煤礦呼吸性粉塵沖擊采樣器原理與設(shè)計(jì)探討

1、第17卷第6期中原工學(xué)院學(xué)報(bào)17No.6Vol.文章編號:1671-6906(2006)06-0005-05煤礦呼吸性粉塵沖擊采樣器原理與設(shè)計(jì)探討劉昌鳳1,邵龍義1,龔鐵強(qiáng)2,楊書申3,1,蘇羅莉2,李慧1(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及資源與地球科學(xué)系,北京100083;2.湖南省煤炭科學(xué)研究所,長沙410000;3.中原工學(xué)院,鄭州450007)摘要:討論了煤礦作業(yè)環(huán)境和大氣環(huán)境下顆粒物的粒度分布及標(biāo)準(zhǔn),即相對來說煤礦作業(yè)環(huán)境的粉塵濃度高且其顆粒母質(zhì)不同,-沖擊采樣器的工作原理及特點(diǎn),并且討論了氣體-,Stk、雷諾數(shù)Re和顆粒物密度等一些參數(shù)對沖擊采樣器設(shè)計(jì)的影

2、響,根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)對沖擊采樣器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)進(jìn)行了探討.關(guān)鍵詞:呼吸性粉塵;沖擊器;曲線;沖擊板中圖分類號:X513:A粉塵污染的作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重危害工人的身體健康,而且粉塵濃度過高還潛伏著粉塵爆炸的危險(xiǎn),因而煤礦作業(yè)環(huán)境的粉塵給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)均帶來極大危害,因此,對煤礦作業(yè)場所的粉塵進(jìn)行必要的監(jiān)測和防治顯得尤為重要.我國煤礦粉塵監(jiān)測技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家尚存在不小的差距1,呼吸性粉塵的監(jiān)測早已在世界發(fā)達(dá)國得到重視,這些國家均制定有呼吸性粉塵衛(wèi)生濃度標(biāo)準(zhǔn),而我國在這方面的工作較落后,在20世紀(jì)90年代以前一直采用全塵監(jiān)測2.而且與大氣顆粒物監(jiān)測相比,煤礦粉塵監(jiān)測的普及率較低,關(guān)于煤礦粉塵監(jiān)測的研究較少,

3、專門用于煤礦作業(yè)環(huán)境的呼吸性粉塵采樣器的具體設(shè)計(jì)未見報(bào)道.本文結(jié)合煤礦呼吸性粉塵的特點(diǎn),應(yīng)用大氣沖擊采樣器原理,研究煤礦作業(yè)環(huán)境呼吸性粉塵沖擊采樣器的設(shè)計(jì)原理,為進(jìn)一步的具體設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ).下的顆粒物監(jiān)測,均以氣體顆粒兩相流作為監(jiān)測對象,并在空氣動力學(xué)基礎(chǔ)上研究顆粒物的運(yùn)動特征,進(jìn)而對其質(zhì)量的衡量,而且它們的監(jiān)測結(jié)果都是為了活動在這一環(huán)境的人類健康服務(wù)3.但大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)并不能完全應(yīng)用于煤礦作業(yè)環(huán)境,因?yàn)槊旱V粉塵粒子有自身的物理特點(diǎn),同時(shí)還須考慮其周邊的物理環(huán)境.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)比煤礦粉塵監(jiān)測成熟得多,而煤礦粉塵監(jiān)測需要考慮的問題也較多:煤礦粉塵監(jiān)測環(huán)境特殊,條件受限,比如電力方面電壓

4、受限,還必需滿足防爆要求等;再者兩種監(jiān)測所采集的顆粒物母質(zhì)不同,顆粒間的物理特性不同,對監(jiān)測結(jié)果有一定的影響.1.2粒度分類的意義環(huán)境粒度分類標(biāo)準(zhǔn)是沖擊采樣器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),如在大氣環(huán)境下,了解不同大小的粒子在呼吸系統(tǒng)不同部位的吸入與沉積情況,有助于正確評價(jià)對人體造成的不同危害3,更為執(zhí)行有關(guān)的空氣質(zhì)量控制法規(guī)提供依據(jù),可見粒度分類對沖擊采樣器設(shè)計(jì)的重要性.粒度分類采樣是指顆粒物(粉塵)采樣時(shí),對被采集的實(shí)體有選擇地采樣,將空氣中的顆粒物(粉塵)按粒徑大小把其中某一部分或某幾部分區(qū)分出來而加以單獨(dú)收1煤礦作業(yè)環(huán)境和大氣環(huán)境的顆粒物監(jiān)測及粒度分類的比較1.1兩種作業(yè)環(huán)境的顆粒物監(jiān)測比較煤礦粉塵監(jiān)測的

5、原理和監(jiān)測方式類似于大氣環(huán)境收稿日期:2006-10-10基金項(xiàng)目:科技部科學(xué)院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)及教育部科技創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目培育資金項(xiàng)目(705022).),女,黑龍江綏化人,碩士生.作者簡介:劉昌鳳(1981 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6中原工學(xué)院學(xué)報(bào)2006年第17卷集和采樣4,因此嚴(yán)格來說對氣體中顆粒物的監(jiān)測,不僅要知道其污染濃度特征,還要了解其粒度分布特征3,4.對煤礦作業(yè)環(huán)境,隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的逐漸深入,已經(jīng)由最初的全塵采樣轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱V作業(yè)環(huán)

6、境的呼吸性粉塵監(jiān)測,即煤礦作業(yè)環(huán)境的粒度分類采樣.1.3兩種監(jiān)測環(huán)境的粒度分類及對比在大氣顆粒物采樣中,對PM10和PM2.5有如下定義:PM10指氣溶膠中空氣動力學(xué)直徑小于或等于10m的顆粒物,采樣時(shí)其空氣動力學(xué)直徑為10m的顆粒被切割分離的粒子為50%;而PM2.5指氣溶膠中空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5m的顆粒物,采樣時(shí)其空氣動力學(xué)直徑為2.5m的顆粒被切割分離的粒子為50%,且在1m時(shí)被切割分離的粒子大于95%,在5m時(shí)被切割分離的粒子小于55.意圖如圖1所示,顆粒物的切割效率(,未被切割的大顆粒(50)(直徑小于d50),d50又稱為等效切割粒徑6.所以,PM10和PM2.5的等效切

7、割粒徑分別為10m和2.5m,即切割效率為50%的粒徑點(diǎn).等效切割粒徑是大氣顆粒沖擊采樣器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.目前煤礦粉塵監(jiān)測以呼吸性粉塵為主.1952年英國醫(yī)學(xué)研究委員會(BritishMedicalResearchCouncil)首先定義了呼吸性粉塵,并于1959年在南非約翰內(nèi)斯堡召開的第四次國際矽肺病會議上得到公認(rèn).圖2中曲線1就是約翰內(nèi)斯堡國際矽會議推薦的呼吸性粉塵采樣曲線,簡稱BMRC曲線,曲線2則是肺泡內(nèi)粉塵沉淀曲線.圖中的縱坐標(biāo)粒子的穿透能力是指相應(yīng)粒徑的粒子未被收集或能夠進(jìn)入呼吸道的百分率.可見,BMRC曲線是同人的上呼吸道內(nèi)粉塵沉淀曲線基本一致,此曲線作為礦井呼吸性粉塵標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外已

8、延用至今.BMRC曲線的具體數(shù)值如表1所示.其中沉積效率相當(dāng)于大氣采樣中的切割效率,即被沖擊器撞擊下來大粒子的效率也是沉著在沖擊板的沉積效率,.其中空氣動力學(xué)直50%,類似于大氣采樣5.(d50).表1BMRC曲線不同空氣動力學(xué)直徑的顆粒相對應(yīng)的沉積效率項(xiàng)目空氣動力學(xué)直徑/m沉積效率/%2.2103.2203.9304.540數(shù)據(jù)5.0505.5605.9706.3806.9907.11002沖擊采樣器沖擊原理分析及相關(guān)參數(shù)2.1沖擊采樣器工作原理在顆粒物采樣原理中,沖擊采樣是顆粒物采樣儀器中使用較多的原理之一,煤礦粉塵監(jiān)測和大氣顆粒物監(jiān)測的核心就是沖擊器.沖擊器的工作原理如圖3所示:在氣體顆粒兩相流條件下氣體中的顆粒會隨氣流由噴嘴噴出,根據(jù)空氣動力學(xué)原理7,8,較小顆粒繼續(xù)跟隨氣流繞過沖擊板到濾膜處,而較大的顆粒會因慣性的原因沖向沖擊板并被收集,由濾膜上的顆粒量便可測得本級沖擊器的顆粒物(粉塵)濃度.在煤礦作業(yè)環(huán)境下,顆粒物(粉塵)濃度較高,沖擊器流量的大小和被切割顆粒的量相關(guān)性很強(qiáng),所以若圖3沖擊器結(jié)構(gòu)簡圖此時(shí)流經(jīng)沖擊器的流量過大將會導(dǎo)致過多的被切割顆粒聚集在沖擊板處,相對大氣采樣來說顆粒的反彈和顆粒被再次卷入氣流現(xiàn)象自然會增加,從而不能保證已被切割的顆粒完全收集到?jīng)_擊