铁渣转运廊道粉尘分布规律及其影响因素模拟研究

任晓芬，郭军霞，郜玉聪，张 蕾，丛晓春

(1.石家庄铁道大学机械工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；3.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

皮带输运是固体颗粒物料转运的主要方式，被广泛应用于各行各业，如选煤厂煤粉转运，矿井巷道煤粉转运，烧结矿转运，化学原料、冶金原材料和水泥原材料的输送，钢铁废渣回收再利用等[1]。输运过程中由于皮带及附属设备振动、皮带运行的牵引风流、物料下落过程中的诱导气流的共同影响，产生大量的粉尘，容易引发尘肺病及其他呼吸系统疾病，严重威胁工人的身体健康。因此，研究皮带转运物料时粉尘的迁移扩散规律，掌握粉尘分布特点及粉尘浓度的影响因素，对降低工作场所粉尘浓度有重要的指导作用。

目前已有一些学者对物料转运过程中粉尘的扩散规律及其影响因素进行了研究，研究成果主要集中于输运物料自身特性、皮带运行速度、巷道环境风速三个方面。针对输运物料自身特性开展的研究包括不同物料量、物料含水率、颗粒粒径对粉尘分布规律的影响，其中物料量与产尘量是直接相关的，如张子文等[2]，张海洋等[3]对不同运煤量下粉尘浓度的分布规律进行数值模拟，结果证明运煤量越大，扬尘作用越明显；袁明昌[4]、魏德宁等[5]通过研究得出提高物料含水率可有效降低粉尘浓度的结论；刘少虹等[6]对皮带巷风流与巷道粉尘浓度分布进行了模拟研究，得到颗粒起尘浓度与颗粒直径成反比的结论；吴应豪[7]对巷道内粉尘的沉降规律进行了研究，结果表明巷道中大颗粒粉尘沉降距离与粉尘粒径成正比，而小颗粒粉尘通常易随风流漂移而难以沉降。大量的研究证明皮带运行速度对巷道粉尘分布有明显的影响，如陈举师等[8-9]采用试验、数值模拟相结合的方法对巷道内气流场与粉尘分布进行了研究，结果表明：皮带运行速度是影响常温物料粉尘扩散的主要原因；Zhang等[10]、汪日生[11]、朱鹏等[12]、汪佩[13]研究了巷道风流速度对粉尘浓度的影响，结果表明：在一定风速范围内，巷道内粉尘浓度随风速的增大而降低，风速增大对粉尘排出具有促进作用。

少数学者针对其他领域高温单颗粒和非常温环境中粒子运移规律进行了研究，如：Duan等[14-15]从高温单颗粒在气流场中的动力学特性出发，建立了单颗粒传热动态计算模型，得出高温单颗粒在上升过程中较常温颗粒物具有较小空气阻力和较大速度且在流场中具有较长的运动时间的结论;Neuman[16-17]通过风洞实验证明，空气温湿度会对沉积物粒子输送产生影响，同粒径颗粒在低温环境中输运所受的空气阻力比在高温环境中降低30%，即低温环境更加有利于粉尘颗粒的运移扩散。

综上所述，对于皮带输运中粉尘污染的研究主要集中在常温干物料且未涉及到环境温度这一影响因素，目前针对皮带输运热湿物料产尘规律的研究也鲜有述及。根据已有的相关研究可知环境温度、物料温度会对粉尘运移产生一定的影响，因此本文依据某钢铁企业热湿铁渣转运廊道实际情况，建立廊道模型，模拟不同铁渣温度、室外环境温度和皮带运行速度下的粉尘分布规律，探究铁渣转运廊道内粉尘分布特点及其影响因素，以为实际的粉尘控制工作提供依据，对改善工作环境，保障工人身体健康具有重大的意义。

1 现场实测

1.1 现场概况

某钢铁企业铁渣转运廊道全长为170 m，廊道断面形状为长方形，宽为4.5 m，高为3 m，皮带输送机位于廊道正中心位置，皮带长为160 m、宽为0.9 m，距底板高度为1.2 m；皮带两侧均有宽为1.8 m的过道，过道装有电线、管道、人行梯等设备，剩余空间供作业人员日常通行；廊道起始端与末端均有一扇门，皮带机头和机尾正上方各有一个天窗，廊道内无任何除尘设备和机械通风装置，仅在机头落料点做了简单密封，由于高温物料及皮带运行的影响，现场粉尘较为明显，图1为现场肉眼可见的漂浮颗粒物。课题组前期已采用扫描电子显微镜(SEM)对铁渣转运廊道内的粉尘进行了粒径分析[1]，结果发现存在很多粒径10 μm以下的微细颗粒物(见图2)。此外，利用X射线能谱仪(EDAX)分析了颗粒物元素成分，发现SiO2含量较多，SiO2是职业卫生标准中严格控制的、可诱发尘肺病的主要成分。

图1 铁渣转运廊道内颗粒物

图2 铁渣转运廊道内颗粒物形貌(20 μm标尺)

1.2 测试参数及仪器

现场测试主要内容包括铁渣转运廊道内风速、温度、呼吸性粉尘浓度、铁渣温度和廊道外空气温度。温度的测试仪器为美国NK5000型电子气象仪；风速的测试仪器为日本加野KANOMAX6006测风仪；呼吸性粉尘浓度的测试仪器为科尔诺四合一检测仪(GT1000-YX4)；铁渣温度的测试仪器为Testo869红外热像仪。

1.3 测点布置

根据风流流场理论及铁渣转运廊道实际情况，进行风速测点布置，沿廊道长度方向(机头至机尾)选取9个测试断面[18](见图3)，在每个断面布置12个风速测点[见图4(a)]；廊道内温湿度和呼吸性粉尘浓度的测试断面参照风速测试断面，根据工业场所呼吸性粉尘测试要求，需将测点布置于工人长时间作业与停留的区域，因此每个断面测点都应布置于人行道侧距皮带0.9 m、距离廊道底板1.5 m的呼吸带高度处[19][见图4(b)]，从廊道机头位置开始向皮带机尾方向每隔20 m设定一个测试点，共计9个测点，所测数据用于模型验证；本次呼吸性粉尘测定均在皮带运输机运行平稳、巷道内粉尘浓度达到稳定状态时进行，测试仪器相对误差为±3%，每个测点粉尘浓度采样次数为3次，采样时间设定为5 min；风速和温湿度的现场测定过程，见图5。

图3 铁渣转运廊道测试断面图

图4 铁渣转运廊道I-I断面测点布置示意图

图5 风速和温湿度的现场测试图

2 数值模拟

2.1 模型建立

由于铁渣转运廊道内现场情况复杂，建模比较困难，结合模拟计算的实际需求，对铁渣转运廊道模型进行了适当的简化和假设：

(1) 将铁渣转运廊道和皮带输送机视为长方体；

(2) 铁渣转运廊道内人行梯、管道等附属设备较小，对流场与粉尘扩散的影响较弱，建立模型时忽略不计[4]；

(3) 忽略人员流动及附属设备运行对铁渣转运廊道粉尘浓度的影响；

(4) 将皮带设为移动热源，皮带轴面上的温度变化不予考虑[1]；

(5) 铁渣转运廊道模型仅考虑对流传热，忽略热传导、辐射换热的影响；

(6) 铁渣转运廊道内空气为不可压缩气体，且符合Boussinesq假设。

基于上述简化，采用ICEM软件建立尺寸为 170 m×4.5 m×3 m的长方体铁渣转运廊道三维几何模型，皮带输送机尺寸为160 m×0.9 m×1.2 m，位于廊道正中间位置，模型坐标原点为廊道底面、入口面与侧壁面的交界处，X、Y、Z轴正方向分别指向运输机径向一侧、皮带机机尾、廊道顶面，铁渣转运廊道三维几何模型见图6。采用非结构化网格进行网络划分，最大面网格尺寸设定为0.27 m，整体网格质量大于0.35，满足Fluent软件计算的要求。

图6 铁渣转运廊道三维几何模型

2.2 模拟参数设置

根据铁渣转运廊道现场情况，结合实测数据，对图6所示的计算模型进行了模拟参数、边界条件和离散相参数设置，其中边界条件设置如下：皮带设为移动壁面，速度设为2.5 m/s，温度设为328 K；廊道起始端设为压力入口、末端为压力出口，相对压力设为0 Pa；机头和机尾的天窗为压力出口，相对压力设为0 Pa；廊道顶面、底面和侧壁设置为固定壁面。模拟参数和离散相模拟参数设置，分别见表1和表2。

表1 模拟参数设置表

表2 离散相参数设置表

2.3 模型验证

为了验证所建立的计算模型的准确性和可靠性，将模拟结果与实测数据进行了对比分析。不同位置测点的风速、温度、呼吸性粉尘质量浓度实测值与模拟值如图7所示(图中横坐标Y的意义为：人行道截面呼吸带高度沿程直线上各点距廊道起始端的距离，下同)。

由图7可见：风速、温度、呼吸性粉尘质量浓度的模拟结果与实测结果基本吻合，但模拟是在理想条件下进行的，对铁渣转运廊道内部设备做了相应的简化，导致廊道内风速模拟值小于实测值；模拟中廊道壁面视为绝热壁面且不考虑在皮带轴面上的温度变化，使模拟所得的温度值略大于实测温度值；呼吸性粉尘质量浓度3次测试数据最大误差在16.7%以内，将模拟所得的呼吸性粉尘质量浓度与实测值进行了对比，最大误差为19.39%，从而证明本文所建立的模型用于研究铁渣转运廊道呼吸性粉尘分布规律及其影响因素具有可靠性和有效性。

图7 实测与模拟数据对比图

2.4 模拟结果及分析

2.4.1 流场与温度场分布规律

在进行DPM计算前先对流体相进行了单独求解，当流体相达到稳定状态后再加入离散相，对粉尘颗粒在此流场中的分布规律进行求解计算，以第2.1节和第2.2节中所建模型与边界条件的模拟结果为例，说明铁渣转运廊道内流场与温度场的分布规律。铁渣转运廊道宽度方向正中间截面(X=-2.25 m)的速度矢量图，见图8。

图8 铁渣转运廊道宽度方向正中间截面(X=-2.25 m)的速度矢量图

由图8可见：由于皮带输送机卷吸周围空气形成负压，使外界新风经廊道起始端入口和机头上部天窗诱导进入廊道，且在机头位置汇集，形成涡流；廊道中部无通风装置，风速较为稳定，风流方向与皮带运行方向一致，贯穿整个廊道，经皮带机尾上方天窗和廊道尾部出口流向廊道外部。

人行道正中间截面(X=-3.6 m)的温度分布，见图9。

图9 人行道正中间截面(X=-3.6 m)的温度云图

由图9可见：皮带上废渣与廊道内部空气发生对流传热，热气流在风场的影响下不断向廊道尾部流动，导致人行道截面温度在廊道长度方向上存在分层现象，且呈现上升趋势；在廊道高度方向上以皮带面为中心，呈V型分布。

2.4.2 粉尘质量浓度分布规律

(1) 铁渣温度对粉尘分布规律的影响。保证室外环境温度为295 K、皮带运行速度为2.5 m/s等模拟条件不变，设铁渣温度(T)分别为 318 K、328 K、338 K，不同铁渣温度下铁渣转运廊道内呼吸性粉尘质量浓度分布见图10，不同铁渣温度下人行道断面呼吸带高度(1.5 m处)粉尘质量浓度沿程变化规律见图11。

图10 不同铁渣温度下铁渣转运廊道内呼吸性粉尘质量浓度分布图

图11 不同铁渣温度下铁渣转运廊道内人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化图

由图10可知：呼吸性粉尘在皮带运输机表面产生后，纵向随机波动，横向随风流方向不断扩散；廊道前5 m无产尘点，外界风流从机头上方的天窗侵入流向皮带机头表面，导致皮带机头区域粉尘无法向周围空间扩散，廊道长度方向前10 m基本无粉尘产生。由图11可见：不同铁渣温度下廊道内呼吸性粉尘质量浓度沿程的分布规律大致相同，均呈现逐渐上升的趋势；但随着铁渣温度的上升，廊道内呼吸性粉尘质量浓度整体升高，人行道呼吸带高度粉尘质量浓度在90 m后均高于700 μg/m3，达到工作场所有害因素呼吸性粉尘质量浓度限值(300 μg/m3[20])的2倍以上。

(2) 室外环境温度对粉尘分布规律的影响。保证铁渣温度为328 K、皮带运行速度为2.5 m/s等模拟条件不变，设室外环境温度(t)分别为 275 K、290 K、305 K，不同室外环境温度下铁渣转运廊道内呼吸性粉尘质量浓度分布见图12，不同室外环境温度下人行道断面呼吸带高度(1.5 m处)粉尘质量浓度沿程变化规律见图13。

图12 不同室外环境温度下铁渣转运廊道内人行道断面呼吸性粉尘质量浓度分布图

图13 不同室外环境温度下铁渣转运廊道内人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化图

由图12可知：不同室外环境温度下廊道内粉尘质量浓度的分布规律基本一致，因风流作用，人行道中后部粉尘质量浓度大于起始端。由图13可知：呼吸带高度粉尘质量浓度沿廊道长度方向呈逐渐上升趋势，且随室外环境温度的升高而升高；室外环境温度由275 K升高至305 K时，廊道内相同位置粉尘质量浓度升高约为2.7%～36.4%，造成粉尘浓度升高的原因是随着室外环境温度的升高，廊道内温度也随之升高，导致空气动力黏度增大，从而引起粉尘在迁移过程所受阻力增大。

(3) 皮带运行速度对粉尘分布规律的影响。铁渣温度为330 K、室外环境温度为290 K等模拟条件不变，设皮带运行速度(v)分别为1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，不同皮带运行速度下铁渣转运廊道内呼吸性粉尘质量浓度分布见图14，不同皮带运行速度下人行道断面呼吸带高度(1.5 m处)粉尘质量浓度沿程变化规律见图15。

图14 不同皮带运行速度下铁渣转运廊道内呼吸性粉尘质量浓度分布图

图15 不同皮带运行速度下铁渣转运廊道内人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化图

由图14和图15可知：不同皮带运行速度下廊道内呼吸性粉尘浓度的分布规律均呈现逐渐上升的趋势；沿程粉尘质量浓度随皮带运行速度的增大而减小。因为转运物料为热湿物料，扬尘主要受物料温度的影响，受皮带振动的影响较小，粉尘的扩散过程主要受廊道内流场的影响，呼吸性粉尘颗粒在气流场中跟随性较强，皮带运行速度越大牵引风流越大，导致廊道内整体风速均增大，粉尘随风流在廊道长度方向的扩散作用越明显，经廊道末端出口与机尾上方天窗排出的粉尘较多。因此，在铁渣的实际转运线上，既需将粉尘浓度控制在卫生许可范围内，又要保证皮带机安全稳定运行，故综合考虑宜将皮带的合理运行速度v设定为2.5 m/s。

3 各因素的影响程度分析

3.1 正交实验设计

为了研究铁渣温度(A)、 室外环境温度(B)、皮带运行速度(C)3种影响因素对铁渣转运廊道内粉尘浓度分布的影响程度，本文采用正交实验的设计方法[21]，将上述3因素各选取3个水平进行正交表设计，各影响因素水平见表3，正交实验设计方案见表4。

表3 影响因素水平表

表4 正交实验设计方案表

3.2 正交实验结果分析

3.2.1 结果评价指标

根据上述正交实验方案，依次进行计算。分析各因素对铁渣转运廊道内呼吸性粉尘分布的影响程度，考虑到人员具体作业和活动区域，对以上9个工况的评价以人行道断面呼吸带高度均匀选取的170个点的呼吸性粉尘质量浓度总和为评价指标，呼吸带高度粉尘质量浓度越小越好。

3.2.2 模拟结果与极差分析

不同工况下人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度总和模拟计算结果见表5。从计算结果看，当铁渣温度为318 K、室外环境温度为305 K、皮带运行速度为3 m/s时，人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度最小，廊道内环境相对较好。

表5 不同工况下人行道断面呼吸带高度粉尘质量浓度总和的模拟计算结果

利用极差R判断铁渣温度、室外环境温度和皮带运行速度3个因素的影响程度，R值越大说明该因素对粉尘分布的影响越大。粉尘质量浓度模拟结果的极差分析结果见表6。

表6 粉尘质量浓度模拟结果的极差分析表

由表6可知，对粉尘质量浓度的影响程度由大到小依次为皮带运行速度(C)、铁渣温度(A)、室外环境温度(B)。

4 结 论

(1) 数值模拟结果与实测数据的吻合程度较高，说明采用DPM 模型对铁渣转运廊道内呼吸性粉尘浓度分布规律及其影响因素进行研究可行。

(2) 呼吸性粉尘颗粒气流跟随性较强，粉尘颗粒自皮带面产生后，纵向随机波动，横向随风流方向不断扩散，在沿程粉尘累积与扩散的作用下，人行道中间截面粉尘质量浓度沿廊道长度方向逐渐增大，且在廊道中后部以后粉尘质量浓度均大于700 μg/m3，达到工作场所粉尘质量浓度限值的2倍。

(3) 廊道内粉尘质量浓度随铁渣温度、室外环境温度的升高略有升高，随着皮带运行速度的增加而降低，在实际铁渣转运过程中，既需将粉尘质量浓度控制在限值内又要保证皮带安全稳定运行，宜将皮带运行速度设置为2.5 m/s。

(4) 通过正交实验设计与极差分析，得到各影响因素对粉尘质量浓度的影响程度由大到小依次为皮带运行速度、铁渣温度、室外环境温度。