水泥厂包装车间的粉尘污染特征

彭霖，刘小真,b，杨明生

(南昌大学a.资源环境与化工学院，江西 南昌 330031;b.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031)

中国水泥混凝土年产量已连续多年超过世界混凝土年产量的50%，位居世界第1位[1-2]。水泥制造业属于职业病危害风险严重的行业[3-7]，水泥包装间产尘是一个动态产尘过程，水泥包装系统长期以来存在粉尘污染问题[8-11]，引起尘肺，危害人体健康[12]。随着我国国民经济的迅速发展，我国水泥尘肺病例不断增加，部分地区水泥尘肺的新发病例数很多,水泥尘肺属于硅酸盐类尘肺[13-15]。尘肺病发病机制复杂，目前没有有效的治疗方法[16-17]，且水泥尘肺的病死率可高达28.6%[18]。要预防尘肺病的发生必须减少作业环境的粉尘污染。脉冲袋式收尘器具有设备故障率低，运行稳定，维护费用低，除尘效率高的特点[19]。白元[20]通过分析水泥包装车间通风除尘效果不理想问题，对通风系统进行了设计改造。通过对集尘点的改造、反吹风压控制等措施[21]，或基于数值模拟对袋式除尘器清灰性能进行分析与结构优化，来解决除尘效果差的问题[22-23]。

当前，对水泥厂包装车间袋式除尘器安装前后空气粉尘和工作人员接触粉尘质量浓度对比研究的案例较少。基于此，本文探究袋式除尘器在水泥厂的应用效果。通过对包装车间工作区域布点采样，来探究各区域粉尘污染状况，为水泥厂今后的除尘研究及粉尘的污染控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点的选择

NC水泥厂目前建有110万吨水泥配置线和年生产40万m3混凝土生产线。主导产品为PC42.5、PO42.5、PO52.2、PII52.2等高标号水泥和商品混凝土。袋装水泥在经水泥包装区完成包装后，经皮带运输至装车区，最后经装包工搬至运输车上。对NC水泥厂粉尘重点污染区域包装区、装车区及皮带输送区等进行采样，同时对各工作区域和工种进行布点采样，来探究各污染区域的污染状况。采样当天温度在24～28 ℃，风速为1～2级。

1.2 样品的采集

采用5台CCZ5防爆个体粉尘采样器和5台GilAir-5广用型高低流量采样器，用STEL和TWA采样法，对以上采样点进行采样，包括空气中总粉尘和呼吸性粉尘，作业人员个体接触总粉尘和接触性粉尘。

1.3 样品的分析

采样后，取出滤膜，将滤膜的接尘面朝里对折2次，置于清洁容器内运输和保存。运输和保存过程中应防止粉尘脱落或污染。称量前，将采样后的滤膜置于干燥器内2 h以上，除静电后，在十万分之一电子天平(型号MS105DU)上准确称量，记录滤膜和粉尘的质量m2。

按式(1)计算空气中总粉尘的质量浓度：

C=1 000×(m2-m1)/V·t

(1)

式中：C为空气中总粉尘的质量浓度，mg·m-3；m2为采样后滤膜质量，mg；m1为采样前滤膜质量，mg；V为采样流量，L·min-1；t为采样时间，min。

数据分析借助SPSS15统计软件分析，相关图表制作在Origin2016中完成，袋式除尘器三维图是根据袋装车间内部布局及其相关尺寸大小，利用Gambit软件按照原型1：1比例进行三维建模。

1.4 改装后的袋式除尘器

本实验在水泥传统袋式除尘器内部合理布置导流板并设计合理的角度，通过改善粉尘容器内的空气流动，增加颗粒的惯性效应，有效提高现有百叶除尘器的颗粒收集效率。袋式除尘器的中箱体长7.5 m、宽2.5 m、高3 m，箱体内错位排列着直径为130 mm、高2 100 mm的圆柱形滤袋，中箱体下方是2个并列排列的长3 m、宽2.5 m、高2.4 m的灰斗。袋式除尘器三维图如图1所示。

2 结果与分析

2.1 包装区粉尘质量浓度

为了探究袋式除尘器的应用效果及包装区粉尘污染分布特征，对包装区定点进行15 min短时间布点采样，计算CSTEL。同时，根据工人作业生产班内的作业强度和周期，对包装工进行个体采样，计算CTWA。包装区粉尘质量浓度见图2所示，安装除尘器前后的粉尘平均质量浓度见表1。

由图2可知，安装除尘器前，定点粉尘质量浓度采样中，包装车间包装区4个定点总尘质量浓度范围为11.94～14.64 mg·m-3，超标倍数为2.99～3.66倍(国家标准总尘质量浓度≤4 mg·m-3，现场定点采样评价总尘质量浓度2倍以内算合格)，粉尘质量浓度平均降低率为84.18%(4个定点粉尘降低率取平均值)。呼尘质量浓度范围为5.17～6.87mg·m-3，超标倍数为3.45～4.58倍(国家标准呼尘质量浓度≤1.5 mg·m-3，现场定点采样评价质量浓度2倍以内算合格)，粉尘质量浓度平均降低率为83.04%。而在个体粉尘采样中，个体接触总尘质量浓度为7.58～9.58 mg·m-3，超标1.90～2.40倍(个体采样国家标准总尘质量浓度≤4 mg·m-3)，粉尘质量浓度平均降低率为84.00%。个体接触呼尘质量浓度范围为2.47～3.63 mg·m-3，超标1.65～2.40倍(个体采样国家标准呼尘质量浓度≤1.5 mg·m-3)，粉尘质量浓度平均降低率为82.64%。

表1 包装区除尘器安装前后粉尘平均质量浓度Tab.1 Average dust mass concentrations before and after installing the dust collector in the packing area

安装除尘器后，定点总尘、定点呼尘、个体接触总尘、个体接触呼尘质量浓度最大值分别为2.34、1.28、1.46、0.57 mg·m-3，空气中粉尘和个体接触粉尘质量浓度均有了很大的改善，安装除尘器后粉尘质量浓度均符合国家限定标准，粉尘质量浓度降低率在83.50%左右，除尘效果较好。

对粉尘的二氧化硅含量进行检测分析，粉尘的二氧化硅含量为7.8%，定性为水泥粉尘。对安装除尘器前后的粉尘污染特征进行分析，安装除尘器前，空气中粉尘排放方式为无组织排放。安装除尘器后，空气中的粉尘排放方式为有组织排放。

2.2 皮带输送区粉尘质量浓度

为了探究水泥厂包装车间皮带输送区粉尘污染状况，对皮带输送区的输送带头部、输送带拐点、输送带尾部进行粉尘采样。由于巡检工活动区域不仅为皮带输送区，故对皮带输送区巡检工进行个体采样无法分析出皮带输送区个体接触粉尘质量浓度情况。在此，仅对安装袋式除尘器前后的皮带输送区的定点粉尘质量浓度进行采样，结果如图3、图4所示。

由图3可知，输送带头部总尘平均质量浓度为4.77 mg·m-3，呼尘平均质量浓度为1.74 mg·m-3；输送带拐点总尘平均质量浓度为8.15 mg·m-3，呼尘平均质量浓度为2.91 mg·m-3；而输送带尾部总尘平均质量浓度为6.06 mg·m-3，呼尘平均质量浓度为2.07 mg·m-3。

由图4可知，安装除尘器后皮带输送区总尘和呼尘质量浓度同样表现为输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。对比图3，安装除尘器后，输送带头部的总尘平均质量浓度为0.71 mg·m-3，除尘率为85.12%；呼尘平均质量浓度为0.39 mg·m-3，除尘率为77.59%。输送带拐点的总尘平均质量浓度为1.22 mg·m-3，除尘率为85.05%；呼尘平均质量浓度为0.69 mg·m-3，除尘率为66.67%。输送带尾部的总尘平均质量浓度为1.11 mg·m-3，除尘率为81.68%，呼尘平均质量浓度为0.42 mg·m-3，除尘率为79.71%。整个皮带输送区总尘平均除尘率为83.95%，呼尘平均除尘率为74.66%。可见，除尘器安装后，皮带输送区各点位的平均除尘率在80%左右。

无论是总尘还是呼尘，粉尘质量浓度均表现为输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。输送带拐点浓度明显高于输送带尾部和输送带头部。原因可能为水泥包装袋在经过输送带拐点时，发生翻滚或者碰撞，使得水泥包装袋表面和底部的粉尘扩散到空气中，造成输送带拐点聚集了大量的水泥扬尘，使得该区域的粉尘质量浓度明显高于两端区域。水泥包装袋上方的扬尘一部分因输送带运动产风的作用随着水泥包装袋运送至输送带尾部，从而造成输送带尾部的粉尘质量浓度高于输送带头部。

2.3 装车区粉尘质量浓度

对装车区定点进行15 min短时间布点采样，计算CSTEL。同时，根据工人作业生产班内的作业强度和周期，对装车工进行个体采样，计算CTWA。装车区粉尘质量浓度见图5所示。

由图5可知，除尘器安装前，定点粉尘质量浓度采样中，包装车间装车区4个定点总尘质量浓度范围为13.73 ～17.42 mg·m-3，超标倍数为3.43～4.36倍。粉尘质量浓度平均降低率为83.79%。呼尘质量浓度范围为5.74～7.61 mg·m-3，超标倍数为3.83～5.07倍，粉尘质量浓度平均降低率为84.38%。而在个体粉尘采样中，个体接触总尘质量浓度为7.59～9.54 mg·m-3，超标1.90～2.39倍，粉尘质量浓度平均降低率为85.62%。个体接触呼尘质量浓度范围为3.57～4.38 mg·m-3，超标2.38～2.92倍，粉尘质量浓度平均降低率为83.77%。

除尘器安装后，定点总尘、定点呼尘、个体接触总尘、个体接触呼尘质量浓度最大值分别为3.14、1.37、1.35、0.71 mg·m-3，空气中粉尘和个体接触粉尘质量浓度均有了明显的降低，除尘器安装后粉尘质量浓度均符合国家限定标准，粉尘质量浓度降低率在84.39%左右，除尘效果较好。

2.4 除尘器安装前后包装车间粉尘质量浓度分布特征

对水泥包装车间的包装区、皮带输送区的输送带头部、输送带拐点、输送带尾部、装车区安装除尘器前后的定点总尘和呼尘质量浓度进行对比，结果如6、图7所示。

由图可知，除尘器安装前包装车间各区域总尘平均质量浓度分别为12.36、4.77、8.13、6.06、15.53 mg·m-3，包装车间呼尘平均质量浓度依次为5.36、1.74、2.91、2.07、6.78 mg·m-3，粉尘质量浓度表现特征均为装车区>包装区>输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。

除尘器安装后包装车间总尘平均质量浓度依次为2.19、0.71、1.22、1.11、2.82 mg·m-3，包装车间呼尘平均质量浓度依次为0.93、0.39、0.69、0.42、1.26 mg·m-3，粉尘质量浓度表现特征均为装车区>包装区>输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。包装车间各区域的总尘和呼尘质量浓度变化趋势大致相同。

总之，对比包装车间安装袋式除尘器前后的粉尘质量浓度，整体特征表现为装车区>包装区>输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。

2.5 包装车间不同生产力下粉尘质量浓度比较

对包装车间不同生产力的包装区和装车区粉尘质量浓度进行检测，探究包装区和装车区的粉尘质量浓度变化特征。通过对比包装区和装车区粉尘变化特征，来探究生产力对包装区和装车区粉尘质量浓度的影响。不同生产力的包装区和装车区粉尘质量浓度变化见表2所示。

表2 不同生产力下各区域粉尘质量浓度分析Tab.2 Analysis of dust mass concentrations in various regions under different productivity

对于包装区而言，当加大生产力至1.5倍时，空气中定点、个体采样的总尘和呼吸性粉尘质量浓度增大倍数在1.23～1.40倍之间，增大倍数相对较小。而装车区粉尘质量浓度增大倍数在1.75～2.04倍之间。可以看出，加大生产力对装车区粉尘质量浓度的影响要大于包装区。原因可能是加大工作量时，装车工搬包过程中很难一直保持轻拿轻放，使得水泥袋的剧烈碰撞产生更多的扬尘，使得装车区粉尘质量浓度明显增加。

3 结论

1) 安装袋式除尘器前，包装车间各区域粉尘超标严重。安装除尘器后，各区域粉尘质量浓度平均降低80%～85%，粉尘降低效果明显，各区域粉尘质量浓度均为合格。

2) 皮带输送区的粉尘质量浓度特征表现为输送带拐点>输送带尾部>输送带头部，原因是袋装水泥在经过输送带拐点时，发生翻滚或碰撞，使水泥袋表面的粉尘扩散到空气中产生扬尘，使得输送带拐点粉尘质量浓度高于两端。

3) 包装车间各区域粉尘质量浓度特征表现为装车区>包装区>输送带拐点>输送带尾部>输送带头部。

4) 当生产力变为原来的1.5倍时，包装区空气中定点和个体接触总尘和呼吸性粉尘质量浓度增大倍数在1.23～1.40倍之间，增大倍数相对较小，而装车区粉尘质量浓度增大倍数在1.75～2.04倍之间，增大倍数相对较大。