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生物酶工业厂房室内酶颗粒物污染研究天津大学邰子冬王萌刘俊杰摘要近几年来，生物酶制剂工业由于其在生物工业、农业、食品加工业等方面的广泛应用，获得了巨大发展。然而，对某个酶制剂生产厂家造粒车间的长期测试表明，该车间酶颗粒污染严重，对工人的健康状况造成威胁。为了更好的了解作业环境中的酶颗粒污染，为现场通风除尘系统的改造工作提供帮助，本文将实验和模拟相结合，集中研究了颗粒物的散发及其在室内的分布状况，并据此提出了通风系统改造的方法和建议。非稳态模拟结果从除尘时间的角度进一步论证了改造方案的有效性。关键词酶颗粒污染实验CFD系统优化1引言近年来，生物酶制剂工业由于其在生物工业、农业、食品加工业等方面的广泛应用获得了飞速发展。但是，某生物酶造粒车间的长期室内空气质量监测结果表明，该生产环境中存在严重的酶颗粒物污染问题，一般情况下，该车间的酶颗粒浓度远远超过其内部行业标准规定的6ng/m3[1]。相关研究表明，酶颗粒是一种能够引起哮喘的过敏性物质，从而对工人的健康状况造成了严重威胁，因此，必须采取措施尽量减少工人对于酶颗粒物的暴露危险。“对污染源进行控制是保持室内清洁的最有效的方法”[2]。局部除尘系统安装合理，能够有效地将污染物控制在一定的范围内，减少它们在室内的扩散。计算流体力学（CFD）方法，如果使用合理的边界条件和合适的计算方法，就能够准确计算出颗粒物在房间内的分布状况，从而很好地帮助实现这种通风系统的优化设计。本文将从实际工程出发，对造粒车间的某一个房间进行研究，探讨一下CFD在颗粒物模拟和通风除尘系统优化方面的应用。2工程概况该房间位于造粒车间四层，布置如图一所示。房间尺寸为15米x6米，Ⅰ、Ⅱ部分的房间高度分别为4米、5.5米，小隔间Ⅲ由于内部设备常年闲置，可以近似认为与外间之间没有气流交换。房间内置两台设备，其中Ⅳ常年闲置，操作工人通过Ⅴ（图二）向三层房间投料，投料过程为间歇操作，即大约每隔两个小时会进行一次投料操作，操作持续时间约为半小时。投料过程中由于二次气流的作用，会有部分颗粒物逸散到车间环境中。尽管房间内安装有排风口①、②，现场测试结果显示，该排风口面风速仅为0.3m/s，并不能达到很好的除尘效果。③、④为房间空调送风口，风口形式为以中间为分界线向两侧开启的百叶送风口，百叶开启方向与垂直方向的夹角为30o。⑤、⑥分别为门和塑料软帘隔挡，软帘下部有大约10cm高的空间与外部大车间连通。图一房间平面布置图图二设备Ⅴ大样图图三颗粒浓度测试仪器3现场测试研究首先对房间的气流、颗粒浓度、温湿度进行了测量，从而一方面为CFD模拟提供必要的边界条件，另一方面为验证CFD模拟的准确性提供对比数据，同时，这些数据还能够与通风系统改造后的颗粒物测试结果进行对比，由此评价改造的有效性。3.1测试仪器主要使用的颗粒浓度测试仪器如图三所示，包括全粉尘采样器、呼吸性粉尘采样器、光散射粒子计数器,房间共布置了三个采样点，每个采样点采样两个小时。测试首先采用滤膜称重法测量相应的粉尘浓度，然后将滤膜送往生物实验室通过活性测试进行酶颗粒浓度测量。每隔一个小时对房间的送排风及温湿度状况进行一次测量，以减少房间环境参数波动带来的影响。房间和送、排风气流速度及其温、湿度使用TSI8386型空气多参数测试仪进行测量，壁面温度采用表面温度计测量。3.2测试结果房间送、排风口风速测试结果见表一，根据风量平衡可以估算出，将近85%的送风气流渗透到外部车间中，由此可见，内部车间和外部车间之间存在着较为严重的交叉污染问题。表二给出了正常情况下房间及设备周围颗粒物的计数浓度结果，为了探究投料过程中颗粒物的粒径范围，还测试了投料过程中设备周围的颗粒浓度，结果表明，与投料过程相关的颗粒主要集中在5μm以上。颗粒的质量浓度测试结果表明，车间中悬浮在空气中的酶颗粒的平均浓度为22.7ng/m3。房间气流及壁面温度均匀，一直保持在28℃左右。表一房间送、排风口风速测试结果排风口①排风口②送风口③送风口④速度（m/s）3.560.36.034.51风量（m3/h）8483224353256表二颗粒物计数浓度测试结果（particle/m3）粒径（μm）0.30.51.03.05.010.0设备周围131377912646311559921373481417房间中部138501011644621863321033278210投料时刻122006811962881937273532635208234204房间气流及颗粒物的CFD模拟4.1模型选择及边界条件设定选择标准k-ε模型，以测试的得到的边界条件为基础对房间进行房间气流的湍流模拟。对于颗粒物模拟，主要有两种方法：欧拉法和拉格朗日法，欧拉法不考虑颗粒的重力沉降效应，这对于4.5μm以下的颗粒是合适的[3]，并且由于室内颗粒的运动是短暂、不连续并且剧烈变化的，采用拉格朗日模型能够更好的处理颗粒运动问题[4]，因此，本文采用拉格朗日模型模拟气流和颗粒之间的相互作用。由于测试结果并不能准确地给出颗粒物的散发量，酶颗粒大小的确定也是相当困难甚至是不可能的，从而很难得到与测试结果相符合的颗粒物浓度结果，因此，只能通过简单的气流分析来验证模拟结果的准确性。选择送风口和设备之间的两个互相垂直的断面进行风速测试，计算结果和测试结果的对比见表三。简单的气流分布结果表明，该模型边界条件的设定以及计算方法、计算模型的选择是合理的，能够准确反映房间的气流状况，从而为改造设计提供依据。表三气流测试结果与计算结果的对比断面1（房间横向）测试点12345测试速度(m/s)2.42.52.22.22.3计算分速度（m/s）（1.784863,2.081146）（1.221565,1.525165）（1.48858,1.784863）（1.48858,1.784863）（1.48858,1.784863）计算合速度（m/s）1.9512.3242.3242.3242.324断面2（房间纵向）测试点122345测试速度(m/s)0.30.30.30.30.3计算分速度（m/s）（0.007163,0.310763）（0.007163,0.310763）（0.310763,0.614364）（0.310763,0.614364）（0.310763,0.614364）计算合速度（m/s）0.3110.3110.6880.6880.688计算设定室内颗粒物散发量大约为4.27e-10Kg/s，颗粒大小为呼吸性粉尘的空气动力学直径7.07μm，一方面考虑了投料过程中设备周围的颗粒大小5μm，另一方面考虑到对人体危害最严重的颗粒一般都在10μm以下。根据生产提供的数据表明，生产原料的密度约为1200Kg/m3。4.2通风系统改造方案选择本文主要对比两种通风系统改造方法：（1）初步设计拟采用的方案，在设备旁边安装塑料软管作为局部排风，管道直径为100mm（2）建议采用的改造方案（图四），在设备发尘面两侧安装局部排风口，风口边缘紧挨设备边缘，吸风口大小为0.5米x0.15米，风口风速按照初步设计方案设定的排风量折算结果为1.85m/s。首先分别对两种方案进行稳态计算，通过两种方案条件下房间的颗粒浓度分布对比结果（图五）可以看出，方案（1）对于控制颗粒扩散并没有明显作用，仍然有大量的颗粒扩散到距离设备较远的区域，方案（2）能够将颗粒控制在非常小的区域范围内，有效地阻止其对房间其他部位的污染。图四局部排风系统改造方案（2）方案（1）方案（2）图五两种局部排风方案下房间的颗粒分布（稳态计算）非稳态计算考虑了投料的不连续性，待流场计算稳定以后，设定颗粒散发一定时间后停止，从而从颗粒衰减的角度进一步分析两种方案的差别。由于设定颗粒散发30分钟需要占用大量的计算时间，以对比分析为目的，只需对两种方案计算设定相同的计算条件即可。待流场计算达到稳定后，颗粒物以4.27e-10Kg/s开始散发，持续时间为10min，然后停止颗粒物散发，继续检测流场中颗粒物的平均浓度大小随时间的变化状况。图六房间颗粒物浓度变化（方案1）图六为方案（1）条件下房间颗粒物平均浓度随时间的变化关系。从前3分钟的情况来看，设计的排风系统还是能够带走一定量的颗粒物，但是排风带走颗粒物的浓度远远低于颗粒物向室内的扩散速度，因而造成房间的颗粒平均浓度持续升高，直到颗粒散发过程结束为止。根据生产规定的酶颗粒含量标准，6ng/m3的浓度值为临界安全浓度，那么，从颗粒开始散发到散发结束的整个过程中，房间的酶颗粒含量始终远远高于该临界安全浓度；在t=1530s时刻，达到该临界浓度；从颗粒散发结束到达到该临界安全浓度需要的时间为15.5min。相对浓度00.010.020.030.040.050.0600.511.522.533.544.555.566.577.588.59(*100)图七房间颗粒物浓度相对于临界安全浓度的变化（方案2）如果按照改造方案（2）进行改造，采用同样的条件进行颗粒物设定，计算结果见图七，反映了颗粒物绝对浓度与临界安全浓度的比值随着时间的变化状况。在整个过程中，房间的颗粒含量都远远低于该安全浓度；在发尘结束后，颗粒物浓度速度下降到接近为0的状况，所需时间不足1min。这也说明了方案（2）中设定的1.85m/s的吸风口风速基本上能够满足迅速排除污染的要求。5结论计算流体力学（CFD）方法能够为通风系统的改造和设计提供有效的指导。本文将拉格朗日颗粒物计算模型与通用的湍流模型相结合，用于研究生物酶作业场所中酶颗粒物的扩散和分布状况，并据此进行了通风改造系统的方案优选。在实际操作中，可以首先采用稳态计算对方案进行初步评价，然后通过非稳态计算选择合适的控制参数（如风速等），以满足生产要求。参考文献[1]NovozymesStandardforSafetyProtection,2005[2]Indoorairquality.FederalRegisters,1994,59:15968-16039[3]Murakami,S.,Kato,S.,Nagano,S.,andTanaka,S.,DiffusionCharacteristicsofAirborneParticleswithGravitationalSettlinginaConvection-DominantIndoorFlowField,ASHRAETransactions,1992,98(1):82-97[4]Long,CM.,Suh,H.H.,andKoutrakis,P.,CharacterizationofIndoorParticleSourcesUsingContinuousMassandSizeMonitors,JournaloftheAirandWasteManagementAssociation,2000,50:1236-1250
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