袋装水泥车间粉尘扩散数值模拟研究

王禄龙

(南昌航空大学 330063)

袋装水泥车间粉尘扩散数值模拟研究

王禄龙

(南昌航空大学 330063)

袋装水泥包装车间是水泥企业的重要产尘点之一，水泥包装车间粉尘的控制尤为重要。文中以某袋装水泥包装车间为例，针对包装作业典型生产工艺过程及布局，进行现场调研及检测，采用数值模拟的方法，对该水泥包装车间现有通风系统粉尘分布情况进行数值模拟，分析得出现有通风系统对粉尘控制效果较差；并提出两种新的通风方案，一种为同侧上送下排，另一种为异侧上送下排，运用FLUENT流体力学软件模拟两种通风方案下气流组织情况，模拟结果表明，预计同侧上送下排的通风方式能有效控制该车间的粉尘扩散。

水泥粉尘；包装车间；FLUENT；通风

1 前言

我国正处于建材需求旺盛的时期，全国约有水泥生产企业5124家，接触粉尘人数约20万人，水泥尘肺病高发。经现场调研，水泥生产过程中包装作业是产生水泥粉尘较严重的一个环节，水泥包装车间的通风及除尘至关重要，实际生产过程中大多数水泥企业水泥包装车间通风系统存在设置不合理或者没有设置等情况。本文以某水泥包装车间为研究对象，对现有通风系统进行了流场分析及粉尘扩散分布的数值模拟分析，针对存在的问题提出了两种通风方案，并通过数值模拟分析研究了通风方案的可行性。

2 水泥包装车间概况

文中以某水泥企业为例，选取该水泥厂某袋装水泥包装车间进行研究，该包装车间内有1台八嘴回转式水泥包装机，生产能力为85t/h，每分钟装袋量约为30袋。该车间内包装机为半密闭负压状态，在包装机出口有除尘系统，局部排尘罩收集袋装水泥下落时产生的粉尘。通过现场观测，皮带处虽然有除尘措施，但除尘效果并不明显，工作区域粉尘仍然是四处弥漫，影响作业人员身体健康。该水泥包装车间示意图如下，见图1所示，其中厂房尺寸为长8m×宽8m×高5m，采取大门（长 2m，高 2.5m）处自然通风，同时在尘源处有局部排尘罩，罩口尺寸0.65m×0.65m，两面墙壁上有自然出风口。

3 尘源参数及现有通风系统粉尘分布

（1）尘源参数确定

该水泥包装车间粉尘源设置为面射源，位于袋装水泥包装机包装完成后经运输落到皮带上方的区域，经查阅文献，由经验公式可以得到尘源处发尘量（kg/s）。

公式中：c为尘源处粉尘浓度，kg/s；V为尘源处风速，m/s；A为尘源处断面面积，m2。通过现场调研及检测，尘源处粉尘浓度为42mg/m3，尘源处风速为0.48m/s，尘源断面面积取0.6m2，从而由上式计算得尘源处发尘量为1.21e-5kg/s。另外，经计算粉尘的粒径Rosin-Rammler分布为：最大直径8e-5m，最小粒径为e-6m，平均直径为4e-6m，分散指数为1.27。

（2）现有通风方式下粉尘分布情况

图1 现有通风方式粉尘滞留时间模拟结果

现有通风方式下粉尘在车间内滞留时间如图 1所示，通过分析现有气流组织和粉尘滞留时间可以发现，逸散的粉尘会被大门吹进的气流带到工作区中部，并向两个出风口方向运动，其中大部分粉尘会在工作区中部长时间滞留，并且会被墙壁及地面吸附或在墙角等位置滞留，一部分粉尘会随气流从大门对侧出风口排出，极少的粉尘会随气流运动到另一出风口，随气流排出，该出风口排出的粉尘较少，流向该出风口的部分气流经墙壁反弹后还会将粉尘吹向工作区域，使车间内粉尘弥漫。

4 通风方案及数值模拟结果分析

由以上气流组织和粉尘扩散分析可以看出，现有通风方式设置不合理，针对粉尘产生位置及现场布置情况，可以考虑采用全面通风。由于车间内在皮带上方粉尘浓度较大且尘源主要在皮带上方，并且排风口要尽量靠近有害物质浓度较高的区域，同时考虑该行业特征及经济节约等条件，提出采用侧送侧排的气流组织形式，出风口设置在离皮带较近的一侧，送风口一种情况位于出风口同侧，另一种情况位于出风口对侧，出风口大小为4m×0.5m，送风口大小为4m×0.25m，出风口和送风口离地面高度分别为0.5m和3.5m，出风口为自由出口边界，送风口速度为2m/s，同时车间大门关闭，其他条件没有变化。

（1）送风口和出风口均位于靠近污染源一侧时，模拟结果如下：

图2 送排风口同侧z=7m数值模拟结果

图3 送排风口异侧z=7m数值模拟结果

由图2速度云图可知：送风口气流以2m/s的速度进入车间内，刚吹入的气流速度较大，在屋顶形成贴附现象，经过一定距离不断与周围空气作用速度逐渐减小，大概减小到1.0～1.1m/s，当气流碰撞墙壁后会产生回流，同时在送风口射流影响下，射流区域周围空气也会具有一定速度，部分气流会流向送风口，由图 2中z=7m平面上速度云图可以看出气流在车间内呈顺时针流动，在远离皮带一侧的车间中上方会形成涡流，但是该涡流离尘源较远，所以对尘源的影响不大。在车间顶部也会形成小的涡流区，由于该区域较小且风速基本稳定在0.1m/s左右，对粉尘运动影响不大。同时出风口附近风速约为0.4～0.6m/s，且离尘源较近，会对粉尘产生一定的控制风速，使粉尘从出风口排出，加之尘源处局部排风罩的作用，预计此通风方案对粉尘的控制效果较好。

（2）出风口位于靠近污染源一侧，送风口位于对侧时模拟结果如下：

由图3中速度云图可知：送风口气流以2m/s的速度进入车间内，刚吹入的气流速度较大，在屋顶形成贴附现象，经过一定距离不断与周围空气作用速度逐渐减小，大概减小到0.8～1.1m/s，直到离壁面约2m时速度减小至0.4～0.6m/s范围内。当射流到达对面壁面前，受到重力作用影响会有向下弯曲的现象，到达壁面后会沿壁面向下运动，此时的风速约为 0.7m/s，当到达出风口时，气流会直接从出风口排出，造成气流短路，这样就使送入的部分新鲜空气从出风口直接排出，气流损失严重产生浪费，可见此通风方案的不合理性。

5 结论及展望

通过现场调研和数值模拟分析可知，文中选定的袋装水泥包装车间现场采取的通风方式不合理，粉尘不能得到有效控制。在分析现场作业空间和考虑气流组织选择的原则基础上，提出了两种通风方案，并进行了数值模拟分析得出结论：送排风口异侧的通风方案不合理，预计送排风口同侧且出风口靠近皮带一侧的上送下排通风方案能够对该包装车间粉尘控制起到较好的效果。由于现场作业条件较复杂，车间内的积尘、设备运行及不同季节温度等因素对水泥粉尘扩散有一定影响，所以需考虑这些因素做进一步研究。

[1]马骏.水泥生产中粉尘危害与防治[J].劳动保护,2014,(3):24-26.

[2]何伟明.水泥制造企业粉尘危害及防尘措施分析[J].建筑安全,2013,28(1): 70-76.

U453.5

B

1007-6344（2016）10-0007-01

王禄龙，男，贵州省黔南布依族苗族自治州人，大学本科，就读于南昌航空大学。研究方向生产安全。