鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道粉塵分布規(guī)律及其影響因素模擬研究

任曉芬，郭軍霞，郜玉聰，張 蕾，叢曉春

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

皮帶輸運(yùn)是固體顆粒物料轉(zhuǎn)運(yùn)的主要方式，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如選煤廠煤粉轉(zhuǎn)運(yùn)，礦井巷道煤粉轉(zhuǎn)運(yùn)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)運(yùn)，化學(xué)原料、冶金原材料和水泥原材料的輸送，鋼鐵廢渣回收再利用等[1]。輸運(yùn)過(guò)程中由于皮帶及附屬設(shè)備振動(dòng)、皮帶運(yùn)行的牽引風(fēng)流、物料下落過(guò)程中的誘導(dǎo)氣流的共同影響，產(chǎn)生大量的粉塵，容易引發(fā)塵肺病及其他呼吸系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重威脅工人的身體健康。因此，研究皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)物料時(shí)粉塵的遷移擴(kuò)散規(guī)律，掌握粉塵分布特點(diǎn)及粉塵濃度的影響因素，對(duì)降低工作場(chǎng)所粉塵濃度有重要的指導(dǎo)作用。

目前已有一些學(xué)者對(duì)物料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中粉塵的擴(kuò)散規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了研究，研究成果主要集中于輸運(yùn)物料自身特性、皮帶運(yùn)行速度、巷道環(huán)境風(fēng)速三個(gè)方面。針對(duì)輸運(yùn)物料自身特性開展的研究包括不同物料量、物料含水率、顆粒粒徑對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響，其中物料量與產(chǎn)塵量是直接相關(guān)的，如張子文等[2]，張海洋等[3]對(duì)不同運(yùn)煤量下粉塵濃度的分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果證明運(yùn)煤量越大，揚(yáng)塵作用越明顯；袁明昌[4]、魏德寧等[5]通過(guò)研究得出提高物料含水率可有效降低粉塵濃度的結(jié)論；劉少虹等[6]對(duì)皮帶巷風(fēng)流與巷道粉塵濃度分布進(jìn)行了模擬研究，得到顆粒起塵濃度與顆粒直徑成反比的結(jié)論；吳應(yīng)豪[7]對(duì)巷道內(nèi)粉塵的沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明巷道中大顆粒粉塵沉降距離與粉塵粒徑成正比，而小顆粒粉塵通常易隨風(fēng)流漂移而難以沉降。大量的研究證明皮帶運(yùn)行速度對(duì)巷道粉塵分布有明顯的影響，如陳舉師等[8-9]采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)巷道內(nèi)氣流場(chǎng)與粉塵分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：皮帶運(yùn)行速度是影響常溫物料粉塵擴(kuò)散的主要原因；Zhang等[10]、汪日生[11]、朱鵬等[12]、汪佩[13]研究了巷道風(fēng)流速度對(duì)粉塵濃度的影響，結(jié)果表明：在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，巷道內(nèi)粉塵濃度隨風(fēng)速的增大而降低，風(fēng)速增大對(duì)粉塵排出具有促進(jìn)作用。

少數(shù)學(xué)者針對(duì)其他領(lǐng)域高溫單顆粒和非常溫環(huán)境中粒子運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，如：Duan等[14-15]從高溫單顆粒在氣流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)，建立了單顆粒傳熱動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，得出高溫單顆粒在上升過(guò)程中較常溫顆粒物具有較小空氣阻力和較大速度且在流場(chǎng)中具有較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間的結(jié)論;Neuman[16-17]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證明，空氣溫濕度會(huì)對(duì)沉積物粒子輸送產(chǎn)生影響，同粒徑顆粒在低溫環(huán)境中輸運(yùn)所受的空氣阻力比在高溫環(huán)境中降低30%，即低溫環(huán)境更加有利于粉塵顆粒的運(yùn)移擴(kuò)散。

綜上所述，對(duì)于皮帶輸運(yùn)中粉塵污染的研究主要集中在常溫干物料且未涉及到環(huán)境溫度這一影響因素，目前針對(duì)皮帶輸運(yùn)熱濕物料產(chǎn)塵規(guī)律的研究也鮮有述及。根據(jù)已有的相關(guān)研究可知環(huán)境溫度、物料溫度會(huì)對(duì)粉塵運(yùn)移產(chǎn)生一定的影響，因此本文依據(jù)某鋼鐵企業(yè)熱濕鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道實(shí)際情況，建立廊道模型，模擬不同鐵渣溫度、室外環(huán)境溫度和皮帶運(yùn)行速度下的粉塵分布規(guī)律，探究鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)粉塵分布特點(diǎn)及其影響因素，以為實(shí)際的粉塵控制工作提供依據(jù)，對(duì)改善工作環(huán)境，保障工人身體健康具有重大的意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某鋼鐵企業(yè)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道全長(zhǎng)為170 m，廊道斷面形狀為長(zhǎng)方形，寬為4.5 m，高為3 m，皮帶輸送機(jī)位于廊道正中心位置，皮帶長(zhǎng)為160 m、寬為0.9 m，距底板高度為1.2 m；皮帶兩側(cè)均有寬為1.8 m的過(guò)道，過(guò)道裝有電線、管道、人行梯等設(shè)備，剩余空間供作業(yè)人員日常通行；廊道起始端與末端均有一扇門，皮帶機(jī)頭和機(jī)尾正上方各有一個(gè)天窗，廊道內(nèi)無(wú)任何除塵設(shè)備和機(jī)械通風(fēng)裝置，僅在機(jī)頭落料點(diǎn)做了簡(jiǎn)單密封，由于高溫物料及皮帶運(yùn)行的影響，現(xiàn)場(chǎng)粉塵較為明顯，圖1為現(xiàn)場(chǎng)肉眼可見的漂浮顆粒物。課題組前期已采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)的粉塵進(jìn)行了粒徑分析[1]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在很多粒徑10 μm以下的微細(xì)顆粒物(見圖2)。此外，利用X射線能譜儀(EDAX)分析了顆粒物元素成分，發(fā)現(xiàn)SiO2含量較多，SiO2是職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格控制的、可誘發(fā)塵肺病的主要成分。

圖1 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)顆粒物

圖2 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)顆粒物形貌(20 μm標(biāo)尺)

1.2 測(cè)試參數(shù)及儀器

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要內(nèi)容包括鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)風(fēng)速、溫度、呼吸性粉塵濃度、鐵渣溫度和廊道外空氣溫度。溫度的測(cè)試儀器為美國(guó)NK5000型電子氣象儀；風(fēng)速的測(cè)試儀器為日本加野KANOMAX6006測(cè)風(fēng)儀；呼吸性粉塵濃度的測(cè)試儀器為科爾諾四合一檢測(cè)儀(GT1000-YX4)；鐵渣溫度的測(cè)試儀器為Testo869紅外熱像儀。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)風(fēng)流流場(chǎng)理論及鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道實(shí)際情況，進(jìn)行風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置，沿廊道長(zhǎng)度方向(機(jī)頭至機(jī)尾)選取9個(gè)測(cè)試斷面[18](見圖3)，在每個(gè)斷面布置12個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)[見圖4(a)]；廊道內(nèi)溫濕度和呼吸性粉塵濃度的測(cè)試斷面參照風(fēng)速測(cè)試斷面，根據(jù)工業(yè)場(chǎng)所呼吸性粉塵測(cè)試要求，需將測(cè)點(diǎn)布置于工人長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)與停留的區(qū)域，因此每個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)都應(yīng)布置于人行道側(cè)距皮帶0.9 m、距離廊道底板1.5 m的呼吸帶高度處[19][見圖4(b)]，從廊道機(jī)頭位置開始向皮帶機(jī)尾方向每隔20 m設(shè)定一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，所測(cè)數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證；本次呼吸性粉塵測(cè)定均在皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、巷道內(nèi)粉塵濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，測(cè)試儀器相對(duì)誤差為±3%，每個(gè)測(cè)點(diǎn)粉塵濃度采樣次數(shù)為3次，采樣時(shí)間設(shè)定為5 min；風(fēng)速和溫濕度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定過(guò)程，見圖5。

圖3 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道測(cè)試斷面圖

圖4 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道I-I斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 風(fēng)速和溫濕度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

由于鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，建模比較困難，結(jié)合模擬計(jì)算的實(shí)際需求，對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)：

(1) 將鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道和皮帶輸送機(jī)視為長(zhǎng)方體；

(2) 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)人行梯、管道等附屬設(shè)備較小，對(duì)流場(chǎng)與粉塵擴(kuò)散的影響較弱，建立模型時(shí)忽略不計(jì)[4]；

(3) 忽略人員流動(dòng)及附屬設(shè)備運(yùn)行對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道粉塵濃度的影響；

(4) 將皮帶設(shè)為移動(dòng)熱源，皮帶軸面上的溫度變化不予考慮[1]；

(5) 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道模型僅考慮對(duì)流傳熱，忽略熱傳導(dǎo)、輻射換熱的影響；

(6) 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，且符合Boussinesq假設(shè)。

基于上述簡(jiǎn)化，采用ICEM軟件建立尺寸為 170 m×4.5 m×3 m的長(zhǎng)方體鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道三維幾何模型，皮帶輸送機(jī)尺寸為160 m×0.9 m×1.2 m，位于廊道正中間位置，模型坐標(biāo)原點(diǎn)為廊道底面、入口面與側(cè)壁面的交界處，X、Y、Z軸正方向分別指向運(yùn)輸機(jī)徑向一側(cè)、皮帶機(jī)機(jī)尾、廊道頂面，鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道三維幾何模型見圖6。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，最大面網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.27 m，整體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.35，滿足Fluent軟件計(jì)算的要求。

圖6 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道三維幾何模型

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

根據(jù)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圖6所示的計(jì)算模型進(jìn)行了模擬參數(shù)、邊界條件和離散相參數(shù)設(shè)置，其中邊界條件設(shè)置如下：皮帶設(shè)為移動(dòng)壁面，速度設(shè)為2.5 m/s，溫度設(shè)為328 K；廊道起始端設(shè)為壓力入口、末端為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)為0 Pa；機(jī)頭和機(jī)尾的天窗為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)為0 Pa；廊道頂面、底面和側(cè)壁設(shè)置為固定壁面。模擬參數(shù)和離散相模擬參數(shù)設(shè)置，分別見表1和表2。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置表

表2 離散相參數(shù)設(shè)置表

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。不同位置測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速、溫度、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值如圖7所示(圖中橫坐標(biāo)Y的意義為：人行道截面呼吸帶高度沿程直線上各點(diǎn)距廊道起始端的距離，下同)。

由圖7可見：風(fēng)速、溫度、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但模擬是在理想條件下進(jìn)行的，對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)部設(shè)備做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致廊道內(nèi)風(fēng)速模擬值小于實(shí)測(cè)值；模擬中廊道壁面視為絕熱壁面且不考慮在皮帶軸面上的溫度變化，使模擬所得的溫度值略大于實(shí)測(cè)溫度值；呼吸性粉塵質(zhì)量濃度3次測(cè)試數(shù)據(jù)最大誤差在16.7%以內(nèi)，將模擬所得的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，最大誤差為19.39%，從而證明本文所建立的模型用于研究鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道呼吸性粉塵分布規(guī)律及其影響因素具有可靠性和有效性。

圖7 實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.4 模擬結(jié)果及分析

2.4.1 流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布規(guī)律

在進(jìn)行DPM計(jì)算前先對(duì)流體相進(jìn)行了單獨(dú)求解，當(dāng)流體相達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再加入離散相，對(duì)粉塵顆粒在此流場(chǎng)中的分布規(guī)律進(jìn)行求解計(jì)算，以第2.1節(jié)和第2.2節(jié)中所建模型與邊界條件的模擬結(jié)果為例，說(shuō)明鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道寬度方向正中間截面(X=-2.25 m)的速度矢量圖，見圖8。

圖8 鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道寬度方向正中間截面(X=-2.25 m)的速度矢量圖

由圖8可見：由于皮帶輸送機(jī)卷吸周圍空氣形成負(fù)壓，使外界新風(fēng)經(jīng)廊道起始端入口和機(jī)頭上部天窗誘導(dǎo)進(jìn)入廊道，且在機(jī)頭位置匯集，形成渦流；廊道中部無(wú)通風(fēng)裝置，風(fēng)速較為穩(wěn)定，風(fēng)流方向與皮帶運(yùn)行方向一致，貫穿整個(gè)廊道，經(jīng)皮帶機(jī)尾上方天窗和廊道尾部出口流向廊道外部。

人行道正中間截面(X=-3.6 m)的溫度分布，見圖9。

圖9 人行道正中間截面(X=-3.6 m)的溫度云圖

由圖9可見：皮帶上廢渣與廊道內(nèi)部空氣發(fā)生對(duì)流傳熱，熱氣流在風(fēng)場(chǎng)的影響下不斷向廊道尾部流動(dòng)，導(dǎo)致人行道截面溫度在廊道長(zhǎng)度方向上存在分層現(xiàn)象，且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在廊道高度方向上以皮帶面為中心，呈V型分布。

2.4.2 粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律

(1) 鐵渣溫度對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響。保證室外環(huán)境溫度為295 K、皮帶運(yùn)行速度為2.5 m/s等模擬條件不變，設(shè)鐵渣溫度(T)分別為 318 K、328 K、338 K，不同鐵渣溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布見圖10，不同鐵渣溫度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質(zhì)量濃度沿程變化規(guī)律見圖11。

圖10 不同鐵渣溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖11 不同鐵渣溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化圖

由圖10可知：呼吸性粉塵在皮帶運(yùn)輸機(jī)表面產(chǎn)生后，縱向隨機(jī)波動(dòng)，橫向隨風(fēng)流方向不斷擴(kuò)散；廊道前5 m無(wú)產(chǎn)塵點(diǎn)，外界風(fēng)流從機(jī)頭上方的天窗侵入流向皮帶機(jī)頭表面，導(dǎo)致皮帶機(jī)頭區(qū)域粉塵無(wú)法向周圍空間擴(kuò)散，廊道長(zhǎng)度方向前10 m基本無(wú)粉塵產(chǎn)生。由圖11可見：不同鐵渣溫度下廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度沿程的分布規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；但隨著鐵渣溫度的上升，廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度整體升高，人行道呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度在90 m后均高于700 μg/m3，達(dá)到工作場(chǎng)所有害因素呼吸性粉塵質(zhì)量濃度限值(300 μg/m3[20])的2倍以上。

(2) 室外環(huán)境溫度對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響。保證鐵渣溫度為328 K、皮帶運(yùn)行速度為2.5 m/s等模擬條件不變，設(shè)室外環(huán)境溫度(t)分別為 275 K、290 K、305 K，不同室外環(huán)境溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布見圖12，不同室外環(huán)境溫度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質(zhì)量濃度沿程變化規(guī)律見圖13。

圖12 不同室外環(huán)境溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)人行道斷面呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖13 不同室外環(huán)境溫度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化圖

由圖12可知：不同室外環(huán)境溫度下廊道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度的分布規(guī)律基本一致，因風(fēng)流作用，人行道中后部粉塵質(zhì)量濃度大于起始端。由圖13可知：呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿廊道長(zhǎng)度方向呈逐漸上升趨勢(shì)，且隨室外環(huán)境溫度的升高而升高；室外環(huán)境溫度由275 K升高至305 K時(shí)，廊道內(nèi)相同位置粉塵質(zhì)量濃度升高約為2.7%～36.4%，造成粉塵濃度升高的原因是隨著室外環(huán)境溫度的升高，廊道內(nèi)溫度也隨之升高，導(dǎo)致空氣動(dòng)力黏度增大，從而引起粉塵在遷移過(guò)程所受阻力增大。

(3) 皮帶運(yùn)行速度對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響。鐵渣溫度為330 K、室外環(huán)境溫度為290 K等模擬條件不變，設(shè)皮帶運(yùn)行速度(v)分別為1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，不同皮帶運(yùn)行速度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布見圖14，不同皮帶運(yùn)行速度下人行道斷面呼吸帶高度(1.5 m處)粉塵質(zhì)量濃度沿程變化規(guī)律見圖15。

圖14 不同皮帶運(yùn)行速度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖15 不同皮帶運(yùn)行速度下鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化圖

由圖14和圖15可知：不同皮帶運(yùn)行速度下廊道內(nèi)呼吸性粉塵濃度的分布規(guī)律均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；沿程粉塵質(zhì)量濃度隨皮帶運(yùn)行速度的增大而減小。因?yàn)檗D(zhuǎn)運(yùn)物料為熱濕物料，揚(yáng)塵主要受物料溫度的影響，受皮帶振動(dòng)的影響較小，粉塵的擴(kuò)散過(guò)程主要受廊道內(nèi)流場(chǎng)的影響，呼吸性粉塵顆粒在氣流場(chǎng)中跟隨性較強(qiáng)，皮帶運(yùn)行速度越大牽引風(fēng)流越大，導(dǎo)致廊道內(nèi)整體風(fēng)速均增大，粉塵隨風(fēng)流在廊道長(zhǎng)度方向的擴(kuò)散作用越明顯，經(jīng)廊道末端出口與機(jī)尾上方天窗排出的粉塵較多。因此，在鐵渣的實(shí)際轉(zhuǎn)運(yùn)線上，既需將粉塵濃度控制在衛(wèi)生許可范圍內(nèi)，又要保證皮帶機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，故綜合考慮宜將皮帶的合理運(yùn)行速度v設(shè)定為2.5 m/s。

3 各因素的影響程度分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究鐵渣溫度(A)、 室外環(huán)境溫度(B)、皮帶運(yùn)行速度(C)3種影響因素對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)粉塵濃度分布的影響程度，本文采用正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法[21]，將上述3因素各選取3個(gè)水平進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)，各影響因素水平見表3，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表4。

表3 影響因素水平表

表4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表

3.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)方案，依次進(jìn)行計(jì)算。分析各因素對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵分布的影響程度，考慮到人員具體作業(yè)和活動(dòng)區(qū)域，對(duì)以上9個(gè)工況的評(píng)價(jià)以人行道斷面呼吸帶高度均勻選取的170個(gè)點(diǎn)的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度總和為評(píng)價(jià)指標(biāo)，呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度越小越好。

3.2.2 模擬結(jié)果與極差分析

不同工況下人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度總和模擬計(jì)算結(jié)果見表5。從計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)鐵渣溫度為318 K、室外環(huán)境溫度為305 K、皮帶運(yùn)行速度為3 m/s時(shí)，人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度最小，廊道內(nèi)環(huán)境相對(duì)較好。

表5 不同工況下人行道斷面呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度總和的模擬計(jì)算結(jié)果

利用極差R判斷鐵渣溫度、室外環(huán)境溫度和皮帶運(yùn)行速度3個(gè)因素的影響程度，R值越大說(shuō)明該因素對(duì)粉塵分布的影響越大。粉塵質(zhì)量濃度模擬結(jié)果的極差分析結(jié)果見表6。

表6 粉塵質(zhì)量濃度模擬結(jié)果的極差分析表

由表6可知，對(duì)粉塵質(zhì)量濃度的影響程度由大到小依次為皮帶運(yùn)行速度(C)、鐵渣溫度(A)、室外環(huán)境溫度(B)。

4 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度較高，說(shuō)明采用DPM 模型對(duì)鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)廊道內(nèi)呼吸性粉塵濃度分布規(guī)律及其影響因素進(jìn)行研究可行。

(2) 呼吸性粉塵顆粒氣流跟隨性較強(qiáng)，粉塵顆粒自皮帶面產(chǎn)生后，縱向隨機(jī)波動(dòng)，橫向隨風(fēng)流方向不斷擴(kuò)散，在沿程粉塵累積與擴(kuò)散的作用下，人行道中間截面粉塵質(zhì)量濃度沿廊道長(zhǎng)度方向逐漸增大，且在廊道中后部以后粉塵質(zhì)量濃度均大于700 μg/m3，達(dá)到工作場(chǎng)所粉塵質(zhì)量濃度限值的2倍。

(3) 廊道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度隨鐵渣溫度、室外環(huán)境溫度的升高略有升高，隨著皮帶運(yùn)行速度的增加而降低，在實(shí)際鐵渣轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，既需將粉塵質(zhì)量濃度控制在限值內(nèi)又要保證皮帶安全穩(wěn)定運(yùn)行，宜將皮帶運(yùn)行速度設(shè)置為2.5 m/s。

(4) 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與極差分析，得到各影響因素對(duì)粉塵質(zhì)量濃度的影響程度由大到小依次為皮帶運(yùn)行速度、鐵渣溫度、室外環(huán)境溫度。