煤矿呼吸性粉尘冲击采样器的了解

【中国气体产业网】粉尘污染的作业环境严重危害工人的身体健康，而且粉尘浓度过高还潜伏着粉尘爆炸的危险，因而煤矿作业环境的粉尘给作业人员和安全生产均带来极大危害，因此，对煤矿作业场所的粉尘进行必要的监测和防治显得尤为重要。 我国煤矿粉尘监测技术与国外发达国家尚存在不小的差距[1]，呼吸性粉尘的监测早已在世界发达国得到重视，这些国家均制定有呼吸性粉尘卫生浓度标准，而我国在这方面的工作较落后，在20世纪90年代以前一直采用全尘监测[2]。而且与大气颗粒物监测相比，煤矿粉尘监测的普及率较低，关于煤矿粉尘监测的研究较少，专门用于煤矿作业环境的呼吸性粉尘采样器的具体设计未见报道。本文结合煤矿呼吸性粉尘的特点，应用大气冲击采样器原理，研究煤矿作业环境呼吸性粉尘冲击采样器的设计原理，为进一步的具体设计奠定理论基础。 1煤矿作业环境和大气环境的颗粒物监测及粒度分类的比较 1.1两种作业环境的颗粒物监测比较 煤矿粉尘监测的原理和监测方式类似于大气环境下的颗粒物监测，均以气体—颗粒两相流作为监测对象，并在空气动力学基础上研究颗粒物的运动特征，进而对其质量的衡量，而且它们的监测结果都是为了活动在这一环境的人类健康服务[3]。但大气颗粒物监测技术并不能完全应用于煤矿作业环境，因为煤矿粉尘粒子有自身的物理特点，同时还须考虑其周边的物理环境。大气颗粒物监测技术比煤矿粉尘监测成熟得多，而煤矿粉尘监测需要考虑的问题也较多：煤矿粉尘监测环境特殊，条件受限，比如电力方面电压受限，还必需满足防爆要求等；再者两种监测所采集的颗粒物母质不同，颗粒间的物理特性不同，对监测结果有一定的影响。 1.2粒度分类的意义 环境粒度分类标准是冲击采样器设计的基础，如在大气环境下，了解不同大小的粒子在呼吸系统不同部位的吸入与沉积情况，有助于正确评价对人体造成的不同危害[3]，更为执行有关的空气质量控制法规提供依据，可见粒度分类对冲击采样器设计的重要性。粒度分类采样是指颗粒物(粉尘)采样时，对被采集的实体有选择地采样，将空气中的颗粒物(粉尘)按粒径大小把其中某一部分或某几部分区分出来而加以单独收集和采样[4]，因此严格来说对气体中颗粒物的监测，不仅要知道其污染浓度特征，还要了解其粒度分布特征[3，4]。 对煤矿作业环境，随着技术的进步和研究的逐渐深入，已经由最初的全尘采样转变为煤矿作业环境的呼吸性粉尘监测，即煤矿作业环境的粒度分类采样。 1.3两种监测环境的粒度分类及对比 在大气颗粒物采样中，对PM10和PM2。5有如下定义：PM10指气溶胶中空气动力学直径小于或等于10μm的颗粒物，采样时其空气动力学直径为10μm的颗粒被切割分离的粒子为50%；而PM2。5指气溶胶中空气动力学直径小于或等于2。5μm的颗粒物，采样时其空气动力学直径为2。5μm的颗粒被切割分离的粒子为50%，且在1μm时被切割分离的粒子大于95%，在5μm时被切割分离的粒子小于5%[5]。其示意图如图1所示，纵坐标表示相应的空气动力学直径颗粒物的切割效率(撞击效率)，在实际采样中，可认为未被切割的大颗粒(直径大于d50)和被切割的小颗粒(直径小于d50)的质量相互抵消，d50又称为等效切割粒径[6]。所以，PM10和PM2。5的等效切割粒径分别为10μm和2。5μm，即切割效率为50%的粒径点。等效切割粒径是大气颗粒冲击采样器设计的关键。 目前煤矿粉尘监测以呼吸性粉尘为主。1952年英国医学研究委员会(BritishMedicalResearchCouncil)首先定义了呼吸性粉尘，并于1959年在南非约翰内斯堡召开的第四次国际矽肺病会议上得到公认。图2中曲线1就是约翰内斯堡国际矽会议推荐的呼吸性粉尘采样曲线，简称BMRC曲线，曲线2则是肺泡内粉尘沉淀曲线。图中的纵坐标粒子的穿透能力是指相应粒径的粒子未被收集或能够进入呼吸道的百分率。可见，BMRC曲线是同人的上呼吸道内粉尘沉淀曲线基本一致，此曲线作为矿井呼吸性粉尘标准在国内外已延用至今。BMRC曲线的具体数值如表1所示。其中沉积效率相当于大气采样中的切割效率，即被冲击器撞击下来大粒子的效率，也是沉着在冲击板的沉积效率，也是冲击采样器的切割效率。其中空气动力学直径为5。0μm颗粒的沉积效率为50%，类似于大气采样中定义的等效切割粒径(d50)。 2冲击采样器冲击原理分析及相关参数 2.1冲击采样器工作原理 在颗粒物采样原理中，冲击采样是颗粒物采样仪器中使用较多的原理之一，煤矿粉尘监测和大气颗粒物监测的核心就是冲击器。冲击器的工作原理如图3所示：在气体—颗粒两相流条件下气体中的颗粒会随气流由喷嘴喷出，根据空气动力学原理[7，8]，较小颗粒继续跟随气流绕过冲击板到滤膜处，而较大的颗粒会因惯性的原因冲向冲击板并被收集，由滤膜上的颗粒量便可测得本级冲击器的颗粒物(粉尘)浓度。 在煤矿作业环境下，颗粒物(粉尘)浓度较高，冲击器流量的大小和被切割颗粒的量相关性很强，此时流经冲击器的流量过大将会导致过多的被切割颗粒聚集在冲击板处，相对大气采样来说颗粒的反弹和颗粒被再次卷入气流现象自然会增加，从而不能保证已被切割的颗粒完全收集到冲击板上，切割效率也随之降低，其监测结果也会变得不够准确，所以此时的冲击采样器需要较好地收集被切割的颗粒，以保证此冲击采样器的切割效率。有关文献报导这类冲击器的冲击板的粉尘负载能力(即容尘量)只有1～2mg，超载则易造成呼吸性粉尘与非呼吸性粉尘的混级[9]，从而使采样失去意义，为有效解决此问题，可从两方面入手：其一是加大冲击板的收集量，尽可能减少反弹的几率，也就是改进冲击板结构，可以用槽或杯状取代板状冲击板[10]；其二则是减少采集的相对量，则采样时可选用小流量采集，即减少颗粒物的被切割量，不至于过多的颗粒聚集在冲击板上。相对而言，降低流量既减少了颗粒物的切割量又降低了冲击器的工作负担，是比较好的方案。 2.2无纲量参数确定 在气体—颗粒两相流的特殊条件下，冲击器相应的特性参数确定是设计的主要内容，尤其是斯托克斯数Stk和雷诺数Re。 2.21斯托克斯数Stk 在理想情况下，冲击器能把大于规定的切割粒径的粒子全部撞击下来并收集，而小于此粒径的粒子则全部不被撞击而未收集，如图1中虚垂直线就是理想情况。但实际上，在气体—颗粒两相流情况下的冲击器的撞击效率与颗粒的粒径存在一定的函数关系，如图中的实曲线才是实际的撞击效率曲线，而且撞击效率是由一个无纲量参数———斯托克斯数Stk决定，斯托克斯数反映颗粒物被切割(撞击)的效果。斯托克斯数定义为颗粒物的截止距离与喷口半径的比值。即Stk=2uτW=ρPuCcd29μW(1)式中：u为喷口喷出气流的速度；τ为弛豫时间，流速u与τ的积为截止距离[4]；ρP为颗粒物密度；d为颗粒物直径；Cc坎宁安修正因子，是颗粒物直径的函数，与颗粒物直径成反比；μ为空气的动力粘度；W为喷口的直径。在许多文献中常见到Stk50[4，6-7]，是指颗粒物直径为等效切割粒径(d50)时即在切割效率为50%时的斯托克斯数。斯托克斯数表示颗粒物的运动特征，Stk数越小，颗粒物跟踪空气流运动的能力越强，即颗粒物被捕集的效果越差，反之，颗粒物抗拒空气流运动的能力越强，则颗粒物被捕集的效果越好[6]。 2。2。2雷诺数Re 雷诺数Re也是一个重要参数，其物理意义为物体周围的空气(流体)介质由于加速度而引起的惯性力与由于空气(气体—颗粒两相流)粘滞特性而引起的粘滞摩擦之比。雷诺数是一个估算流体运动特征的有用参数，这里用于颗粒在气体—颗粒两相流的流动状态判断。Re=4QπWv=Wuv(2)式中：Q为喷口喷出气流的流量；W为喷口的直径；v为空气的运动粘度；u为喷口喷出气流的速度。 2.3其它参数和参数判断 冲击器的结构设计除了以上两个参数外，显然还与喷口到冲击板的距离、喷口形状及喷口的径长等因素有关，并与撞击效率密切相关，选取时可据实际情况按比例选取(参考E。霍华德《气体中的细粒》中推荐设计参数[7])。通过参数分析可知，在低流速和高浓度的情况下，采用较低的雷诺数为宜，且选择圆形喷口较佳[7，11-13]。由公式(1)、(2)可见，Stk50及雷诺数Re均和冲击器的各结构尺寸和参数密切相关，所以两个参数直接反映了冲击器的切割效果和特点。不仅如此，两参数之间也存在着一定的关系[10，13]，在诸多文献中都提到这一点，并作为判断的条件和采样效果验证的依据。值得注意的是雷诺数Re表征流体的运动特征，所以在煤矿作业环境的流体的Re值要小于大气条件下的流体，所以Re值较小时为宜。 2.4颗粒物密度对煤矿作业环境下采样的影响 颗粒物密度作为颗粒本身的物理特性，也是撞击式采样器的参数设计中的重要参数之一。图4和图5是分别选取颗粒物密度为1g/cm3(大气环境颗粒物单位密度)和2。25g/cm3(煤矿作业环境颗粒物密度)[4]两种颗粒物密度，其它条件相同的情况下的流量与喷口直径和流量与雷诺数的关系图。图4可见，冲击器中不同密度的颗粒物的流量与喷口直径关系的趋势均相似，在同一颗粒密度情况下喷口直径随流量变大而相应增加，而且相同条件下颗粒物密度较大者相应的喷口直径也较大。图5则是流量与雷诺数及颗粒物密度的关系，不同的颗粒密度情况下的撞击式采样器流量与雷诺数关系的曲线趋势均相似，在相同的颗粒密度情况下雷诺数随流量变大而相应增加，且条件相同的情况下颗粒物密度较大者相应的雷诺数却较小。图5的结果表明，相对于大气环境，煤矿作业环境下的雷诺数偏小。很明显，冲击器的喷口直径及流体的雷诺数均与采样对象中的颗粒物密度有一定的关系，所以设计过程中应该考虑到颗粒的密度的影响。 3结语 (1)在不同作业环境下的粉尘冲击采样器原理类似，但是煤矿作业环境呼吸性粉尘冲击采样器的设计需要特别考虑冲击器的流量选择和冲击板的改造； (2)影响冲击器结构设计的参数主要是无纲量参数斯托克斯数和雷诺数，它们取决于煤矿作业环境的特点； (3)颗粒物密度对煤矿作业环境下的冲击采样器的设计也有影响，即颗粒物密度较大的情况下相应的冲击器的喷口直径也应较大，而其作业环境下气-固两相流的雷诺数应较小。