(華北科技學院 河北 廊坊 065201)

前言

我國現(xiàn)有水泥生產(chǎn)企業(yè)包裝車間仍以人工插袋方式為主[1]，袋裝水泥的長期需求，短期內(nèi)難以將包裝設(shè)備實現(xiàn)升級換代的困境，以及包裝作業(yè)從業(yè)人員眾多的事實，決定了包裝環(huán)節(jié)水泥粉塵危害治理的迫切性[2]。目前常用的方法是給包裝機加一個半密閉罩，并使罩內(nèi)形成負壓，但由于罩內(nèi)局部通風系統(tǒng)設(shè)計不合理，造成罩內(nèi)粉塵濃度超標以及溢出到罩外的車間里，插袋工人長時間在半密閉罩內(nèi)進行插袋作業(yè)，對工人的健康造成了威脅，因此罩內(nèi)的氣流組織狀況以及局部通風系統(tǒng)的控塵效果值得關(guān)注。

一、現(xiàn)有情況下數(shù)值模擬

(一)幾何模型及網(wǎng)格

為了便于與實測結(jié)果進行對比，模擬原型按照1:1比例進行三維建模，幾何模型的主體尺寸為3400mm×2520mm×2550mm，如圖1，8個料嘴為8個塵源面，忽略傳送帶及水泥袋的影響。網(wǎng)格劃分時包含了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格這兩種類型的網(wǎng)格，統(tǒng)計網(wǎng)格數(shù)為904113，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計算要求，見圖2。

圖1 現(xiàn)有情況下幾何模型

圖2 現(xiàn)有情況下模型網(wǎng)格劃分

(二)現(xiàn)有情況下數(shù)值模擬結(jié)果

主要研究呼吸帶高度(y=1700mm處)氣流組織情況。觀察圖3a中呼吸帶高度速度云圖可以看到，從入口進入的氣流，由于包裝機的影響，分成兩股，一股流向2號排風口，一股隨包機的旋轉(zhuǎn)流向包機左后方，風速逐漸減弱。此截面有5個渦流，呼吸帶高度入口處附近風速在1.00m/s-2.00m/s之間，入口左側(cè)的渦流處并沒有粉塵聚集，但風速較小，在0.1m/s-0.3m/s左右。入口右側(cè)的渦流處風速較低，容易造成粉塵的積聚，參照粉塵濃度云圖(圖3b)也可以看出，粉塵濃度較高，在30mg/m3左右；包機后左后方的三個渦流，風速較小，基本上在0.1m/s-0.4m/s，粉塵濃度較高，基本上在100mg/m3以上。這是由于包裝機后部空間較大，從入口流入的新風被包裝機影響而減弱，距離排風口較遠，容易造成粉塵的積聚。

圖3 現(xiàn)有情況下速度云圖粉塵質(zhì)量濃度

二、控塵方案研究

(一)方案1：改變風量

幾何模型及網(wǎng)格模型沒有改變，在原來的基礎(chǔ)上，改變初始條件。根據(jù)總風量不變的原則，2號排風口風量從原來的3000m3/h(簡稱風量為3k)的風量增至4500m3/h(簡稱風量為4.5k)，1號排風口風量相應(yīng)減少。

增大2號排風口風量后，分析速度云圖及速度矢量圖可知，罩內(nèi)風速分布相對均勻，包機后方渦流很大程度減弱，并且風速比現(xiàn)有通風條件較高。但是粉塵濃度并沒有因此減弱，依然高達100mg/m3以上。初步判斷與入口以及排風口的設(shè)置有關(guān)，包機后部離入口較遠，且被包機阻擋一部分風速；排風口的面積較小，以及包機后方離2號和3號排風口的位置較遠。

圖4 方案1氣流組織狀況及粉塵濃度分布

(二)方案2：改變排風口的位置

幾何模型在原來的基礎(chǔ)上，將2號排風口移動到包機后方的墻壁，網(wǎng)格化分步驟與現(xiàn)有通風狀況下的網(wǎng)格化分步驟一致，得到的網(wǎng)格圖如圖5(a)所示。

圖5 方案2模擬結(jié)果

2號排風口的位置移動到包機后部后，將方案2風速云圖和矢量圖(圖5b、c)與現(xiàn)有情況對比可知，包機后部速度整體均勻且增大，粉塵濃度一直居高不下的原因很可能是入口距離包裝機后部較遠，以及雖然2號排風口的風量大，但面積小，一時無法完全將匯集于此的粉塵全部帶走，造成粉塵的聚積。

(三)改變風量及出入口的方位

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，以及方案1和2的分析，根據(jù)實際情況，縮減密閉罩入口到包機后部的距離，由于現(xiàn)場實際情況通風系統(tǒng)的限制，排風口2無法移動到包機后部的罩壁上，因此2號排風口依然在右側(cè)，但將其往右后上方設(shè)置，并將3號排風口增大面積并移動到同入口一側(cè)，幾何模型見圖6。

圖6 方案3幾何模型圖

方案3在呼吸帶高度的風速分布較好，風速較大，基本上在1.2m/s-1.8m/s之間，包機后部風速較大(1.8m/s以上)，參照圖7，沒有粉塵積聚。只有在塵源處濃度較大，最大值45mg/m3左右，并且大大改善了包機四角的粉塵積聚，雖然包機右側(cè)有一渦流，風速在0.25m/s左右，但粉塵濃度在6mg/m3左右，在排風口3處有一部分粉塵聚積，但很快就能被排風帶走。因此，方案3的氣流組織最為合理。建議改造方案按照方案3進行設(shè)計。

三、結(jié)論與展望

現(xiàn)有情況下的氣流組織較為紊亂，從整體上看，在靠近塵源處、半密閉罩四角以及包裝機后方粉塵濃度較高，粉塵擴散規(guī)律主要包括三個方面：大部分粉塵在包裝機后方及墻角滯留區(qū)和罩內(nèi)渦流區(qū)域積聚。粉塵平均濃度(總塵)為156.46mg/m3，而模擬的結(jié)果顯示濃度為100mg/m3以上，基本符合實測結(jié)果。

本文提出三個控塵方案，研究顯示，由于包裝機的影響，單獨的增加某一排風口的風速(流量)或者改變其位置，對整個氣流組織的影響不大，除塵效果不佳；但當入口與排風口形成對角線關(guān)系時，整個半密閉罩內(nèi)氣流穩(wěn)定，粉塵濃度降低幅度明顯，總塵質(zhì)量濃度降低到了6mg/m3，符合標準的要求。大大改善了空氣質(zhì)量。為了更好的改善插袋工的工作環(huán)境，建議在插袋工作業(yè)上方安裝頂吹氣幕，將其呼吸帶隔離開來，進一步優(yōu)化其呼吸帶處空氣質(zhì)量。