论文水泥生产包装车间粉尘控制技术研究.docx

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论文水泥生产包装车间粉尘控制技术研究

水泥生产包装车间粉尘控制技术研究

摘要

近年来，我国的经济发展呈现出复杂多变和不稳定的态势，环境恶化、安全问题等不断给我国经济的可持续发展带来阻力，水泥制品产业作为我国一个传统和成熟的产业，是国民经济的重要组成部分，然而，在国家初期，有很多的企业，为了追求单纯的经济增长，导致水泥行业所带来的问题，没有得到及时的解决和处理，相对应的防护技术打不到标准，因此造成连续的事故和伤亡，甚至对于人类和环境造成长期的影响。

本课题采用现场调研检测、数学模拟与计算相结合的方法进行研究。

首先，查阅与粉尘扩散规律及控制相关的资料，进行现场情况调研并收集现场资料；其次，根据收集资料确定所需技术参数；然后，通过模拟数值计算；最后，通过计算分析提出粉尘控制方案。

关键词：

水泥水泥包装车间粉尘控制

RESEARCHONCEMENTPACKAGINGWORKSHOP

DUSTCONTROLTECHNOLOGY

Abstract

Inrecentyears,theeconomicdevelopmentofourcountrypresentacomplexandvolatilesituation,environmentaldegradation,securityproblemconstantlybringstothesustainabledevelopmentoftheeconomyinourcountry,suchasresistance,cementproductsindustryasatraditionalandmatureindustryinChina,isanimportantpartofnationaleconomy,however,intheearlypartofthecountry,therearealotofenterprises,inpursuitofpureeconomicgrowth,causeintheprocessofthecementindustry,didn'tgettimelysolveandprocessing,thecorrespondingprotectiontechnologycan'tstandards,thuscausingaccidentsandcasualtiesinarow,orevenalong-termimpactonhumanandenvironment.

Thissubjectadoptsthesiteinvestigationtesting,mathematicalsimulationandcalculationmethodofcombiningthestudy.Firstofall,accesstodustdiffusionregularityandcontrolrelateddata,on-sitesurveyandsiteinformationcollection;Secondly,accordingtothecollecteddatadeterminetherequiredtechnicalparameters;Then,bysimulatingnumericalcalculation;Finally,throughcalculationandanalysisofdustcontrolschemeisputforward.

Keywords:

cementpackagingworkshopDustcontrol

目录

摘要1

Abstract2

引言5

第一章文献综述6

1.1国内外对于粉尘的研究现状6

1.1.1国外研究现状6

1.1.2国内研究现状6

1.2课题研究的背景及意义8

1.3研究的内容和方法8

1.3.1研究的内容8

1.3.2研究的方法和技术路线9

第二章关于建立数值模型的基础理论11

2.1水泥粉尘的分布规律11

2.2粉尘在车间的受力介绍12

2.3结论15

第三章数值模拟16

3.1水泥包装车间的数值的模拟和物理模型16

3.1.1水泥包装车间的数值模拟16

3.2关于模型中所要研究的对象和内容17

3.2.1模型研究的对象17

3.2.2模型研究的内容17

3.3检测的仪器和方法18

3.3.1检测的仪器18

3.3.2尘源处粉尘的浓度和速率的测定方法19

3.4水泥粉尘的扩散研究20

3.4.1模型中参数的基本情况20

3.4.2模型中粉尘的扩散规律21

3.5数值模型运行的结果分析24

第四章提出控制措施25

4.1局部通风系统的介绍和构成25

4.1.1局部通风系统的介绍25

4.1.2局部通风系统的构成26

4.2排风罩排风量的计算27

4.3排风罩的安装29

4.4结论30

第五章水泥粉尘控制措施的分析31

5.1现有控制措施的对比分析31

5.2对控制措施的建议和展望31

结论33

致谢34

参考文献35

附录A英文原文37

附录B英文译文41

引言

1990年代的初期，中国的水泥行业由于受到国家政府的大力投资，从而出现了大幅度的增长。

这个时期，我国的水泥行业，无论消费水平还是生产水平，一直都是世界的首位。

由于水泥行业的兴盛，使得中国的基础建设得到了很快的发展，但是，产业发展的初期，受限于市场、资本、交通、资源等各方面的影响，是的水泥行业的发展呈现低水平的现象，企业数量的增长，并没有带动起质量的提高。

使得市场上出现了很多的小型的水泥企业，这些企业的机械化水平不足、技术力量不够、管理不善、生产能力低下、工艺落后、生产的水泥产品品质不上档次，短期的不合理的发展使得市场失去了控制，水泥的生产量远大于需求量。

整个水泥行业开始出现颓废疲软的状况。

紧接着，国家开始控制水泥行业的发展，市场面临的竞争愈发激烈，致使水泥价格一路下跌，企业开始出现亏损，进而影响了整个水泥行业的效益。

据国家发布的相关调查报告，从1996年起，中国水泥行业出现了连续四年的亏损。

在这样的局面下，带来的是水泥行业整个环境受到了严重的损害，价格的下滑，使得企业不可能把有限的利润用于对工人的健康安全上面，同时廉价的劳动力不断进入水泥行业，造成粉尘对员工的危害更大。

然而，绝大多数的企业粉尘控制技术差，根本达不到控制粉尘的目的，尤其在原料运输、水泥包装、人工装车岗位的粉尘危害突出，根据国家安监局2013年对有关的36家水泥厂企业的调研，结果表明，在水泥包装车间的粉尘浓度超标严重，总尘浓度超标高达115.68倍，呼尘浓度超标高达77.02倍。

这么高的粉尘浓度，极易造成职业病危害中水泥尘肺，从而对员工的身心健康造成极大的危害。

因此，水泥行业的粉尘治理、改善工作人员的工作环境、保证工作员工的职业安全就刻不容缓。

第一章文献综述

1.1国内外对于粉尘的研究现状

1.1.1国外研究现状

以美国为例，其健康标准体系的建立始于1950年以后，到1960年日趋完善，根据资料分析，在1983年，美国政府工业卫生协会公布的资料来看，按照粉尘的性质，其将粉尘分为硅酸盐、二氧化硅、煤、厌恶型粉尘和其它粉尘等；按照矿物性粉尘致肺纤维化的程度，将总粉尘浓度（粉尘的阈限值）分为了0.15mg、0.3mg、5mg、6mg、10mg一共5个级别，这是按照粉尘对人体的危害的特点确定的。

对于粉尘呼吸防护设备的配备标准和使用规范，美国职业安全卫生管理局为其制定了相关的标准和准则，如“呼吸防护，即29CFR1910.154”中规定，当工作环境中的粉尘浓度高于职业卫生健康的标准时，其所在的企业，必须提供可以把粉尘浓度降到合格范围的防护设备。

并且，在日常的生产中，通过职业卫生管理局对企业的实践检测。

同时，美国职业卫生安全管理局还针对具有高毒物质的危害粉尘，必须报告相关部门，调整防护装备的防护等级，有些规定非常严格，如29CFR1910.1028“苯”中规定[1]，全面罩用于不超过50倍职业接触限值环境，过滤元件必须每日更换。

在日本，关于粉尘健康标准体系的建立始于1960年代，到1980年日趋完善，基础为佐野的尘肺有害度分级，对于粉尘的标准，分为两类，第一，在粉尘中游离的二氧化硅占到了10%以上的为一类；第二，在粉尘中游离的二氧化硅占到了10%以下的为另一类。

然而，绝大多数的粉尘处于第二类，因此，这部分的粉尘又按照对人体的危害程度进行了细分，分为高度危害、中度危害、轻度危害三类，第一类粉尘是有极高的危害，例如氧化铝、铝、腊石、还有活性炭等；第二类粉尘是有中度危害的，例如煤、氧化铁、棉尘、木尘等；第三类是有轻度危害的，例如无机粉尘和有机粉尘。

1.1.2国内研究现状

我国的粉尘健康开始的比较晚，直到1980年关于水泥粉尘的防治才具备了一定的规模，国内开始制定关于水泥粉尘防护的标准，比如防护的设备、配套的标准、相应的技术提供、产品性能的评估、对其安全性能的评价等等。

2000年3月，原国家经济贸易委员会制订并颁布了《劳动防护用品配备标准（试行）》国经贸安全[2000]189号，文件中特别强调纱布口罩是不能用于水泥包装车间的防尘口罩使用的，这是我国开始重视水泥粉尘防止的一个重要的标志。

2002年5月1日，由我国自己编制的《中华人民共和国职业病防治法》颁布发行，并予以实施，其中的二十一条做了明确的规定，对于在生产中可能出现粉尘危害的企业，必须使用可以有效控制粉尘浓度的防护设备，并且需要为劳动者提供相应的防护用品，并且，这些防护设备必须符合防护要求，一旦不符合职业卫生要求，达不到要求的，不允许员工上机工作。

对于粉尘的防护设备，其职业卫生健康标准包括防护耳用品、防护服、防护口罩等职业病防护用品，2007年4月12日，我国卫生部颁布并发行了GBZ2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值》，于同年的11月1日开始起实行[2]。

由于我国建立的比较晚，同时其他国家的关于粉尘防止的的防止法案和标准比较好，所以我国的《工作场所有害因素职业接触限值》的制定，是参考了美、日、德和前苏联等国修订而成的。

该标准将作为水泥企业等工作场所的有害因素职业接触限值的判定标准和考察指标。

其中有关粉尘浓度的规定有47项，极大的推动了国内关于粉尘防止的发展，也给了企业一个参考的标准。

虽然有了关于粉尘防止的标准以及人员的接触限值的规定，但是，受限于国内层次不等的企业规模和数量，因此很难把这些法案推动到每一个水泥企业，比如，水泥尘肺病的不断发生就是一个明显的体现出法案没有落实好的案例，通过有关部门的调查，即便是使用了这些法案的标准，也很难进行管理，有些企业的粉尘浓度严重超标，但是，一个小型的企业根本没有足够的能力采购控制粉尘浓度的设备，并且，以水泥尘肺病为例，其发病的工龄较长，具有效的考证是8年到34年不等，且病程进展缓慢。

在法案的具体落实中有很多的问题，比如，工人自己的防护意识不高，在工作场所不佩戴公司的防护设备，无视国家和公司的操作规程，例如防尘口罩佩戴的严密与否，实际的防治效果是否明显，因为粉尘浓度受到很多方面的影响，也许仅仅需要员工的合理操作就可以控制粉尘的浓度值，还有就是法案的制定是参考而制定的，并不是通过国内大量的统计而成，其标准是否有缺陷也是未知因素，还有就是企业的管理方面等等，每一个环节都可能影响水泥粉尘的防止。

1.2课题研究的背景及意义

水泥是国家经济发展不可或缺的一部分，在国家经济发展的初期，由于需要大规模的基础设施建设，从而使得水泥行业的发展开始了飞速的发展，多年来，我国水泥的生产量和消费量都位居世界第一，但是，由于水泥的急速增长，相关的粉尘控制技术没能跟得上脚步，从而造成严重的环境危害，同时，大部分的企业都是半封闭式管理，在水泥生产企业的员工深受其害，根据国家的调查发现，2000年到2008年，全国工业粉尘排放量约1092万吨[3]，其中水泥工业粉尘排放量约768万吨，占工业粉尘排放量的70%（如表1），大量的粉尘未经处理就直接排放，造成了环境和人类双重的危害。

表1.12000年—2008年全国工业粉尘及水泥行业粉尘排放量

年份

全国工业粉尘排放量/万t

水泥行业粉尘排放量/万t

2000

1092

768

2001

991

506

2002

941

481

2003

933

459

2004

904

520

2005

911

505

2006

809

447

2007

699

280

2008

670

268

水泥粉尘是水泥行业职业病危害的一个重要方面，在现今水泥行业中，水泥粉尘对从业人员的危害是不容忽视的，而企业也必须要制定水泥粉尘的控制措施，做好劳动者的职业危害防护工作。

本课题以粉尘的运动规律研究为突破口，通过现场调研和实验，结合计算机模拟，在粉尘运动规律分析的基础上提出水泥包装车间粉尘的控制措施，这为《水泥生产企业建设项目职业病危害控制效果评价编制细则》的编制提供参考。

1.3研究的内容和方法

1.3.1研究的内容

（1）初期的调研与文献的研究

了解我国水泥行业粉尘危害现状，查阅粉尘控制技术研究相关文献，学习粉尘控制的相关研究成果。

选取某工厂水泥生产包装车间为调研对象，通过现场的调研和数值模拟的对比了解粉尘危害现状。

了解实地调研水泥包装车间的通风除尘设施现状以及职业卫生防护情况，分析粉尘控制需要研究的内容以及粉尘控制技术需求。

（2）建立模型

通过对现场调研和理论技术进行分析，确定与粉尘相关的所需的模拟参数，并根据所研究车间的实际情况，最后建立水泥包装车间的数值模型。

（3）包装车间数值模拟计算

根据确定的粉尘扩散理论，针对水泥包装车间的粉尘危害情况，进行包装车间数值模拟研究，并记录计算结果。

（4）控制通风方案及模拟

通过对所研究车间粉尘扩散规律的分析，已经模拟数值的计算，结合所研究水泥包装车间的实际情况和通风措施，从而提出新的水泥粉尘控制方案。

1.3.2研究的方法和技术路线

本课题采用资料的分析、相关理论的研究、现场的调研与数值模拟相结合的方法进行研究。

首先，查阅水泥粉尘危害及控制相关的资料，进行现场情况调研；其次，根据收集资料确定所需的理论需求；然后，通过数值模拟和理论计算确定通风量；最后，通过数值提出对应的控制措施，对其预期效果进行评价，并对论文进行最后的总结

如图为技术路线图：

如图1.1所示，

资料收集与分析

粉尘现场的调研

粉尘的相关理论研究

数值模型的假设和建立

理论与数值模拟结果分析

根据分析结果和现场调研资料提出粉尘控制方案

对控制措施的评价和总结

图1.1技术路线图

第二章关于建立数值模型的基础理论

2.1水泥粉尘的分布规律

由于大部分的水泥企业的水泥包装车间属于半封闭是的生产，所以，相关的理论大多数是以室内为研究环境的。

Zhao等人对不同气流组织形式下的通风房间内气溶胶粒子的浓度和沉积分布规律进行了研究[4]，他们分两类进行了研究，第一种为置换通风；第二种为混合通风，这两种出于不同的气流状态，分别观察粉尘的分布规律，从而发现，在两种不同的环境条件下，让二者处于其他均相同的条件下，第一种比第二种的粉尘能更快的沉淀。

如果加大粉尘的排放量，则二者的区别更为明显。

Chen等人对通风管道内的颗粒物沉积情况进行了数值分析[5]，从粉尘颗粒的大小方面着手研究，在其他条件均相同的情况下，只有粉尘颗粒的粒径不一样，从而得出不同不同颗粒大小的粉尘的沉淀情况。

研究结果表明，粉尘颗粒直径较小的沉淀情况较为明显，直径大的反而不易沉淀，但是，当所在粉尘颗粒直径都小于0.1μm时，二者几乎没有什么区别，沉淀速率的差距微乎其微。

熊晓洁利用典型室外大气颗粒物浓度实测数据[6]，也是分为两种情况进行试验，第一，当室内环境下，有一种类型的测试颗粒物，同时有另一种污染颗粒物，在相同的条件下，观测测试颗粒物的浓度，从而判定其沉淀情况；第二，也是在室内环境下，有同种类型的测试颗粒物，但是没有另一种污染颗粒物，在相同的条件下，观测测试颗粒物的浓度，从而判定其沉淀情况；实验结果表明，当测试颗粒物属于大粒子时，室内的通风对其并没有什么影响，主要是重力沉淀。

但是，当测试粒子为小粒子时，其受到通风的影响明显增加。

同时，在研究水泥车间粉尘的分布规律时，也存在不同的看法，第一种看法，将水泥车间的流体看成是连续的介质，而把粉尘看成是离散的介质；第二种看法，将水泥车间的流体看成是离散的介质，而把粉尘看成是连续的介质；忽略其它情况，只研究流体与粉尘之间相互的作用力。

然而在1970年的初期，英国帝国理工学院Spaldillg教授提出单流体模型[7]，即将粉尘颗粒和载体流体看成同一介质，这样带来的好处是，方便了许多关于粉尘颗粒的研究，但是却与实践的粉尘运动有着很大的差距。

因此该方案只用于理想模型状态的研究，而不会用于解决实际的工程作业问题。

今年来，为了把粉尘的颗粒运动应用于工业生产中，不少人提出了多流体模型，即将粉尘颗粒物和载体流体看成是相互渗透的介质或者流体[8]，这个想法的提出，是将粉尘颗粒物和流体二者之间相互你的作业力考虑的比较充分，缺点是，在考虑二者之间的作用力时，考虑的因素会比较多，比如粒子的大小，二者撞击的时间，不同粒子之间的作用力是不一样的等等，特别是当考虑的颗粒物比较多时，对于最后模型的计算式非常困难的。

当然，以上的关于粉尘分布的模型对实践的工程生产都进行了一定程度的简化，在具体的模型建立中还需要考虑其是否符合实际的分布情况。

2.2粉尘在车间的受力介绍

在分析水泥车间粉尘的受力情况时，我们必须考虑粉尘颗粒物和载体流体之间是否有作用力，一类是流体和颗粒间的相对运动无关的主要是体积力和各种梯度力（如布朗扩散力、涡扩散力、压力梯度力、涡泳力、热泳力）；另一类是流体和颗粒间的相对运动有关的作用力，包括附加质量力、Basset力等、Saffman力、Magnus力等[9,10]。

1）重力和阻力

图2.1为粉尘粒子收到的重力F1、浮力F2、介质阻力F3，其受力分析图如下[11,12]

图2.1

为了研究方便将水泥包装车间粉尘视为球体形，则粉尘重力为：

（1）

式中：

dp：

粉尘粒径，m；

ρp：

粉尘浓度，kg/m³；

mp：

粉尘质量，kg。

浮力等于同体积介质的重量

（2）

式中：

da：

空气质量，kg；

ρa：

空气浓度，kg/m³。

（3）

式中：

CD：

颗粒阻力系数；

ua：

空气速度，m/s；

up：

粉尘速度，m/s。

（4）

式中：

μ：

气体粘滞系数，pa·s

对于水泥包装车间粉尘颗粒，Re一般在1以下。

特别是Re<0.5时，

，对于过渡区的颗粒，其阻力系数可用下式近似表示：

（5）

一般地，Re小于1，对球形颗粒可应用下列公式求颗粒运动的阻力：

（6）

该阻力的1/3分量为颗粒的形状阻力分量，阻力的2/3分量为颗粒的摩擦阻力分量。

2）布朗力

当悬浮的微粒足够小的时候，由于受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。

在某一瞬间，微粒在另一个方向受到的撞击作用超强的时候，致使微粒又向其它方向运动，被分子撞击的悬浮微粒做无规则运动的现象叫做布朗运动，受到的力叫做布朗力[13]。

（7）

式中

，为布朗扩散系数，

kB=1.38×10-23JK-1；

T是绝对温度。

3）Magnus力

包装车间的粉尘颗粒，当它与其它的颗粒或者墙壁相撞击之后，可能会发生旋转，产生一个垂直于相对速度方向的升力，称为Magnus力[14]。

（8）

式中：

为颗粒旋转的角速度；

为流体涡量的1/2。

4）Saffman力

当水泥包装车间的粉尘颗粒足够大时，其在流体中的速度梯度力也会变大，从而会产生一个，称为Saffman力[15]。

（9）

式中：

K=2.594；dij；为流体变形速度张量。

5）热泳力

水泥包装车间粉尘颗粒处在有温度梯度的流场中，将受到自高温区的热压力而向低温区迁移，这种现象称为热泳，使颗粒由高温区向低温区运动的力通常称为热泳力[16]。

（10）

式中：

Kn=2λ/dp，λ为气体平均分子自由程；

K=k/kp，k为基于气体平均动能的气体热导热率；

k=（15/4）μR；

kp为颗粒热导率；

Cs=1.17，Cl=2.18，Cm=1.14；

mp为颗粒质量，T为流体温度，μ为气体动力粘度。

6）附加质量力

水泥包装车间粉尘颗粒在周围流体加速而引起的附加作用力，成为附加质量力[17]。

（11）

当ρ>ρd，

（12）

7）Basset力

当水泥包装车间粉尘颗粒在流体中，作任意速度的直线运动时，颗粒不止受到重力和质量力，同时还受到一个瞬时流动阻力，称为Basset力[18]。

（13）

8）压力梯度力

当水泥包装车间粉尘颗粒在流体中，除了受到流体的阻力之外，还受到流体的压力梯度力[19]。

（14）

式中：

Vp表示颗粒的体积。

2.3结论

通过对水泥包装车间粉尘分布规律的相关理论调查和粉尘的受力分析，可以更好的了解关于水泥粉尘的研究成果和进度，更好的了解粉尘，从而为后面模型的建立提高理论依据和模型建立的基础。

只有对这些理论知识有了充分的了解，对粉尘的受力情况有了充分的认识，才能知道，在建立数值模型时，那些因素应该考虑，那些受力情况应该转化为理想状态。

如果对这些都不清楚，在建立模型时，每个因素都需要考虑，每个受力情况都得计算，这样无形中会使模型的建立复杂化、困难化。

因此，只有对这些都了解并充分的认识，才能有下面模型的建立以及控制方案的提出。

第三章数值模拟

3.1水泥包装车间的数值的模拟和物理模型

3.1.1水泥包装车间的数值模拟

某水泥的包装车间厂房的长、宽、高分别为8m、8m、4m。

内部有一台水泥包装机、输送皮带，输送皮带连接车间外的水泥输送点和车间内的包装机，皮带一共50米，室内的皮带长4米，包装机包装好的水泥落到皮带上，然后通过皮带运送到终点，经测定，其在有员工工作的区域粉尘浓度超标。

如图3.1.2所示，水泥包装车间一共有a，b两个通风口，c为通风管道的出口。

由于水泥包装车间的环境情况复杂，粉尘的浓度受到很多方面的影响，比如，人员的走动，受到a、b两个通风口风速的影响，这些因素对于水泥包装车间的粉尘模拟研究都会造成困难。

因此，本课题会根据实际情况和将要提出的控制措施进行一些理想状态的选择，从而确定模拟的数值，并提出控制措施。

3.1.2水泥包装车间的物理模型

1）物理模型简化与假设

在对水泥包装车间粉尘模型的建立时，考虑到车间中粉尘的流动、车间受到天气的影响气流的不确定性、以及人员的走动，这些都会对模型验证复杂化，也对模型的计算甚至控制方案的提出增加困难，并且，以现在的技术手段，不可能解决如此复杂的模型，因此，对于水泥包装车间的模型进行一定的简化是非常有必要的。

模型的假设和简化如下：

（1）水泥包装车间的粉尘颗粒，假设为理想状态下的流体，即不可压缩、常物性、定常流。

同时，考虑到粉尘的分布以及流动状况，并且需提出控制措施，因此，确定模型为三维模型。

（2）水泥包装车间内的流体直接与外部的空气相连接，车间内部有温度变化，车间外