（机械工程专业论文）标准呼吸性粉尘采样器的研制与应用.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 abs t ract t h e m a i n h a r m f u l n e s s o f d u s t i s t h a t i t m a y c a u s e p e r s o n n e l t o s u ff e r f r o m p n e u m o c o n i o s i s . a t p r e s e n t , n e a r o n e m i l l i o n p e r s o n s w h o w o r k i n d u s ty e n v i r o n m e n t h a v e b e e n i n f e c t e d w i t h p n e u m o c o n i o s i s( i n c l u d i n g t h e s u s p e c t e d s u ff e r e r s ) i n c h i n a , c a u s i n g a b o u t 5 b i l l i o n y u a n o f l o s s e s e v e ry y e a r . s o t h e a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f r e s p ir a b l e d u s t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r t h e p a t h o l o g i c a l r e s e a r c h o f v a r i o u s k i n d s o f p n e u m o c o m o s i s a n d t h e c l a s s i f i c a t i o n o f t h e d e g r e e o f d u s t s h a r mf u l n e s s s y s t e m a t i c s t u d y i s c o n d u c t e d o n t h e m o v e m e n t p a tt e r n o f d u s t , t h e w o r k in g p r i n c i p l e a n d t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e o f v a r i o u s r e s p i r a b l e d u s t m o n i t o r s b o t h a t h o m e a n d a b r o a d , a n d a s t a n d a r d r e s p i r a b l e d u s t s a m p l e r w h i c h i n in tr i n s i c s a f e ty a n d c o n f o r m i ty w i t h t h e i n t e r n a t i o n a l l y - u s e d b m r c c u r v e t i t i s a d o p t e d i n c h i n a ) o f r e s p i r a b l e d u s t s a m p l i n g p e r f o r m a n c e i s s u c c e s s f u ll y d e v e l o p e d - t h e r e s p i r a b l e d u s t s e p a r a t o r o f t h e s t a n d a r d d u s t s a m p l e r i s a h o r i z o n t a l e l u tr i a t o r b a s e d o n如 h o r i z o n t a l e l u t r i a t i o n ; i t s a i r s u c t i o n s y s t e m i s c o m p o s e d o f a d o u b l e d i a p h r a g m p u m p w h i c h h a s l a r g e l o a d i n g c a p a c i ty , s m a l l a i r p u l s a t i o n a n d l o n g s e r v i c e t i m e ; t h e s a m p l e r a l s o in c l u d e s c o n t r o l c i r c u i t , e n c l o s u r e , fl a m e - p r o o f p o w e r u n i t a n d s oo n t h i s d u s t s a m p l e r c o m p l e t e l y c o n f i r m s t o t h e r e q u i r e m e n t s o f r e l e v a n t s t a t e s t a n d a r d s t h r o u g h t h e t e s t a n d i n s p e c t i o n b y t h e s t a t e a u t h o r i z e d q u a l i ty t e s t c e n t e r a n d t h e t e s t r e s u l t s f o r t h r e e m o n t h s s h o w t h a t i t s q u a l i ty i s s t a b l e a n d r e l i a b l e a n d a l l t e c h n i c a l i n d i c a t i o n s i s i n c o m p l i a n c e w i t h r e l e v a n t s t a t e s t a n d a r d s k e y wo r d s : r e s p i r a b l e d u s t b mr c c u r v e h o r i z o n t a l e l u tr i a t o r r e s p i r a b l e d u s t s a m p l e r 重庆大学1程硕士学位论文 粉尘的基本性质 1 . 粉尘的基本特性 1 . 1 粉尘的分类 粉尘: 粉尘是指在生产过程中产生并能较长时间悬浮在空气中的固体颗粒。 粉尘的分类 粉尘有许多特征， 通常有以下几种分类方法。 1 .按粉尘的组成成分可分为 无机粉尘。 有机粉尘。 混合性粉尘，是指上述两种或多 种粉尘的混合物。 2 .按粉尘的颗粒大小可分为: 可见粉尘，用眼睛可以分辨，粒径大于 1 0 1 1 m; 显微粉尘，在普通显微镜下可以分辨，粒径为0 . 2 5 1 0 1 1 m ; . 超显微粉尘， 在超倍显 微镜或电子显 微镜下才可以 分拼， 粒径小于0 .2 5 11 m 的粉尘。 3 .按生成的原因可分为: 粉尘，指因机械过程而产生的固体颗粒; 烟尘，指因物理化学过程而户生的固体颗粒。 4 按嫌烧和爆炸性可分为: 易燃易爆粉尘; 非易燃易爆粉尘。 5 、从卫生角度可分为: 呼吸性粉尘 ( 又称可吸入性粉尘) ， 是指能进入人的细支气管到达肺泡的 粉尘微粒; 总粉尘 ( 又称不可吸入粉尘) 。 6 .从环境保护角度可分为: ， 抓尘，能长期漂浮在大气中，粒径在0 . 1 一、 0 11 m的粉尘微粒; 降尘 ( 又称落尘) ，粒径大于l o n m ，在大气中靠重力作用能在较短时间 内 沉降到地面的粉尘。 1 . 2 粉尘的性质 1 . 2 . 1 粉尘的粒径和粒径分布 1 .粉尘的粒径 粉尘的颗粒大小，不但对人体和环境的危害不同，而且 对粉尘的吸捕方法 以及除尘器的除尘机理和性能都有很大的影响，所以粒径是粉尘最基本的特性 之一。 粉尘的粒径对大小均匀的球形颗粒来说，是指它的直径。但在实际中的大 多数尘粒，不但大小不同，而且形状也各种各样，所以只能根据斌予的定义， 重庆大学工程硕士学位论文 粉尘的基本性质 用某一个有代表性的尺寸作为粉尘的粒径。一般是将粒径分为代表单个尘粒大 小的单一 粒径和代表由 各种不同大小的尘粒的尘粒组成的颖粒群的平均粒径。 . 单一粒径w 粒径的测定和定义方法不同，所得粒径数值也不同。下面介绍几种常用的 定义方法。 ( ! ) ，投影粒径: 用显微镜直接观测时测得得粒径， 有以下几种定义方法: 定向粒径d r 各尘粒在同一方向上的最大投影粒径 ( 图1 . 1 a ) . 定向面积等分粒径 d . - - -各尘粒按同一方向将尘粒投影面积等分为_ - 的直线长度 ( 图 1 . 1 b ) . 投影圆等值粒径 d 二一与尘粒投影面积相等的圆的直径 ( 图 1 . 1 c ) . 5 r5 2 图 1 . 1 粉尘粒径定义图 ( 2 ) .用沉降 ( 如移液管法、 沉降天平法等)间接测定时， 一般采用以下 两种定义方法: 斯托克斯 ( s t o k e s ) 粒径 d s ， 指与被测尘粒密度相同、沉降 速度相同的 球形粒子直径。 动 力 学 粒 径d a ， 指 与 被 测 尘 粒 在空 气中 沉降 速 度相同 、 密 度 为1 g / c m 3 ( 1 0 0 0 k g / m 3 ) 的 球形 粒 子 直 径。 单 位为 微米( 气) ， 记为。 m a . ( 3 ) .用光散射法间接测定时测得的粒径为球等体积粒径 d . ， 即与被测尘 粒体积相等的球的直径。 ( 4 ) 分割粒径 ( 或称临界粒径) d . s o , 指某除尘器能捕集一半的尘粒的粒 径，即除尘器分级效率为5 0 %的尘粒直径。 从上述可知，同一粉尘按不同测定方法和定义所得到的粒径，不但数值不 同， 应用场所也不同。 所以 在选取粒径测定方法时， 除需考虑方法本身的精度、 操作难易及费用等因素外，还应特别注意测定的目的和应用场所，在给出或应 用粒径测定结果时.应说明或了 解所用的测定方法。 平均粒径 重庆大学工程硕士学位论文 1 粉尘的基本性质 ( 1 ) 算术平 均粒径，指各粒径的总和除以尘粒总数。 式中: d :一一第1 种粉尘的粒径; n ,一一粒径为d : 的粉尘的颗粒数: n 一一粉尘的颗粒总数。 ( 2 ) 几何平 均粒径，指n个粉尘粒径的连乘积之n次方根。 灭二 q d l d z 、 二 ， d ,n ( 2 ) 2 .粉尘的粒径分布 ( 分散度) 粉尘的粒径分布也称粒径的频率分布或分散度，可用分组 ( 按粉尘粒径大 小分组)的质量百分数或个数百分数来表示。前者称为质量粒数分布，后者称 粒数分布。 粒径分布的常用表示方法有列表法、图示法和函数法。 粉尘的分散度高，即表示小粒径粉尘占的比例大，反之则小。 1 . 2 . 2 粉尘中游离二氧化硅含量 粉尘中游离二氧化硅含量对尘肺的发生和发展有着重要影响，它是对粉尘 作业危害程度进行分级的三项指标之一 ( 工人接尘时间内的肺总通气量、生产 性粉尘浓度超标倍数) 。 所谓游离二氧化硅是指不与其他元素的氧化物结合在一 起的二氧化硅。 如单体石英。 粉尘中的游离二氧化硅含量 ( 用质量百分数表示) 可以 用物理方法 ( 如x射线衍射法、红外分光光度法等)或化学分析方法 ( 如 焦磷酸法)测定出来。 1 . 2 . 3 粉尘的密度 粉尘在自 然堆积状态下，往往是不密实的，颗粒之间与颗粒内部都存在空 隙。因此，在自 然堆积 ( 松散)状态下单位体积粉尘的质量要比密实状态下小 得多。 堆积密度:自 然堆积状态下单位体积粉尘的质量 ( 或称容积密度) ， 它与粉 尘的贮运设备和除尘器的灰斗的设计有密切关系.在粉尘的气力输送中也要考 虑粉尘的堆积密度。 真密度:又称尘粒密度，密实状态下单位体积粉尘的质量，它对利用质量 力的机械类除尘器 如重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器)的工作和效率 具有较的大的影响。 1 . 2 . 4 粉尘的安置角 将粉尘自 然地堆积在水平面上，堆积成圆锥体的锥体角叫做静安置角或自 然堆积角一般为3 5 -5 0 , 将粉尘置于光滑的平板上，使该板群写倾斜到粉尘开始滑动时的倾斜角称 重庆大学工程硕士学位论文 粉尘的荃本性质 为动安置角或滑动角，一般为3 0- 4 0 . 1 . 2 . 5 粉尘的粘附性 尘粒附着在固 体表面上，或尘粒彼此相互附着的现象称为粘附。 1 . 2 . 6 粉尘的湿润性与水硬性 湿润性:尘粒能否与液体相互附着或附着难易的性质。当尘粒与液滴接触 时，如果接触面能扩大而相互附着，就是能湿润:若接触面趋于缩小而不能附 着，则是不能湿润。 有些粉尘与水接触后， 会发生粘结变硬形成硬垢，这种粉尘称为水硬性粉 ， 卜 七 。 1 . 2 . 7 粉尘的磨损性 粉尘的磨损性是指粉尘在流动过程中对器壁的磨损程度。 1 . 2 . 8 粉尘的爆炸性 悬浮在空气中的某些粉尘 ( 如 煤粉、 麻尘等) ，当达到一定浓度时， 若存在 着能量足够的火源 ( 如高温、电火花、摩擦、碰撞等) ，就会引起爆炸。 1 . 2 . 9 粉尘的荷电性 粉尘在其产生和运动过程中，由于相互碰撞、摩擦、放射线照射、电晕放 电及接触带电体 等原因而带有 一定电荷的 性质称为粉尘的荷电 性 七 带电 性) 。 1 . 2 . 1 0 粉尘的比电阻 粉尘的导电 性通常用比电阻 来表示。 粉尘的比电阻是指面积为1 c m 厚度 为 l c m的粉尘层所具有的电阻值，单位为b - c m. 1 . 3 粉尘的危害 粉尘对人体、对生产、对环境、对自然景观、对生态平衡、对经济效益都 有影响。危害的严重程度取决于从尘源散发的粉尘量，粉尘的物理、化学性质 ，以及尘源周围的情况。 卜 3 . 1 对人体的危害 一 个 成年人每天大约需要1 9 m , 空气以 便从中 获取所需要的氧气， 如果人们 工作、生活在含有大量粉尘的环境中，那么吸入肺部的粉尘就多，当达到一定 数量是， 就能引起肺部组织发生纤维化病变，并逐渐硬化，失去正常的呼吸功 能，发生尘肺病。尘肺病大致可以分为以下几类:矽肺、硅酸盐尘肺、碳素尘 肺、混合性尘肺、金属尘肺。 卜;3 . 2 对生产的影响 空气中的粉尘落在机器的转动部件上， 会加速转动部件的磨损， 降低 作的精 度和仪器设备的使用寿命。 有些小型精密仪表， 若掉进粉尘会使部件卡 住而不能正 常工作。 粉尘对油漆、 胶片生 产和某 些产品( 如电容器、 精密仪表、 微型电 机、 微 型轴承等) 的质量影响很大; 尤其对半导体集成电路的影响更大。 还有， 若粉尘浓 度很高， 降低了 可见 度，影响 视野， 妨碍操作，降 低劳动生产率，其至 造成 事故。 重庆大学工程硕士学位论文粉尘的基本性质 1 . 3 . 3 对大气的污染 我国 工业 和 生活 锅炉侮年 排入 大气的 烟尘 有 4 x 1 叭， 此外还 有 大 里的 通 风除尘系统排除的粉尘。据统计，大中型水泥企业排入大气的粉尘约占水泥产 量的1 0 % 左右。 炼钢电 弧炉每炼i t 金 属可产生6 - 1 2 k g 的粉尘排放物。一台 蒸 发量为1 o t 的工业锅炉， 每天约有5 0 0 k g 的粉尘排入空气中。 排入大气中的粉尘中有相当一部分是飘尘，它可以几小时、几天甚至几年 浮游在大气中，并且有很强的吸附力，很多有害气体、液体或某些金属元素 ( 如镍、铬、 锌等、 )都能吸附在其上，随着人们的呼吸而被带入肺部深处或粘附 在支气管的管壁上，引起或加重呼吸器官的各种疾病。 重庆大学工程硕士学位论文 2 粉尘的测盆 2 .粉尘的测量 l . 1 粉尘侧盘的重要性 粉尘对人体健康、生产、 环境都有着巨大的危害，我国分别制定了 工业 企业设计卫生标准 简称卫生标准) 、 生产性粉尘作业危害程度分级标准( 简称粉尘作业分级标准) 、( 工业 “ 三废” 排放试行标准) 。世界上许多国家都制 定有符合本国国 情的有关粉尘 的 p . 生标准。 为了 保障作业场所1 _ 人的身体健康，为了 保证产品的质量，为了减少大气 污染，保障居民的身体健康，各个企业采取了各种除尘降尘措施;要评价除尘 降尘的效果，就要对环境的粉尘浓度进行测量。只有准确测量环境的粉尘浓度 ，才能真正保障人们的身体健康，才能为制定各级卫生标准提供可靠的数据 才能保障产品的质量。 2 . 2 粉尘侧a的基本内 容 作业场所粉尘测量内容较多， 但从粉尘对作业工人的危害程度来说， 主要 进行的粉尘测量内容是粉尘的浓度、分散度及游离二氧化硅含量. 2 . 2 . i 粉尘浓度的测量 粉尘浓度是指单位体积空气中所含粉尘的质量或数量。粉尘浓度的计量方 法有质量法和数盆法两种， 相应的 粉尘浓度称为质量浓度和数量浓度。 质量 浓 度是 以 毫 克 / 立方 米( m g / m 3 ) 来 表 示 。 数 量 浓 度 是以 粒 / 立 方 厘 米 ( 粒 / c m 3 ) 表示。由 于 粉尘的 质 量浓度更能反 映 粉尘对人 体的危害 程度， 因 此， 世界各国均采用质量法作为粉尘浓度的计量方法。 质量浓度测量方法的原理是:当一定体积的含尘空气通过采样头中所装设 的滤膜时，空气中的粉尘被阻留在滤膜上，根据滤膜上被阻留的粉尘量 ( 通过 对采样前后滤膜的称量而得) ，按下式计算出空气中粉尘的质量浓度: c = m , - m , x 1 0 0 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 1 qx t 式中: c 一空 气中 粉尘 的 质 盘 浓 度， m g / m 3 ; m ， 一采样前 滤膜的质量， m g : m 2 -采样后 滤膜的 质量， m g ; q一采样流1. l / m in ; t 一采样时间， m i n . 如果滤膜上阻留的是总粉尘，则计算出来的粉尘浓度为总粉尘质量浓度: 若滤膜上阻留的是呼吸性粉尘，则计算出来的是呼吸性粉尘质量浓度。 2 . 2 . 2 粉尘分散度的测量 粉尘分散度的测量方法大致可分为计数法和计重法两大类。 计数法中常用的有显微镜法散射光法等。 计重法有筛分法、 沉降法、 离心 法、惯性冲击及库尔特 ( c o u l t e r ) 法等。下面介绍几种常用的粉尘分散度的测 量方法。 重庆大学工程硕士学位论文 z粉尘的侧童 1 .显微镜法 用显微镜法测得的是不同大小的尘粒的个数，即计数分散 度。 粒径在。 5 - i o o u m内用光学显微镜测量:而小于0 . 5 il m的尘粒则需用电子显微镜测量。 2 .移液管法 移液管法测量粉尘的分散度是属于沉降法的一种，全称应是移液管重力沉 降法。这种方法测得的粉尘粒径为沉降径或空气动力学径。 测量原理:把采集到的粉尘均匀地分散在介质之中。如果粒子之间互不干 扰，则在重力场的作用下，粉尘依沉降速度均匀地下降。对于同一沉降距离来 说，由于沉降速度不同，所需的沉降时间也不相同，由此原理可以得出粉尘的 分散度，也可得出某一粒径范围内 粉尘的频率分布。 3 .沉降天平法 沉降天平法所用的测量原理与移液管法大致相同。都是利用粒径不同的尘 粒在分散介质中的沉降速度不同，使粉尘颗粒分级的。 4 巴 柯 ( h a h c o )离心粒径分级仪法c o 巴柯离心粒径分级仪是使粒子在气体介质中离心沉降，从而测量粉尘粒径 分布的设备。 巴 柯离心粒径分级仪的 基本原理是: 粉尘在高速旋转的圆盘上，受离心力 和气流阻力的共同作用，在某种气流速度下，某种粒径的尘粒所受的离心力与 气流阻力相平衡;而大于这种粒径的尘粒所受的离心力大于气流的阻力， 被分 离出来。依次增大气流速度，则可将粉尘按粒径由小封大分成几组. 2 . 3 粉尘浓度的侧童 2 . 3 . 1 粉尘浓度测量的目 的 粉尘浓度的测量不是一个简单的现场测量，而是一个技术性、科学性较强 的工作，如何作好粉尘浓度的现场测量，不能作一个笼统的规定，应根据测量 的目的而定。粉尘浓度的测量目的大致可以分为三种: 1 为研究粉尘浓度与尘肺病率及制定容许浓度提供可靠的科学数据。 2 .准确监视作业场所各生 产工艺所产生的 粉尘浓度和污染范围， 为指导生 产和粉尘治理提供科学依据。 3 ，为准确评价除尘器除尘效果和计算出回收粉尘的经济价值提供科学依 据。 2 . 4 粉尘浓度月:t 仪表 粉尘浓度测量的目 的不同， 测量的方法也就不同， 使用的仪器也不同， 其中有 瞬时采样， 也有全工班连续采样: 有测量环境浓度， 也有测量工人的 接触浓度; 有 测量总粉尘浓度， 也有测量呼吸性粉尘浓度。 各种测量方法测量的粉尘浓度代表着 不同的含义， 反映出不同的要求。 因而其数值也就 各不 相同。 所以 仪器、 测量方法、 标准这三者是配套和对应的。下表列出了与粉尘有关的六种浓度。 重庆大学工程硕士学位论文 2粉尘的测姐 表2 . 1粉尘标准要求的浓度和采样方式 序号粉尘浓度类别 采样方式 1环境短周期总粉尘浓度定点，瞬时采样或快速测尘 2环境短周期呼吸性粉尘浓度定点，瞬时采样或快速测尘 3 环境长周期总粉尘浓度 定点，连续8 小时或几个工班采样 4 环境长周期呼吸性粉尘浓度 定点，连续 8小时或几个工班采样 5 个体总粉尘浓度工人佩带采样器全工班采样 6 个体呼吸性粉尘浓度工人佩带采样器全工班采样 2 . 4 . 1国内 粉尘采样器现状 目前， 我国已经有了上表中的1 , 2 , 5 四种粉尘浓度检侧仪器。 如a f q -2 0 a 、a k f c -9 2 a , d s -2 0 a , a f c -2 0 a , c c h -3 0 1 等均是测量环境短周期总粉尘及 呼吸性粉尘浓度:p -5 是光散射原理的测短周期呼吸性粉尘直读测尘仪， a z f c -i a 是0 射线原理的测短周期呼吸性粉尘直读测尘仪;a f c -9 2 g , f g c -9 3 x , c x f -2 f 是属于个体呼吸性粉尘采样器。 2 . 4 . 2国外粉尘采样器的发展与现状 在2 0 世纪5 。 年代，在加拿大采矿工业中使用的粉尘取样器是短周期或瞬 时作用的 取样器，用来提供一个记数或浓度，即单位体积空气中的粉尘顺粒数 。 其中， 最通用的是计尘器和微型撞击式检尘器，前者曾在加拿大西部各省和 安大略省采用，后者曾在魁北省和纽芬兰一拉布拉多采用。 1 .计尘器 早在 1 9 1 6 年，就研制出科兹 ( k o l z e )计尘器，后来在南非被改进成威特 沃斯朗德 ( w i w a t e r s r a n d )型，在安大略省被改制成加塞柯尔 ( g a t h e r c o i e )型 。 这种仪器的原理是 使5 cm3 的含尘空 气冲击在一个覆有极薄石油胶膜的玻璃载 片上。载片经加热和酸处理后， 放在1 0 倍显微镜下，计算粉尘颗粒并得到每cm 3 空气的尘粒数。 这种计尘器捕尘效率为4 0 % 8 0 %，主要取决于取样尘雾中的 颗粒粒度分布。 2 .微型撞击式检尘器 虽然 1 9 世纪9 0 年代就有将粉尘捕集于液体中的作法，但直到2 0 世纪 2 0 年代初， 格林伯格( g r e e n b e r g ) 和史 密斯( s m i t h ) 才研制出以他们名字命名的 标准撞击式粉尘检尘器。 3 .重量粉尘采样器 研制的第一批重量取样器都是用来浦集总粉尘的，但不久就发现，这不是 对职业卫生危害的精确测定。这就要对有害的呼吸性粉尘给予明确的定义，并 且应研制一种能适应这一定义的标准仪表。显然，理想的粉尘采样器应当能够 模拟呼吸系统沉积曲 线的方法有区别的捕尘。 然而， 尽管这种选择可能最符合 工业卫生的目的，实际上是不能实现的。代替的方法是选择一个肺中粉尘沉积 曲线十 分相似的取样系统 世界上最权威的关于呼吸性粉尘的标准是英国医学研究委员会 ( b mr c ) 重庆大学工程硕士学位论文 2粉尘的测量 标准和美国原子能委员会 ( a e c ) 及美国工业卫生学家协会 ( a c g i h )的标准 ( 1 ) . 英国医学研究委员会 ( b m r c )标准 1 9 5 2 年，英国医学研究委员会给呼吸性粉尘定义为:能进入肺部最深处肺 泡内的粉尘。 此外，该委员会采用了水平淘析器作为 排除粉尘采样尘雾中非呼 吸性部分的粒度选择器。这实际上把呼吸性粉尘定义成了:通过理想水平淘析 器并模拟肺中粉尘沉积度的粉尘。1 9 5 9 年，约翰内斯堡尘肺国际会议通过了这 一标准:1 9 6 7 年，世界卫生组织在卡托维兹召开的一个类似的会议也通过了 这 个标准。在这两个会议上 ，也一般认为，一个j作班或若干作班内的平均粉 尘浓度是引起尘肺病的矿尘危害性的合适指标。 戴维斯 ( d a v i e s ) 提出， 满足这些要求的粉尘取样器上的粒度选择器应具有 下表所列捕尘特性 ( 英国医学委员会标准) 。 表2 . 2 英国医学委员会标准 捕集 % 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 粒度 ， 卜 爪 2 . 23. 23. 94 . 55.05. 55 . 96 . 36. 97 . 1 ( 2 ). 美国原子能委员 会 ( a e c )及美国工业卫生学家协会 ( a c g i h ) 标 准 1 9 6 1 年，美国在一次由原子能委员会 ( a e c )发起的会议上又制定了 一个 标准:这个标准给呼吸性粉尘下的定义是:吸入粉尘中侵入到肺里无纤维部位 的部分。 之后，美国工业卫生学家协会 ( a c g i h ) 于 1 9 6 8 年，在其 “ 临界值” 手册的 “ 估计变化的注意事项”一节中，宣布采用一个关于游离结晶硅 ( 一般 为天然石英)许可浓度的质量公式。原子能委员会和美国工业卫生学家协会标 准的粒度选择器特性如下表: 表2 . 3 美国原子能委员会及工业卫生学家协会标准 一 嘿 透过滤 ( %) 原子能委员 会 工业卫生学家协会 山上表可以看出，对各种实用目的来说，原子能委员会和美国_ i 业h 生学 家协会的标准是一样的，仅在2 微米粒度上有差别。 几种关于呼吸性粉尘的 沉积曲 线如图2 . 户 所示。 4 .英国和加拿大的粉尘采样器 英国医学研究委员会选择了水平淘析器作为两段呼吸性粉尘采样器中的粒 度选择器。 最初选择的仪器是赫克斯莱 特 h e x h ie t ) ， 它是赖特 ( w r i g h t ) 设计 2 粉尘的侧里 重庆大学工程硕士学位论文 的。该装置由 许多水平板构成，这些水平 板用作粒度选择器 利用粗颗粒的重 力) ，随后，由 一 个索克斯莱特 ( s o x h l e l )套筒以 1 o o l / m m流速捕集呼吸性粉 尘。但是， 据李普曼报道，当以1 o o l / m i n 的流速捕尘时，一些粗颗粒透过淘析 器并沉积在过滤套筒上。透过的一个主要原因是，沉降在淘析板上的粗颗粒再 次吸入。 用把淘析板减少一半和将流速 i d o l / m i n降到5 0 u m m的办法可以把这 种现象减到最少。虽然，这种经过改进的仪器可以在现场成功地用作局部或整 个区域的采样器， 但是它的重量为5 1 k g 、不适用作个人使用的 采样器。 后来， 英国煤炭总局采矿研究所研制和试验了n b c / mr e型1 1 3 a重量采样 器。它的 i 作原理和赫克斯莱特采样器相似，其第 一 段选择器由淘析板构成。 但是， 第 一 段选择器是滤纸，a且在较低的空气流量 ( 2 .5 u m i n ) f=l- 作。 虽然 ， 这种仪器比 赫克斯莱特轻得多。 仅仅3 .7 k g ， 但它仍然太重， 不太方便，不能 用作个人采样器。 1 0 0 小 一 1，.气、几. 、it、 、。.j、 、 8 0 沉积率 6 0 狱v浅 4 0 0 . 1 0 . 20 . 5 lo 2 . u 空 气 动 力 学 拉 径( 林 m ) 5 . 0 1 0 2 0 一英国医学委员会曲线; 一美国工业卫生学家协会曲 线;一经嘴吸入沉积曲线 一经鼻吸入沉积曲线; 一肺泡沉积曲线。 图2 . 1呼吸性粉尘的沉积曲线 重庆大学 1 程硕 _ 学位论文 2粉尘的测娜 再后来， 希金斯( h i g g i n s ) 和杜尔( d e w e l l ) 发 表的文章介绍了 一种英国 研制的个人粉尘采样器。 此仪器叫做b c i r a个人粉尘采样器，用一个微型金 属旋风分离器作为第一段选择器， 接着用滤纸收集呼吸性粉尘 。随后出现的使 用同样原理的仪器是由卡塞拉 c - f - c a s e l l a )有限公司制造的，叫做辛佩兹 ( s i m p e d s ) 和辛奎兹 ( s i m q u a d s ) . 另一种两段呼吸性粉尘采样器叫做c a m p d d s ， 是在安大略省由g 奈特 研制的。这种仪器与n b c / mr e 型 1 1 3 a进行了一系列的比对试验，结果表明， 在石英质量和数量方面均很一致。 5 .美国的粉尘采样器 在 2 0 世纪6 0 年代美国在呼吸性粉尘采样器方面就进行f 人量的研究，但 直到 1 9 6 8 年， 美国工业卫生学家协会才规定了 呼吸性粉尘的定义， 并对石英和 矿物粉尘许可质量浓度采用了一个准则。 为了近似达到美国工业卫生学家协会的标准而采用第一段是 i o m m的尼龙 ( d o r y - o l iv e r ) 旋风分离器n b ) 。由 于没 有参照仪 器，因 此空气流速有重大偏差 。根据许多研究工作的结果， 推荐的流量在 i . 4 - 2 . 8 l / m i n 范围内。 美国工业卫 生学家协会建议的 1 .t l i m i n 是大多数工业卫生学家所采用的流量。 2 . 5 粉尘侧it 的误差根铆 粉尘重盆采 样误差的主要原因 之一是 粉尘来样器和粉尘标准匹 配不当。如 果使用 l o m m尼龙旋风分离器作为第一段粒度选择器，那么，就应当采用美国 工业卫生学家协会的公式或每立方米。 . 1 毫克石英这一标准。 若采用卡塞拉金属 旋风分离器，那么就不可用这个标准。之所以这样，显然是由于英国医学研究 委员会和美国工业卫生学家协会的标准 ( 图2 . 1 ) 所规定的沉积曲线不同。经比 较试验证明，由使用 1 0 m m尼龙旋风分离器的采样器测量得到的呼吸性粉尘浓 度比使用卡塞拉金属旋风分离器的采样器所得到的粉尘浓度差不多低 1 1 3 . 尼龙旋风分离器的透过率或捕尘效率受到静电荷的影响，直径小于4 p m 的带电多的颗粒被捕集的效率比同样直径的中性颗粒高得多，而金属旋风分离 器则没有这种缺点。 虽然旋风分离器的分离效果不受其方向的影响，但如果将其倒转过多，粗 粒粉尘也可能落到滤膜上，由此得到错误的呼吸性粉尘浓度。 气流脉动也是产生误差的主要原因，由于气流脉动产生的瞬时高速能使旋 风分离器的透过率减少。 旋风分离器描集效率依赖于空气流速，要求在采样过程中保持恒定的流速 ，但是由于滤膜上的粉尘逐渐增多，对气流的阻力也会逐渐增大，若没有恒流 装置，那么气流会逐渐减小，也会造成粉尘浓度的测量误差。 此外，称量少量呼吸性粉尘引起的误差也是常见的，特别是当 滤膜上的水 分未排尽时。而且，滤膜上的静电荷的聚集使准确称量极其困难。在天平中使 用一个电离源，可以解决这一问题。 重庆大学 l 程硕上学位论文 3 粉尘颗粒在空气中的运动 3 .粉尘颗粒在空气中的运动 3 . 1空气对球形粉尘顺粒的阻力 运动的粉尘颗粒引起其周围介质空气的扰动，这种扰动要消耗某些能量， 这种能量取自 运动的粉尘颗粒，这也就表现为空气对运动的粉尘颖粒的阻力。 因而无论是粉尘颗粒静止，空气流动;还是空气静止，粉尘颗粒运动:或者粉 尘颗粒和空气均在流动，其结果都是样;只要空气和粉尘颗粒之间有相对运 动，空气对粉尘颗粒都有阴力。空气对粉尘颗粉的阴力 p d 的表达式如下: 、产、.， 45 (了1 p 。 v 2p a v 了 人 )=(a。一l rv )” . “ . “ “ “ 2 式中 :a p 一球形 粉尘 颗粒的 迎面 截面 积 ( m 2 ) ， a p =牛d p d p 球形粉尘颗粒的直径 ( m) ; 1- p o v ， 一 单 位 粉 尘 颗 粒 面 积 上 的 动 能 ; 2 p a 一 空 气 的 密 度( k g l m ) ， v 一粉尘颗粒与空气之间的相对速度 ( m / s ) c d -阻力系数。 式 ( 4 )也可写成: p d_8 p , d 二 一 一- 一 了牛， ， a p p g v 2 t c p: v 2 d 2g p 由上式可知， 在一般情况下，阻力系数c d 表示了阻力的 性质和大小。 试验 表明c d 与粉尘顺粒的大小d p 、 速度v 、及空气的运动粘性系数v 有关。 这三者 的关系可用粉尘颗粒的雷诺数r e v 来表示: _v d , v p a d r k e p=口 一l b ) v林 式中:u 一空气的动力粘性系数 ( p a - s ) . 因此，阻力系数c o 是粉尘颗粒雷诺数r e v 的函数，即 c 。 二 f ( r e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 7 ) 粉尘颗粒在空气中的运动是非常复杂的，为了便于对粉尘颗粒阻力系数进 行分析，作出 如下假定，有其他和此假定有差异的再作修正: ( 1 ) 、粉尘颗粒周围的空气为连续的介质: ( 2 ) 、粉尘颗粒 ( 或空气)等速运动: ( 3 ) 、粉尘颖粒为刚性球体; ( 4 ) 、粉尘颗粒之间无相互影响; 重庆大学工程硕士学位论文 3 _ 粉尘顺粒在空气中的运动 ( 5 ) ,粉尘颗粒在无限空间运动，即邻近的壁对粉尘颗粒运动无影响。 、 i 口j口“认 阻力系数场 曹诺 数 r e p 图3 . 1阻力系数c d 与尘粒雷诺数r e p 的 关系 试验表明，即使进行了上述假定，阻力系数与粉尘颗粒速度之间的关系还 是非 常复 杂的， 如图3 . 1 1 14 1 所 示。由 图 上的曲 线可知， 在不同 的r e p 范围内， c d 具有不同的 性质和数值。因而，通常根据r e 。 的大小分成四个区域来研究。 1 .粘性流区 ( s t o k e s 区)( r e p l ) 粉尘颗粒很低速度运动时 ( 雷诺数约低于。1 ) ，围绕球形粉尘颗粒的流线， 其上下流对称图3 . 2 所示。 气流在粉尘颗粒正面相遇， 然后向两侧缓慢地加速， 同时其惯性影响很小，可以 忽略不计。因而在粉尘颗粒后面气流闭合产生一时 间滞后。在这种条件下，s t o k e s 导出了如下的计算空气阻力的公式: 几二 3 rz 回p v ( n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 8 ) 将 ( 8 )式代如 ( 5 )可得到在粘性流范围内的阻力系数: c ., = 2 4 /. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 9 ) /入e p 在s t o k e s 区范围内c d 与r e p 在双对数坐标上为直线关系。 按s t o k e s 公式计算的阻力与试验测得的阻力值进行比 较，得出两者之间的 偏差: 重庆大学工程硕士学位论文 3 粉尘顺粒在空气中的运动 表3 . 1 s t o k e s 公式计算值与 试验值的偏差 r e p 0. 10.2505 1 . 02 . 0 阻力偏差， % 1 . 54 . 565 1 2 . 02 3 . 0 由卜 表的试验数据可以知道，在 r e p 0 . 1 时，按s t o k e s 公式计算的结果具 有较高的精度。 而当雷诺数稍大 于0 . 1 时， 气流在粉尘颗粒后的封闭的时间延迟增加， 并且 开始形成尾流 。o s e e n给出了修正公式， : _2 4 r . 3_ cn二! 1 +一 t o p r e p 又1 6) 一 “ ” “ “ “ 。 按这一公式计算与试验值的偏差: 表3 . 2 o s e e n 公式计算值与试验值的偏差 r e p 0. 51 . 02 . 0 阻力偏差% 1 . 56 . 01 1 . 5 o s e e n 公式应用范围比s t o k e s 公式的应用范围要广。 图3 . 2 粘性流区围绕球形尘粒的流线 重庆人学 l 程硕士学位论文 3 粉尘颗粒在空气中的运动 2 .过度区 ( al l e n区)( i r e p 5 0 0 ) 随着粉尘颗粒速度的提高，流体的尾流发展成固定的涡流圈， 示。 这一区域称为过度区( 又称a l l e n 区) o a l l e n 通过试验确定，当 时可用 式计算: 如图 3 . 3所 3 0 r e p 3 0 0 、， = 1 0 可 介 盯 “ ” “ “ “ “ 对于过度区还有 一 些基j 试验基础七 的计算公式。在 3 r e p 4 0 0时，k 1 1 公j 戈 具有较高的粕度，该公式如 卜 一 (1 2) 图3 . 3 过 度区围 绕球形 尘 粒的 流线( r e , - 2 ) 按这个公式计算与试验值的偏差为: 表3 .3 k n，4 k o公式计算值与试验值的偏差 r e p3 r e p 4 0 0 1 0 0 00 . 1 阻力偏差% 2 0- 4 . 040 k，a、o 公式的应用有时扩大到0 . 1 r e p 1 0 0 0 0 3 .紊流区 ( n e w t o n 区) ( 5 0 0 r e p 1 0 0 0时，尾流是 稳定的。故当5 0 0 a ， 在 温度 为2 0 c ， 一个大气 压下， 空气的 平均 自由 行程为a = 0 . 0 6 5 u m ) 的条件下导出的。 在这种情况下， 粉尘颗粒对空气可 认为是连续的，即粉尘顺粒并不觉得单个空气分子的存在。如果粉尘颗粒的大 小与a 属于同一数童级或小于a ， 则粉尘顺粒与空气之间的关系不同于s t o k e s 定律。这时有三种不同的情况: 1 . d p / 2 +人 ， 粉 尘颖粒为 极 细的 气溶 胶， 其运动带有粉尘 性质， 服从 于介 质分子速度的m a x w e l l 分布。每个粉尘颗较都象一个大的分子，它保持着与空 气分子的 碰撞、 在任何时刻从各个方向 撞击到粉尘顺粒表面的分子数是 不同的， 并且是经常波动的， 造成粉尘颗粒扩散的 “ 布朗运动” 。 由于在重力的作用下，粉尘颗粒按一定的方向运动，这时从前面打到运动 粉尘颗粒表面上的分子的数目 和速度，比从后面打来的要大，因而引起空气对 粉尘颗粒运动的阻力。这一阻力正比于粉尘颗粒的表面积或粒径的平方。对于 d p = 1 护u m 时 ， 阻 力 可 用 下 式 计 算 : p d = 系数 ( a + q ) = l 1 一1 . 3 . d o 一 - = ( n ) 2 又 ( 1 4) 式 中 2 d , / 2 a ， 从 理 论上 可以 证 明， 随 着 粉 尘 颗粒 粒 径由d p / 2 ; a 逐 渐 减小， 一直到d p / 2 稍大于空气气体的平 均自由 行程时，在粉尘颗粒表面附近的气体中 产生速度的跃变 ( 速度不连续) 。 结果是与基本空气动力学理论不同， 在粉尘颗 粒与紧贴其表面的第一层气体分子之间的速度差不等于零。这种现象称为滑动 ( s l 中 ) ，因为 看起来 好象粉尘顺粒与其邻近的 气体层 之间相互产生 滑动。 在这些条件下， c u n n in g h a m提出了 对s t o k e s 公式的修正公式: p_ 3 t c )a d p v / ， 、 ， 、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ; 、 d一/ c 、 ， i 式中: c为c u n n i n g h a m修正系数，又称滑动系数。 c 二 1+a(2)id小 、 、 ， ( 1 6 ) 式中:a = 1 . 2 5 7 + 0 .4 e x p( 一1 . l o d p / 2 x ) 。 3