煤矿呼吸性粉尘冲击采样器原理与设计探讨

1、第17卷第6期中原工学院学报17No.6Vol.文章编号:1671-6906(2006)06-0005-05煤矿呼吸性粉尘冲击采样器原理与设计探讨刘昌凤1,邵龙义1,龚铁强2,杨书申3,1,苏罗莉2,李慧1(1.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室及资源与地球科学系,北京100083;2.湖南省煤炭科学研究所,长沙410000;3.中原工学院,郑州450007)摘要:讨论了煤矿作业环境和大气环境下颗粒物的粒度分布及标准,即相对来说煤矿作业环境的粉尘浓度高且其颗粒母质不同,-冲击采样器的工作原理及特点,并且讨论了气体-,Stk、雷诺数Re和颗粒物密度等一些参数对冲击采样器设计的影

2、响,根据环境特点对冲击采样器结构的改进进行了探讨.关键词:呼吸性粉尘;冲击器;曲线;冲击板中图分类号:X513:A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,

3、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.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

4、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

5、原理和监测方式类似于大气环境收稿日期:2006-10-10基金项目:科技部科学院所技术开发研究专项及教育部科技创新工程重大项目培育资金项目(705022).),女,黑龙江绥化人,硕士生.作者简介:刘昌凤(1981 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6中原工学院学报2006年第17卷集和采样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

6、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10m的颗粒物,采样时其空气动力学直径为10m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2.5m的颗粒物,采样时其空气动力学直径为2.5m的颗粒被切割分离的粒子为50%,且在1m时被切割分离的粒子大于95%,在5m时被切割分离的粒子小于55.意图如图1所示,颗粒物的切割效率(,未被切割的大颗粒(50)(直径小于d50),d50又称为等效切割粒径6.所以,PM10和PM2.5的等效切

7、割粒径分别为10m和2.5m,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

8、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,.其中空气动力学直50%,类似于大气采样5.(d50).表1BMRC曲线不同空气动力学直径的颗粒相对应的沉积效率项目空气动力学直径/m沉积效率/%2.2103.2203.9304.540数据5.0505.5605.9706.3806.9907.11002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,所以若图3冲击器结构简图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