棉紡車間顆粒物濃度及粒徑分布特征研究

竇 玥 楊小妮 ， 李蕓博

1 西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

3 西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院

0 引言

紡織行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要份額，是 支柱產(chǎn)業(yè)之一，我 國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展離不開紡織業(yè)的發(fā)展[1]。但紡織行業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物，彌 散懸浮在空氣中，且 顆粒物表面會(huì)吸附大量的細(xì)菌和微生物，在 相同顆粒物濃度條件下，紡 織廠室內(nèi)顆粒物對(duì)人的危害更大[2-3]。同時(shí)空氣中彌散的棉塵顆粒物會(huì)沉積在生產(chǎn)設(shè)備表面，對(duì) 工藝及設(shè)備造成不良影響。

因此，對(duì) 車間內(nèi)顆粒物的相關(guān)物理特性進(jìn)行研究非常有必要。國(guó)內(nèi)外關(guān)于紡織廠室內(nèi)懸浮顆粒物的研究主要為其對(duì)人體健康危害的病理性分析及職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)研究[4-8]。Gallagher 等人[4]通過對(duì)上海女紡織工人的死亡率進(jìn)行調(diào)查，研 究了在紡織纖維粉塵中的暴露與心血管疾?。–VD）的 關(guān)系。M ehta 等人[5]通 過實(shí)地采樣確定了工作區(qū)域內(nèi)毒素的測(cè)量可以作為個(gè)人暴露水平的合理指標(biāo)。同時(shí)也有針對(duì)紡織廠粉塵濃度測(cè)量及數(shù)值模擬的相關(guān)研究[9-11]。馬輝猛[9]在 已有的空調(diào)系統(tǒng)的前提下，對(duì) 實(shí)際紡織廠細(xì)紗車間內(nèi)的粉塵分布進(jìn)行數(shù)值模擬。陳紀(jì)剛[10]通 過對(duì)三家棉紡廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，比 較不同工種，季 節(jié)和工廠三種工況下的粉塵濃度。

但在上述研究中，并 未針對(duì)紡織廠室內(nèi)纖維顆粒物的幾何尺寸分布特征進(jìn)行明確研究，同 時(shí)在濃度的研究上對(duì)可吸入顆粒物濃度研究較少，而 顆粒物的粒徑分布及濃度分布對(duì)其危害程度的影響起著決定性作用。因此，本 文通過實(shí)地考察和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，研 究了某棉紡廠不同車間的棉塵濃度分布，旨 在揭示紡織行業(yè)生產(chǎn)車間作業(yè)環(huán)境內(nèi)的顆粒污染物的分布，并 將結(jié)果與行業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，進(jìn) 一步提出在紡織行業(yè)進(jìn)行顆粒污染物控制的必要性和緊迫性。并對(duì)顆粒物尺寸分布特征進(jìn)行研究，旨 在下一步借助CFD 技術(shù)研究深入研究控制策略時(shí)，為 數(shù)值計(jì)算提供可以借鑒邊界條件。

1 試驗(yàn)與方法

本研究主要針對(duì)棉紡車間內(nèi)清花，梳 棉和細(xì)紗三個(gè)車間進(jìn)行分析，該棉紡廠生產(chǎn)設(shè)備24 小時(shí)運(yùn)行，室 內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，無 明顯周期性變化，監(jiān) 測(cè)調(diào)研時(shí)間為該廠穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間。

1.1 采樣對(duì)象及采樣點(diǎn)布置

總顆粒物濃度選擇在清花，梳 棉和細(xì)紗車間三個(gè)車間進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)布置于生產(chǎn)設(shè)備旁0.5 m 處，采 樣點(diǎn)高度1.5 m，同 時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)處的溫濕度及風(fēng)速。以清花車間和細(xì)紗車間為代表，分 別研究前紡和后紡工藝可吸入顆粒物濃度空間分布特征。其中，水 平方向上，以 車間的幾何中心為中心測(cè)點(diǎn)，各 測(cè)點(diǎn)與中心測(cè)點(diǎn)的間距如圖1 所示。垂直方向上，選 擇以清花車間的 2# 測(cè)點(diǎn)及細(xì)紗車間的7#測(cè)點(diǎn)為對(duì)象，每 間隔 50 cm 高度進(jìn)行測(cè)量。為分析顆粒物粒徑，利用載玻片對(duì)彌散于車間環(huán)境中的棉塵顆粒物進(jìn)行采樣，采 樣位置與總顆粒物濃度采樣點(diǎn)相同。

圖1 車間測(cè)點(diǎn)布置平面圖

1.2 采樣設(shè)備及方法

使用粉塵采樣器（CCZ-20A 型，中 國(guó)常熟）對(duì) 總顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，采 樣流量為 20 L/min，采 樣時(shí)間為40 分鐘。使 用Dust Truck DRX Desktop（8533 型，美國(guó) TSI 公司）對(duì) 可吸入顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量 程：0.001～150 mg/m3，精 度：± 0 .001 mg/m3，監(jiān) 測(cè)時(shí)間為 15分鐘。同時(shí)利用載玻片，借助自然沉降法收集車間環(huán)境中彌散的顆粒物，采 集時(shí)間為40 分鐘。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

總顆粒物濃度采用電子分析天平（CPA225D，德 國(guó)賽多利斯公司）對(duì)濾膜進(jìn)行稱重后計(jì)算的方法分析，量 程：220 g，精 度：± 0 .001 g。

顆粒物粒徑利用 NIS-Elements（D，日本尼康公司）以 及 ImageJ（National Institutes of Health）進(jìn) 行分析。由于實(shí)際顆粒物的形狀為不規(guī)則形狀，本 研究選擇常見的非球形顆粒物特征尺度之一[15]，即 等投影面積球當(dāng)量直徑da進(jìn)行分析對(duì)比。

式中：A為實(shí)際顆粒的投影面積，m2，由 ImageJ 測(cè)量后得出。

分析采樣所得顆粒物的粒徑分布時(shí)，將 顆粒物分為纖維顆粒物及非纖維顆粒物進(jìn)行。本文將顯微鏡拍攝獲得的照片中長(zhǎng)度大于10 μm，且形態(tài)呈卷曲帶狀的顆粒物定義為纖維顆粒物進(jìn)行分析。分析該顆粒物時(shí)，以 實(shí)際長(zhǎng)度L和較為平展處的直徑D為參數(shù)研究其形態(tài)，圖 2 為其顯微鏡下截面形貌圖。利用NIS-Elements 圖像分析軟件直接測(cè)量其長(zhǎng)徑及短徑，短徑取三次測(cè)量平均值，其 等投影面積直徑通過長(zhǎng)徑及短徑計(jì)算得出。對(duì) 于非纖維顆粒物，長(zhǎng) 徑大于 10 μm的顆粒物分析方法同纖維顆粒物，小 于 10 μm 的利用ImageJ 對(duì)顯微鏡拍攝的圖片進(jìn)行處理分析。分析方法如下：首 先設(shè)定標(biāo)尺參數(shù)，使 其與圖像上的標(biāo)尺參數(shù)一致。然后進(jìn)入圖像測(cè)量模塊，調(diào) 整灰度分布曲線閾值，使 顆?？梢宰钋逦磉_(dá)后測(cè)量，輸 出顆粒物的投影面積后計(jì)算其等投影面積當(dāng)量直徑。

圖2 棉纖維顆粒物截面形貌

2 結(jié)果與討論

2.1 濃度分布特征

2.1.1 各工序總顆粒物濃度對(duì)比

實(shí)地監(jiān)測(cè)所得車間內(nèi)各工序總顆粒物濃度結(jié)果見圖3。

清花，梳 棉和細(xì)紗車間的平均總顆粒物濃度分別為3.65 mg/m3、2.87 mg/m3、1.75 mg/m3，均大于國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的棉塵接觸限值，即1 mg/m3[12]。由前紡工藝至后紡工藝，總 顆粒物濃度呈逐漸減小的趨勢(shì)，且清花車間總顆粒物濃度是細(xì)紗車間濃度的2.08 倍。進(jìn) 一步分析可知，不 同工序所用原材料中的雜質(zhì)含量高低不同，以 及工藝中的切割碾壓等過程的差異，會(huì)對(duì)濃度產(chǎn)生極大的影響。清花車間生產(chǎn)原材料為雜質(zhì)較多的原棉，且 收集分離原棉的工藝裸露在外，導(dǎo)致車間顆粒物濃度最大。梳棉車間原材料為清除雜質(zhì)后的棉團(tuán)，生 產(chǎn)設(shè)備配有局部通風(fēng)除塵系統(tǒng)，細(xì) 紗車間原材料為棉卷，僅 有搓捻的工藝暴露在外，造 成顆粒物濃度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

2.1.2 典型車間可吸入顆粒物濃度分布特征

圖3 車間總顆粒物濃度

分別以清花車間和細(xì)紗車間作為典型車間，研 究前紡工藝及后紡工藝的可吸入顆粒物濃度分布特征研究。

1）水 平方向分布特征

監(jiān)測(cè)期間清花車間及細(xì)紗車間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)可吸入顆粒物質(zhì)量濃度分布如圖4 所示。因?yàn)楝F(xiàn)今我國(guó)暫無針對(duì)可吸入棉塵顆粒物的接觸限值的規(guī)定，所 以參考美國(guó)勞工部的國(guó)家職業(yè)安全和衛(wèi)生管理局（OSHA）頒 布的容許接觸限值，其 規(guī)定粒徑小于15 μm 的棉塵接觸上限值為0.15 mg/m3[13]。我 國(guó)空氣質(zhì)量準(zhǔn)則中PM2.5的日均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為0.075 mg/m3[14]。國(guó)內(nèi)外尚無對(duì)紡織廠室內(nèi)PM1 濃度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，整體上分析，清花車間PM10 和PM2.5 顆粒物濃度均已大幅超過標(biāo)準(zhǔn)，P M2.5 最大濃度已達(dá)接觸限值的6 倍。細(xì)紗車間可吸入顆粒物濃度明顯低于清花車間，但 PM2.5 最大濃度值依舊為標(biāo)準(zhǔn)限值的1.4 倍。清花車間中心點(diǎn)處的可吸入顆粒物濃度最高，而 細(xì)紗車間中心測(cè)點(diǎn)處的濃度反而最低，可 能原因清花中心測(cè)點(diǎn)位于裸露的原材料加工中心。而細(xì)紗車間中心測(cè)點(diǎn)位于通道中心，顆粒物易彌散。進(jìn)一步分析圖4 可知，清 花車間的水平濃度分布較均勻，而 細(xì)紗車間的分布差異較大，造 成這種現(xiàn)象的原因是細(xì)紗車間雖然生產(chǎn)設(shè)備密度大，但 顆粒物污染源為相對(duì)集中的點(diǎn)源，而 清花車間污染源為分散分布于整個(gè)車間的面源，從 而導(dǎo)致兩車間濃度水平分布不同。

圖4 車間內(nèi)顆粒物濃度水平分布

2）垂 直方向分布特征

以清花車間的 2# 測(cè)點(diǎn)及細(xì)紗車間的 7# 測(cè)點(diǎn)為例，研究可吸入顆粒物濃度在垂直方向上的分布，監(jiān) 測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 車間內(nèi)顆粒物濃度垂直分布

兩車間的顆粒物濃度在垂直方向上的分布存在明顯差異，清 花車間顆粒物濃度隨高度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，細(xì) 紗車間顆粒物濃度整體趨勢(shì)為先減小后增大再減小的趨勢(shì)。兩車間顆粒物濃度最大值均在呼吸區(qū)高度 50～150 cm 內(nèi)，其 原因在于，車 間頂部存在送風(fēng)射流，且 顆粒在重力影響下導(dǎo)致濃度存在垂直方向的分布。但由于生產(chǎn)設(shè)備的不同，兩車間的顆粒物污染源高度也略有不同，使 兩車間濃度峰值出現(xiàn)的高度不同。兩車間各高度顆粒物濃度與其最大值的相對(duì)差異分別在 12.14%～28.39%和 14.06%～21.11%之間，即濃度在高度方向上存在一定的差異，該差異值X計(jì)算公式如下：

式中：Cmax為高度方向上濃度的最大值，m g/m3；C為某高度顆粒物濃度值，m g/m3。

2.2 各工序顆粒物粒徑分布特征

2.2.1 顆粒物的形貌特征

經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng) 徑較大的顆粒物數(shù)量較少，采集到的顆粒物以小于10 μm 為主。針 對(duì)總懸浮顆粒物，為 分析其粒徑分布，采 用等投影面積直徑分析其粒徑。針對(duì)長(zhǎng)徑大于10 μm 的纖維顆粒物，單 獨(dú)分析其幾何尺寸分布。其 中長(zhǎng)徑大于10 μm 的顆粒物包括棉纖維以及非棉纖維顆粒物，不 同類型顆粒物在顯微鏡下的區(qū)分見圖6。

2.2.2 總顆粒物粒徑分布

圖6 顆粒物粒徑測(cè)量類型區(qū)分

經(jīng)顆粒物粒徑分析表明，清 花工序和細(xì)紗工序的懸浮顆粒物的等效投影面積直徑組成均以 10 μm 以下為主，兩 工序的平均粒徑分別為 6.89 μm 和3.73 μm，da小于10 μm 的顆粒物平均占比93.25%，該 平均值為兩個(gè)工序的比率的平均值，下 文均采用此定義。細(xì)紗車間懸浮顆粒物粒徑整體小于清花車間，且 細(xì)紗顆粒物粒徑變化較為明顯，清 花和細(xì)紗車間粒徑在10μm 以下的顆粒物占比分別為84.31%和97.92%（圖7）。

圖7 車間顆粒物的粒徑分布

為方便分析和利用測(cè)量結(jié)果，常 將粒徑分布擬合成函數(shù)式。參考 Rosin-Rammler 粒徑函數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行粒徑分布分析，其 表達(dá)式為：

式中：F(d)為粒徑的累計(jì)分布；d為顆粒的特征尺寸，取 對(duì)應(yīng)F(d)=0.632 的顆粒直徑；m為均勻度指數(shù)。將式（2）對(duì) 數(shù)變換得到：

按式（4）對(duì) 粒徑進(jìn)行線性回歸如圖 8 所示。線性相關(guān)回歸數(shù)的平方R2為 0.899，均勻分布指數(shù)m為0.725,為 5.79 μm 。雖然有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合曲線，但 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粒徑累計(jì)分布總體與 R-R 分布函數(shù)規(guī)律吻合?？傻妹藜徿囬g內(nèi)顆粒物粒徑累計(jì)分布函數(shù)表達(dá)式如下：

圖8 R-R 函數(shù)擬合圖

2.2.3 10 μm 內(nèi)顆粒物粒徑分布

由圖7 可知，車 間內(nèi)顆粒物以粒徑小于10 μm 的顆粒物為主，為 確定其對(duì)人體呼吸道的危害，研 究其粒徑分布有一定的必要性。如 圖9 所示，兩 工序該粒徑范圍顆粒的平均粒徑分別為 4.29 μm 和 3.16 μm，粒 徑小于2.5 μm 的顆粒物數(shù)占10 μm 內(nèi)顆粒物數(shù)的平均比率為 42.36%，2.5～5 μm、5～7.5 μm、7.5～10 μm 粒徑范圍的顆粒物數(shù)占 10 μm 內(nèi)顆粒物數(shù)的平均比率分別為39.56%、12.36%、5.73%。對(duì) 比清花和細(xì)紗工序，5～10 μm 粒徑范圍內(nèi)的顆粒物占比呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，2.5～5 μm 粒徑范圍內(nèi)的顆粒物占比增加，2.5 μm 以下的顆粒物占比基本保持不變，其 比率分別為45.96%和43.86%。主 要原因可能為清花工藝雖然相較細(xì)紗工藝會(huì)產(chǎn)生更多的顆粒污染物，但 局部通風(fēng)裝置及車間內(nèi)上送下回通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒物捕集效果差，導(dǎo) 致即使較大顆粒物能被捕集排出，但 大部分細(xì)顆粒物還停留在室內(nèi)，從 而導(dǎo)致2.5 μm 內(nèi)范圍的占比幾乎不變。

圖9 10 μm 內(nèi)顆粒物粒徑分布

2.2.4 纖維顆粒物幾何尺寸分布

依據(jù)工作場(chǎng)所空氣中粉塵分散度測(cè)定的相關(guān)規(guī)定[16]，樣 本數(shù)量不少于200 個(gè)塵粒，本 研究測(cè)定纖維顆粒的樣本數(shù)均為250。如圖10（a）所 示，兩 車間纖維顆粒物長(zhǎng)徑以小于 400 μm 為主，該范圍內(nèi)的纖維數(shù)占總纖維數(shù)的比率分別為 67.18%和 64.86%，且隨長(zhǎng)度增大占比逐漸減小。兩車間的纖維顆粒物長(zhǎng)徑分布差異較小，同 時(shí)長(zhǎng)度為1000 μm 以上的纖維顆粒物占比分別為 9.2%和12.36%。圖 10（b）所 示，兩 工序直徑占比都呈現(xiàn)隨短徑增加先增大后減小的趨勢(shì)，短 徑占比最多的均出現(xiàn)在5-15 μm 范圍內(nèi)。但兩工序短徑分布具有一定差異，兩工序短徑值 25%-75%區(qū)間差異較大，細(xì)紗工序的短徑占比增加幅度更小且有延遲，即 細(xì)紗車間纖維顆粒物短徑值大于清花車間。本研究測(cè)量結(jié)果與宗亞寧[17]等 人對(duì)棉纖維直徑測(cè)量結(jié)果基本一致。

圖10 車間纖維顆粒物幾何尺寸分布

從圖 10 可以看出，纖維顆粒物長(zhǎng)徑比主要集中在90 以下，該 范圍的纖維顆粒物平均占比為92%。清花工序的長(zhǎng)徑和長(zhǎng)徑比的最大值都大于細(xì)紗工序，但 其分布與細(xì)紗工序差異較小，造 成了這種結(jié)果的原因可能是長(zhǎng)徑較大的顆粒物受重力影響沉降在地面，不 能被載玻片收集，彌 散在空中的纖維顆粒物的尺寸受環(huán)境及工藝因素影響較小，主 要與顆粒物的自身尺寸有關(guān)。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)地監(jiān)測(cè)，研 究了不同棉紡車間顆粒污染物的濃度及粒徑分布，得 到如下結(jié)論：

1）清 花、細(xì) 紗及梳棉車間平均總顆粒物濃度分別為3.65 mg/m3、2.87 mg/m3、1.75 mg/m3，均大于棉塵接觸限值。由前紡工藝至后紡工藝總顆粒物濃度呈逐漸減小的趨勢(shì)，且 清花車間總顆粒物濃度是細(xì)紗車間濃度的2.08 倍。清花、細(xì) 紗車間可吸入顆粒物濃度在水平、高 度方向上分布均不同，但 高度方向的可吸入顆粒物濃度峰值均在呼吸區(qū)高度內(nèi)，且 不同高度處測(cè)點(diǎn)的顆粒物濃度與其最大值的相對(duì)差異在 12.14%～28.39%之間，即 濃度在高度方向上存在一定分布。并且針對(duì)紡織行業(yè)車間內(nèi)的可吸入顆粒物濃度，缺 乏具有指導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

2）針 對(duì)清花和細(xì)紗車間內(nèi)所有顆粒物，以 顆粒物的等效投影面積直徑為粒徑進(jìn)行分析，清 花和細(xì)紗車間內(nèi)總懸浮顆粒物的粒徑組成存在差異，但 均以小于10 μm 為主，平 均粒徑分別為6.89 μm 和3.73 μm 。車間內(nèi)顆粒物粒徑累計(jì)分布符合特征粒徑為 5.79 μm，均勻分布指數(shù)為0.725 的R-R 分布函數(shù)。清花和細(xì)紗車間，10 μm 以內(nèi)的顆粒物的平均粒徑分別為4.29 μm 和3.16 μm，且兩車間中粒徑小于2.5 μm 的顆粒物占該范圍內(nèi)顆粒物總數(shù)量的比率基本相同，分 別為45.96%和43.86%。

3）針 對(duì)清花和細(xì)紗車間內(nèi)的纖維顆粒物，以 長(zhǎng)徑和短徑進(jìn)行分析。長(zhǎng)徑以小于400 μm 的為主，長(zhǎng) 徑和短徑均值分別為 400.98 μm 和 433.51 μm，13.09 和14.47 μm，長(zhǎng) 徑比均值分別為 32.74和 30.78，兩 車間的纖維顆粒物幾何尺寸差異不明顯。