耿泽昊，王军锋，刘海龙，许浩洁

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

我国作为制造业大国，在一些行业的生产过程中会产生大量的粉尘，如采矿、冶金、金属加工等。生产过程中产生的大量粉尘，会带来职业病、环境污染、生产安全事故等一系列问题[1]。可燃性粉尘处置不当会引发粉尘爆炸事故，2009—2013年，我国共发生粉尘爆炸37起，共造成82人死亡[2]。2014年8月2日，江苏昆山中荣金属制品有限公司发生特大粉尘爆炸事故，造成重大人员伤亡和财产损失，该事故涉事车间主要进行轮毂抛光作业。

抛光可以清除工件表面不平，达到镜面光泽的效果，是金属表面处理的关键一步。2014年，中国仅铝加工产量就达到4 000万t，2003—2014年，年平均增长率超过23%，从事铝及铝合金型材加工的企业众多，行业发展迅猛[3-5]，故迫切需要安全高效的金属粉尘处理系统。目前，抛光粉尘的除尘方式主要分为干法除尘与湿法除尘2大类。干法除尘特点是除尘效率较高，但是投入大、运营及维护成本高，并且由于抛光金属粉尘具有可燃性，干法除尘器的风道结构复杂、容易积累粉尘，在使用或清理时存在爆炸的风险。湿法除尘在采矿、冶金等领域应用历史悠久，具有除尘效率高、简单实用的特点，针对金属粉尘易燃的性质，湿法处理可以有效降低金属粉尘爆炸的风险[6]。因此，本文进行抛光粉尘湿法处理的研究，通过数值模拟与实验测量，探究金属粉尘湿法处理的作用机制，设计研究金属粉尘湿法处理系统。

1 湿法除尘原理

湿法除尘是利用液滴与粉尘的相互作用进行除尘，其除尘原理包括重力沉降、惯性碰撞、扩散补集等。

如图1所示，含尘气流向液滴运动，大粒径的粉尘颗粒因重力而直接沉降；粒径、速度合理的粉尘颗粒则与液滴发生惯性碰撞从而被吸附；粒径较小的粉尘颗粒气流跟随性好，若流线距离液滴远则会散逸，流线与液滴距离近则会被扩散补集[7]。

1.惯性碰撞吸附；2.扩散补集；3.重力沉降。图1 液滴除尘示意Fig.1 Principles of spray capture particles

2 金属粉尘湿法处理系统设计

采用湿法除尘原理，设计如图2所示的抛光金属粉尘湿法处理系统，抛光机与抛光操作人员置于处理系统内[8]。

1.洁净空气送风装置；2.软帘；3.操作人员；4.抛光机；5.抛光位置；6.水槽； 7.水循环处理装置；8.水泵；9.喷雾装置；10.旋流挡板；11.粉尘过滤装置；12.气流出口。图2 粉尘处理系统示意Fig.2 Dust removal system structure diagram

金属粉尘湿法处理系统主要包括：送风装置、喷雾装置、粉尘过滤装置、水处理装置。其中，送风装置使系统整体具有合理的流场，入口风机后加装风机净化单元(FFU)后，还可以为工人提供洁净空气保护，避免操作人员的粉尘职业暴露；喷雾部分为关键除尘部分，根据前述湿法除尘原理，抛光产生的金属粉尘随气流运动，金属粉尘中较大粒径的颗粒因重力沉降落入水槽，较小粒径的颗粒因惯性碰撞、扩散补集而被喷雾吸收；粉尘过滤装置过滤去除含尘液滴，然后将处理过后的气体排出系统；水处理装置则实现水中粉尘的收集处理和水的循环利用。

使用前处理软件绘制粉尘处理系统的三维模型，使用网格划分软件进行网格划分。使用混合网格划分方法，在结构复杂处对网格适当加密。金属粉尘湿法处理系统的网格如图3所示。

图3 粉尘处理系统网格划分Fig.3 Meshes of dust removal system

3 数值模拟及结果分析

3.1 数学模型

金属粉尘湿法处理系统内的流场为复杂的三维流动，是包含空气、金属粉尘、液滴的多相流动问题，因此利用数值计算对金属粉尘湿法处理系统内部的流动特征进行研究。为对多相流体进行数值模拟，做如下简化假设：将空气视为不可压缩流体；颗粒视为惰性球体；不考虑颗粒间的破碎、聚并；不考虑空气与颗粒间的传热传质。计算时采用标准 k-ε湍流模型模拟系统内空气湍流流动，该模型具有适用范围广、计算精度高的特点[9-13]。

控制方程中：

1)湍流动能k方程

(2)

2)耗散率ε方程

(3)

式中：ρ为流体密度；ui为流体速度分量；μ为层流动力粘性系数；μt为湍流动力粘度；Gk，Gb为湍流影响项；Sk表征浮力的影响；Cε1，Cε2，σk，σε为k-ε湍流模型中的常量，其中，Cε1取值1.44，Cε2取值1.92，σk取值1.0，σε取值1.3。

在粉尘处理系统中，颗粒相对于气体相所占比例远小于10%，故采用离散相模型(DPM)。该模型采用欧拉-拉格朗日模型，即利用欧拉观点描述气相流场，求解N-S方程得到速度分布等参数；利用拉格朗日观点描述颗粒运动，对质点的运动方程进行积分运算获取其运动轨迹[10-12]。实际计算中，先计算连续相单相流动，然后加入离散相获得离散相的运动规律。

3.2 数值模拟结果分析

设置金属湿法处理系统的气流出口处作为速度出口，uout=25 m/s；以送风装置为静压入口,Psta=0 Pa；金属粉尘颗粒材料选用铝，粒径范围为0～50 μm[14]；粉尘过滤装置设置为多孔介质区域；壁面为无滑移壁面，其中设置水槽水面对颗粒吸收率为1。

图4 截面速度矢量Fig.4 Velocity vector diagram of the section

金属粉尘湿法处理系统对称截面的速度矢量图如图4所示。由图可得，处理系统内部气流形成稳定流场，使气流抛光位置带动粉尘运动，进入风道。挡板处形成明显的旋流，可加强颗粒与喷雾的相互作用，利于粉尘的吸收去除[15-16]。经过滤网的气流分布趋于均匀，有利于滤网对颗粒物的去除。

抛光产生的金属粉尘颗粒在系统内的运动情况如图5和图6所示。其中，图5为粒径范围>10～50 μm的大粒径颗粒运动状况，从图5可知：粒径大于10 μm的金属粉尘颗粒在气流的带动下向风道方向漂移，由于粒径较大，受重力影响显著，因此在到达风道前就坠入水槽中，进而被吸收。图6为粒径范围0～10 μm(PM10)的颗粒运动状况，从图6可知：与粒径大于10 μm的大粒径金属粉尘颗粒对比，PM10气流跟随性好，容易随气流进入风道内，在喷雾装置处与喷雾作用，经过导流挡板形成旋流的强化作用后，液滴、粉尘颗粒混合气流经过粉尘过滤装置时，被滤网吸收。

图5 粒径范围>10～50 μm颗粒的运动轨迹Fig.5 Trajectory of particles with a particle size range of 10-50 μm

图6 粒径范围0～10 μm颗粒的运动轨迹Fig.6 Trajectory of particles with a particle size range of 0-10 μm

4 实验及结果分析

4.1 实验介绍

实验采用铝合金型材进行抛光作业。铝合金抛光粉尘粒径范围为0.3～50 μm，特点为粒径小于10 μm的颗粒(PM10)数量占抛光所产生粉尘总量的78%[14]。每组实验进行3次，取平均值作为测量结果。

由模拟结果可知，大于10 μm粒径的金属粉尘气流跟随性差，会随重力落入水中，故实验测量主要测量不同位置风速分布和PM10质量浓度来获取金属粉尘湿法处理系统的除尘性能。使用热线风速仪测量风速，使用以光散射原理为基础的激光粒度分析仪测量粉尘浓度，2者具有精度高、响应速度快的优点。以粉尘产生端与排出端的粉尘浓度差值除以粉尘产生端浓度值作为除尘效率，除尘效率公式如式(4)所示。

(4)

式中：η为抛光粉尘的除尘效率；cin为粉尘入口处的粉尘浓度；cout为粉尘排出处的粉尘浓度。

4.2 实验结果分析

图7为金属粉尘湿法处理系统内部风速分布的实验测量结果与数值模拟结果对比，由图7可知：系统内不同位置的实验测量结果与数值模拟结果误差在10%以内，实验装置内流场符合设计要求。

图7 实验与模拟速度对比Fig.7 Comparison of speed between experiment and simulation

采用洁净空气送风装置送风和开放式送风2种形式下，系统内不同部位PM10浓度对比，如图8所示，包括开放无喷雾模式、封闭有喷雾与封闭无喷雾3种形式。由图8可知：使用洁净空气送风装置能够为工人在操作呼吸区提供洁净的气流，操作工人呼吸区PM10浓度值为30 μg/m3，低于开放式送风模式下62 μg/m3的PM10浓度值，使用洁净空气送风装置可以有效降低操作人员的粉尘职业暴露水平；在金属抛光粉尘产生处，洁净空气送风装置送风的PM10浓度值高于开放式送风的PM10浓度值，同时排放出口处封闭式的PM10浓度值低于开放式的PM10浓度值，这表明使用洁净空气送风装置的送风方式相较于开放式送风更利于组织气流，从而有利于将呼吸性粉尘送入风道从而进一步去除。

使用洁净空气送风装置送风的前提下，采用喷雾对除尘效率的影响结果，如图8中封闭有喷雾模式与封闭无喷雾模式所示。由图8可知：喷雾装置只能影响流场中喷雾之后区域的粉尘浓度，故在喷雾位置之前的PM10浓度值变化不大；在出口处，喷雾模式的PM10浓度值为50 μg/m3，显著低于无喷雾模式的PM10浓度值120 μg/m3，其原因是粉尘颗粒被喷雾吸收后形成的含尘液滴，一部分随液滴落入水槽，另一部分随气流被粉尘过滤装置的滤网吸附，从而提高了除尘效率。

图8 不同工作状况方式粉尘浓度分布对比Fig.8 Dust concentration of different operating type

3种形式下PM10的除尘效率对比，如表1所示。由表1可知：通过使用洁净空气送风装置送风，可以有效组织气流，PM10除尘效率提升至60%；采用喷雾装置产生的雾化液滴与抛光粉尘相互作用，形成含尘液滴，进而落入水槽或被粉尘过滤装置的滤网吸收，PM10除尘效率进一步提高至82.1%。根据模拟结果，粒径大于10 μm的颗粒落入水槽，视为全部被吸收，而实验仅测量粒径小于10 μm的颗粒浓度分布，因此设备整体的除尘效率应高于82.1%。

表1 3种形式下装置的除尘效率Table 1 Dust removal efficiency of 3 kinds of conditions

5 结论

1)金属粉尘湿法处理系统内流场分布合理，在前部抛光作业区域形成斜向下的流场，有助于使粉尘随气流进入水槽吸收或进入风道进而进行金属粉尘的处理。

2)粒径大于10 μm的大粒径金属粉尘颗粒因重力沉降落入水槽而被去除，粒径小于等于10 μm的小粒径金属粉尘颗粒(PM10)可随气流进入风道，与喷雾作用后被去除。

3)相对于开放式送风，采用洁净空气送风装置送风，能够为操作工人提供安全、舒适的工作环境，降低操作工人对金属抛光粉尘的职业暴露风险。

4)改进后，采用洁净空气送风装置与喷雾装置的金属粉尘湿法处理系统PM10的除尘效率由30%提高到82.1%，可以有效降低PM10的排放。