水泥廠包裝車間的粉塵污染特征

彭霖，劉小真,b，楊明生

(南昌大學a.資源環(huán)境與化工學院，江西 南昌 330031;b.鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031)

中國水泥混凝土年產(chǎn)量已連續(xù)多年超過世界混凝土年產(chǎn)量的50%，位居世界第1位[1-2]。水泥制造業(yè)屬于職業(yè)病危害風險嚴重的行業(yè)[3-7]，水泥包裝間產(chǎn)塵是一個動態(tài)產(chǎn)塵過程，水泥包裝系統(tǒng)長期以來存在粉塵污染問題[8-11]，引起塵肺，危害人體健康[12]。隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國水泥塵肺病例不斷增加，部分地區(qū)水泥塵肺的新發(fā)病例數(shù)很多,水泥塵肺屬于硅酸鹽類塵肺[13-15]。塵肺病發(fā)病機制復雜，目前沒有有效的治療方法[16-17]，且水泥塵肺的病死率可高達28.6%[18]。要預防塵肺病的發(fā)生必須減少作業(yè)環(huán)境的粉塵污染。脈沖袋式收塵器具有設備故障率低，運行穩(wěn)定，維護費用低，除塵效率高的特點[19]。白元[20]通過分析水泥包裝車間通風除塵效果不理想問題，對通風系統(tǒng)進行了設計改造。通過對集塵點的改造、反吹風壓控制等措施[21]，或基于數(shù)值模擬對袋式除塵器清灰性能進行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來解決除塵效果差的問題[22-23]。

當前，對水泥廠包裝車間袋式除塵器安裝前后空氣粉塵和工作人員接觸粉塵質(zhì)量濃度對比研究的案例較少?；诖?，本文探究袋式除塵器在水泥廠的應用效果。通過對包裝車間工作區(qū)域布點采樣，來探究各區(qū)域粉塵污染狀況，為水泥廠今后的除塵研究及粉塵的污染控制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點的選擇

NC水泥廠目前建有110萬噸水泥配置線和年生產(chǎn)40萬m3混凝土生產(chǎn)線。主導產(chǎn)品為PC42.5、PO42.5、PO52.2、PII52.2等高標號水泥和商品混凝土。袋裝水泥在經(jīng)水泥包裝區(qū)完成包裝后，經(jīng)皮帶運輸至裝車區(qū)，最后經(jīng)裝包工搬至運輸車上。對NC水泥廠粉塵重點污染區(qū)域包裝區(qū)、裝車區(qū)及皮帶輸送區(qū)等進行采樣，同時對各工作區(qū)域和工種進行布點采樣，來探究各污染區(qū)域的污染狀況。采樣當天溫度在24～28 ℃，風速為1～2級。

1.2 樣品的采集

采用5臺CCZ5防爆個體粉塵采樣器和5臺GilAir-5廣用型高低流量采樣器，用STEL和TWA采樣法，對以上采樣點進行采樣，包括空氣中總粉塵和呼吸性粉塵，作業(yè)人員個體接觸總粉塵和接觸性粉塵。

1.3 樣品的分析

采樣后，取出濾膜，將濾膜的接塵面朝里對折2次，置于清潔容器內(nèi)運輸和保存。運輸和保存過程中應防止粉塵脫落或污染。稱量前，將采樣后的濾膜置于干燥器內(nèi)2 h以上，除靜電后，在十萬分之一電子天平(型號MS105DU)上準確稱量，記錄濾膜和粉塵的質(zhì)量m2。

按式(1)計算空氣中總粉塵的質(zhì)量濃度：

C=1 000×(m2-m1)/V·t

(1)

式中：C為空氣中總粉塵的質(zhì)量濃度，mg·m-3；m2為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；m1為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；V為采樣流量，L·min-1；t為采樣時間，min。

數(shù)據(jù)分析借助SPSS15統(tǒng)計軟件分析，相關(guān)圖表制作在Origin2016中完成，袋式除塵器三維圖是根據(jù)袋裝車間內(nèi)部布局及其相關(guān)尺寸大小，利用Gambit軟件按照原型1：1比例進行三維建模。

1.4 改裝后的袋式除塵器

本實驗在水泥傳統(tǒng)袋式除塵器內(nèi)部合理布置導流板并設計合理的角度，通過改善粉塵容器內(nèi)的空氣流動，增加顆粒的慣性效應，有效提高現(xiàn)有百葉除塵器的顆粒收集效率。袋式除塵器的中箱體長7.5 m、寬2.5 m、高3 m，箱體內(nèi)錯位排列著直徑為130 mm、高2 100 mm的圓柱形濾袋，中箱體下方是2個并列排列的長3 m、寬2.5 m、高2.4 m的灰斗。袋式除塵器三維圖如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 包裝區(qū)粉塵質(zhì)量濃度

為了探究袋式除塵器的應用效果及包裝區(qū)粉塵污染分布特征，對包裝區(qū)定點進行15 min短時間布點采樣，計算CSTEL。同時，根據(jù)工人作業(yè)生產(chǎn)班內(nèi)的作業(yè)強度和周期，對包裝工進行個體采樣，計算CTWA。包裝區(qū)粉塵質(zhì)量濃度見圖2所示，安裝除塵器前后的粉塵平均質(zhì)量濃度見表1。

由圖2可知，安裝除塵器前，定點粉塵質(zhì)量濃度采樣中，包裝車間包裝區(qū)4個定點總塵質(zhì)量濃度范圍為11.94～14.64 mg·m-3，超標倍數(shù)為2.99～3.66倍(國家標準總塵質(zhì)量濃度≤4 mg·m-3，現(xiàn)場定點采樣評價總塵質(zhì)量濃度2倍以內(nèi)算合格)，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為84.18%(4個定點粉塵降低率取平均值)。呼塵質(zhì)量濃度范圍為5.17～6.87mg·m-3，超標倍數(shù)為3.45～4.58倍(國家標準呼塵質(zhì)量濃度≤1.5 mg·m-3，現(xiàn)場定點采樣評價質(zhì)量濃度2倍以內(nèi)算合格)，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為83.04%。而在個體粉塵采樣中，個體接觸總塵質(zhì)量濃度為7.58～9.58 mg·m-3，超標1.90～2.40倍(個體采樣國家標準總塵質(zhì)量濃度≤4 mg·m-3)，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為84.00%。個體接觸呼塵質(zhì)量濃度范圍為2.47～3.63 mg·m-3，超標1.65～2.40倍(個體采樣國家標準呼塵質(zhì)量濃度≤1.5 mg·m-3)，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為82.64%。

表1 包裝區(qū)除塵器安裝前后粉塵平均質(zhì)量濃度Tab.1 Average dust mass concentrations before and after installing the dust collector in the packing area

安裝除塵器后，定點總塵、定點呼塵、個體接觸總塵、個體接觸呼塵質(zhì)量濃度最大值分別為2.34、1.28、1.46、0.57 mg·m-3，空氣中粉塵和個體接觸粉塵質(zhì)量濃度均有了很大的改善，安裝除塵器后粉塵質(zhì)量濃度均符合國家限定標準，粉塵質(zhì)量濃度降低率在83.50%左右，除塵效果較好。

對粉塵的二氧化硅含量進行檢測分析，粉塵的二氧化硅含量為7.8%，定性為水泥粉塵。對安裝除塵器前后的粉塵污染特征進行分析，安裝除塵器前，空氣中粉塵排放方式為無組織排放。安裝除塵器后，空氣中的粉塵排放方式為有組織排放。

2.2 皮帶輸送區(qū)粉塵質(zhì)量濃度

為了探究水泥廠包裝車間皮帶輸送區(qū)粉塵污染狀況，對皮帶輸送區(qū)的輸送帶頭部、輸送帶拐點、輸送帶尾部進行粉塵采樣。由于巡檢工活動區(qū)域不僅為皮帶輸送區(qū)，故對皮帶輸送區(qū)巡檢工進行個體采樣無法分析出皮帶輸送區(qū)個體接觸粉塵質(zhì)量濃度情況。在此，僅對安裝袋式除塵器前后的皮帶輸送區(qū)的定點粉塵質(zhì)量濃度進行采樣，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，輸送帶頭部總塵平均質(zhì)量濃度為4.77 mg·m-3，呼塵平均質(zhì)量濃度為1.74 mg·m-3；輸送帶拐點總塵平均質(zhì)量濃度為8.15 mg·m-3，呼塵平均質(zhì)量濃度為2.91 mg·m-3；而輸送帶尾部總塵平均質(zhì)量濃度為6.06 mg·m-3，呼塵平均質(zhì)量濃度為2.07 mg·m-3。

由圖4可知，安裝除塵器后皮帶輸送區(qū)總塵和呼塵質(zhì)量濃度同樣表現(xiàn)為輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。對比圖3，安裝除塵器后，輸送帶頭部的總塵平均質(zhì)量濃度為0.71 mg·m-3，除塵率為85.12%；呼塵平均質(zhì)量濃度為0.39 mg·m-3，除塵率為77.59%。輸送帶拐點的總塵平均質(zhì)量濃度為1.22 mg·m-3，除塵率為85.05%；呼塵平均質(zhì)量濃度為0.69 mg·m-3，除塵率為66.67%。輸送帶尾部的總塵平均質(zhì)量濃度為1.11 mg·m-3，除塵率為81.68%，呼塵平均質(zhì)量濃度為0.42 mg·m-3，除塵率為79.71%。整個皮帶輸送區(qū)總塵平均除塵率為83.95%，呼塵平均除塵率為74.66%?？梢?，除塵器安裝后，皮帶輸送區(qū)各點位的平均除塵率在80%左右。

無論是總塵還是呼塵，粉塵質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。輸送帶拐點濃度明顯高于輸送帶尾部和輸送帶頭部。原因可能為水泥包裝袋在經(jīng)過輸送帶拐點時，發(fā)生翻滾或者碰撞，使得水泥包裝袋表面和底部的粉塵擴散到空氣中，造成輸送帶拐點聚集了大量的水泥揚塵，使得該區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度明顯高于兩端區(qū)域。水泥包裝袋上方的揚塵一部分因輸送帶運動產(chǎn)風的作用隨著水泥包裝袋運送至輸送帶尾部，從而造成輸送帶尾部的粉塵質(zhì)量濃度高于輸送帶頭部。

2.3 裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度

對裝車區(qū)定點進行15 min短時間布點采樣，計算CSTEL。同時，根據(jù)工人作業(yè)生產(chǎn)班內(nèi)的作業(yè)強度和周期，對裝車工進行個體采樣，計算CTWA。裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度見圖5所示。

由圖5可知，除塵器安裝前，定點粉塵質(zhì)量濃度采樣中，包裝車間裝車區(qū)4個定點總塵質(zhì)量濃度范圍為13.73 ～17.42 mg·m-3，超標倍數(shù)為3.43～4.36倍。粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為83.79%。呼塵質(zhì)量濃度范圍為5.74～7.61 mg·m-3，超標倍數(shù)為3.83～5.07倍，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為84.38%。而在個體粉塵采樣中，個體接觸總塵質(zhì)量濃度為7.59～9.54 mg·m-3，超標1.90～2.39倍，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為85.62%。個體接觸呼塵質(zhì)量濃度范圍為3.57～4.38 mg·m-3，超標2.38～2.92倍，粉塵質(zhì)量濃度平均降低率為83.77%。

除塵器安裝后，定點總塵、定點呼塵、個體接觸總塵、個體接觸呼塵質(zhì)量濃度最大值分別為3.14、1.37、1.35、0.71 mg·m-3，空氣中粉塵和個體接觸粉塵質(zhì)量濃度均有了明顯的降低，除塵器安裝后粉塵質(zhì)量濃度均符合國家限定標準，粉塵質(zhì)量濃度降低率在84.39%左右，除塵效果較好。

2.4 除塵器安裝前后包裝車間粉塵質(zhì)量濃度分布特征

對水泥包裝車間的包裝區(qū)、皮帶輸送區(qū)的輸送帶頭部、輸送帶拐點、輸送帶尾部、裝車區(qū)安裝除塵器前后的定點總塵和呼塵質(zhì)量濃度進行對比，結(jié)果如6、圖7所示。

由圖可知，除塵器安裝前包裝車間各區(qū)域總塵平均質(zhì)量濃度分別為12.36、4.77、8.13、6.06、15.53 mg·m-3，包裝車間呼塵平均質(zhì)量濃度依次為5.36、1.74、2.91、2.07、6.78 mg·m-3，粉塵質(zhì)量濃度表現(xiàn)特征均為裝車區(qū)>包裝區(qū)>輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。

除塵器安裝后包裝車間總塵平均質(zhì)量濃度依次為2.19、0.71、1.22、1.11、2.82 mg·m-3，包裝車間呼塵平均質(zhì)量濃度依次為0.93、0.39、0.69、0.42、1.26 mg·m-3，粉塵質(zhì)量濃度表現(xiàn)特征均為裝車區(qū)>包裝區(qū)>輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。包裝車間各區(qū)域的總塵和呼塵質(zhì)量濃度變化趨勢大致相同。

總之，對比包裝車間安裝袋式除塵器前后的粉塵質(zhì)量濃度，整體特征表現(xiàn)為裝車區(qū)>包裝區(qū)>輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。

2.5 包裝車間不同生產(chǎn)力下粉塵質(zhì)量濃度比較

對包裝車間不同生產(chǎn)力的包裝區(qū)和裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度進行檢測，探究包裝區(qū)和裝車區(qū)的粉塵質(zhì)量濃度變化特征。通過對比包裝區(qū)和裝車區(qū)粉塵變化特征，來探究生產(chǎn)力對包裝區(qū)和裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度的影響。不同生產(chǎn)力的包裝區(qū)和裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度變化見表2所示。

表2 不同生產(chǎn)力下各區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分析Tab.2 Analysis of dust mass concentrations in various regions under different productivity

對于包裝區(qū)而言，當加大生產(chǎn)力至1.5倍時，空氣中定點、個體采樣的總塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度增大倍數(shù)在1.23～1.40倍之間，增大倍數(shù)相對較小。而裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度增大倍數(shù)在1.75～2.04倍之間?？梢钥闯?，加大生產(chǎn)力對裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度的影響要大于包裝區(qū)。原因可能是加大工作量時，裝車工搬包過程中很難一直保持輕拿輕放，使得水泥袋的劇烈碰撞產(chǎn)生更多的揚塵，使得裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度明顯增加。

3 結(jié)論

1) 安裝袋式除塵器前，包裝車間各區(qū)域粉塵超標嚴重。安裝除塵器后，各區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度平均降低80%～85%，粉塵降低效果明顯，各區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度均為合格。

2) 皮帶輸送區(qū)的粉塵質(zhì)量濃度特征表現(xiàn)為輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部，原因是袋裝水泥在經(jīng)過輸送帶拐點時，發(fā)生翻滾或碰撞，使水泥袋表面的粉塵擴散到空氣中產(chǎn)生揚塵，使得輸送帶拐點粉塵質(zhì)量濃度高于兩端。

3) 包裝車間各區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度特征表現(xiàn)為裝車區(qū)>包裝區(qū)>輸送帶拐點>輸送帶尾部>輸送帶頭部。

4) 當生產(chǎn)力變?yōu)樵瓉淼?.5倍時，包裝區(qū)空氣中定點和個體接觸總塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度增大倍數(shù)在1.23～1.40倍之間，增大倍數(shù)相對較小，而裝車區(qū)粉塵質(zhì)量濃度增大倍數(shù)在1.75～2.04倍之間，增大倍數(shù)相對較大。