度降低到了6mg/m3，符合标准的要求。大大改善了空气质量。为了更好的改善插袋工的工作环境，建议在插袋工作业上方安装顶吹气幕，将其呼吸带隔离开来，进一步优化其呼吸带处空气质量。