基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法与流程

1.本发明属于呼吸粉尘技术领域，涉及一种基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法。


背景技术：

2.工人在粉尘作业场所长时间吸入呼吸性粉尘会引发尘肺病。为了降低尘肺病的发病率，开展呼吸性粉尘的精准监测是非常重要的。而分离是呼吸性粉尘监测的前提，需要对其进行研究。
3.目前，呼吸性粉尘分离主要方法有平板冲击式、陶析式和旋风分离式等三种。但是这些方法均存在一定的问题：平板冲击式分离器需要定时更换硅胶油或粘着剂；水平淘析式为重力沉降分离，受放置位置和朝向影响大，长时间或大浓度环境使用二次扬尘产生误差明显；旋风分离器虽可长时间使用，但需要不断的维护和清洁，分离器本身结构尺寸依存紧密，各因素对分离效能影响尚不清楚。
4.因此，亟需一种新呼吸性粉尘分离方法来解决现有呼吸性粉尘分离方法中需要定时更换、清理，且会产生二次扬尘的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法，实现对呼吸性粉尘的有效在线分离。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法，具体包括以下步骤：
8.s1：开启高压电源，调整电压给粉尘荷电分离装置供电，使上下极板间形成稳定电场；
9.s2：加入待分离粉尘(如水泥粉)，打开定量发尘器，将粉尘喷入环境试验舱内；
10.s3：调节采样泵流量，开启采样泵，将舱内粉尘抽入到粉尘荷电分离装置中，实现粉尘的分离带试验；
11.s4：根据bmrc曲线的肺部沉积率，在下极板上按照不同粒径粉尘的沉积率收集被荷电分离的粉尘，实现呼吸性粉尘的荷电分离。
12.进一步，步骤s1中，所述粉尘荷电分离装置包括上下极板和中间框架，在框架的左右两端分别开孔接入绝缘胶管用于吸入粉尘和排出大粒径粉尘；所述上下极板采用有利于形成均匀电场的金属(如钨合金)材料；所述中间框架采用绝缘材料(如陶瓷)。
13.进一步，步骤s3中，实现粉尘的分离带试验的装置包括定量发尘器、高压电源、粉尘荷电分离装置、过滤器、采样泵和环境实验舱；所述粉尘荷电分离装置、过滤器、采样泵安装在环境实验舱内；
14.所述定量发尘器与粉尘荷电分离装置连接，将待分离粉尘喷入环境试验舱内；
15.所述过滤器与粉尘荷电分离装置出口连接；所述采样泵与过滤器连接，用于控制
通过过滤器的粉尘速度。
16.进一步，步骤s3中，实现粉尘的分离带试验，具体包括：在环境试验舱内，在上下极板间加入不同的电压，发尘质量浓度为c，以入口射流速度v
x
发尘进入分离试验装置；一段时间后，停止发尘和极板间的荷电电压，小心取出下极板，根据距离入口远近进行取粉尘样进行粒度分布测试，在下极板上形成粉尘分离带。
17.进一步，步骤s4具体包括：不同粒径的粉尘均按照100％方式垂直分布在下极板上；在满足呼吸性粉尘肺部沉积效率的前提下，结合呼吸性粉尘在下极板上的分布位置，按照肺部沉积率的比例在下极板上收取呼吸性粉尘。
18.进一步，步骤s4具体包括以下步骤：
19.s41：根据试验粉尘在不同极板电压电迁移分离后的下极板不同距离粒径分布数据表，确定中位粒径与7.1μm最接近的粉尘在分离带的位置；
20.s42：将bmrc曲线与呼吸性粉尘在下极板上的分布位置图重合，具体是按照bmrc曲线中100％沉积率分布排列，即bmrc曲线中的沉积率100％与分布位置图中的最左侧重合，bmrc曲线中的沉积率0％与分布位置图中最接近中位粒径7.1μm的位置重合；
21.s43：在极板上按照bmrc曲线进行分区，收集bmrc曲线下方的呼吸性粉尘，从而实现呼吸性粉尘的荷电分离。
22.进一步，步骤s43中，收集bmrc曲线下方的呼吸性粉尘采用自动或手动方式。
23.本发明的有益效果在于：针对工业场所的生产性粉尘，使用本发明方法能够实现对呼吸性粉尘的有效在线分离，该方法不需要定时更换、清理，且不会产生二次扬尘。另外，本发明基于粉尘电迁移特性，设计了一种粉尘荷电分离装置，实现在非爆炸场所对粉尘进行主动荷电。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为粉尘分离的荷电平板图；
27.图2为粉尘荷电分离装置示意图，图2(a)为正视图，图2(b)为左视图，图2(c)为俯视图；
28.图3为粉尘荷电分离试验系统示意图；
29.图4为下极板上形成的粉尘分离带示意图；
30.图5为bmrc分离曲线示意图；
31.图6为荷电极板上的呼吸性粉尘收集曲线示意图；
32.图7为呼吸性粉尘分离效能试验系统示意图。
33.附图标记：1—空气压缩机；2—分水过滤器；3—空气过滤器；4—除湿器；5—医用空气过滤器；6—减压阀；7—单分散气溶胶发生器；8—收尘室；9—荷电分离装置；10—采样
器；11—可见光分光光度计；12—显微镜；13—上模型腔；14—中隔板腔；15—下模型腔；16—进出气接嘴；17—电极接线螺钉；18—内六角螺丝。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
36.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
37.请参阅图1～图7，在非爆炸场所对粉尘进行主动荷电，基于粉尘的电迁移特性，本发明提供了一种新呼吸性粉尘分离方法，具体包括以下几部分。
38.1、分析粉尘的电迁移特性
39.电迁移率是指带电粉尘在单位电场中所产生的平均运动速度，是度量带电粉尘在电场作用下的运动速度快慢。电迁移率公式如式(1)所示。
[0040][0041]
其中，z
p
是带电粉尘的电迁移率；n是粉尘颗粒物的带电量；e是基本电荷量，1.6
×
10-19c；c
*
是坎宁安修正系数；μ是空气的粘度系数；d
p
是粉尘颗粒的粒径。
[0042]
如式(1)，粉尘的迁移率由带电量n和粒径共同决定，但当带电量n确定后，带电粉尘的迁移率与粉尘粒径d
p
成反比。根据此原理，考虑构建一个粉尘主动荷电的平板场，使粉尘带电量一致，由于粒径的差别使粉尘在平板间的位移存在差别，从而实现粉尘的电迁移分离。
[0043]
2、设计粉尘荷电分离原理及装置
[0044]
2.1粉尘荷电分离原理
[0045]
如图1为粉尘分离的平板电场示意图，当在上下两个平板间加入一个稳定的电场。粉尘颗粒以速度v
x
水平飞入带有荷电电压为u的平板电场中，两平板的间距为h。由于平板之间形成电场，粉尘颗粒被快速荷电，在垂直向下的y方向上的速度为vy(忽略粉尘颗粒的重力作用)。式(2)为粉尘颗粒vy与z
p
之间的关系。
[0046]
vy＝z
peꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0047]
式中，e为两平板间的电场强度。
[0048]
由于则式(2)可变为式(3)。
[0049][0050]
结合式(1)，当u、h、μ等确定后，粉尘的带电量n也被确定，则此时粉尘粒径d
p
与电迁移率z
p
成反比，与在垂直方向上的飞行速度vy成反比。即：粉尘颗粒粒径d
p
越小，电迁移率z
p
越大，垂直方向上的飞行速度vy也越大，就越容易在短时间内撞击在下平板上。
[0051]
由于粉尘颗粒在水平方向上的速度均为v
x
，根据不同粒径的粉尘颗粒在y方向上的运动速度存在差异，使得小粒径粉尘撞击在距离进口较近的下平板上、大粒径粉尘撞击在距离进口较远的下平板上。如此在下平板的距离进口从近至远位置上将形成粒径从小到大的粉尘分布带。如能掌握粉尘粒径的分布规律，将能提出一种新型的主动荷电粉尘分离方法。
[0052]
2.2设计粉尘荷电分离装置
[0053]
根据粉尘荷电分离的平板工作原理，设计了粉尘荷电分离装置，如图2所示，上下极板采用钨合金材料有利于均匀电场的形成，中间框架采用陶瓷材料能够极好的绝缘，在框架的左右两端分别开孔接入绝缘胶管用于吸入粉尘和排出大粒径粉尘。
[0054]
3、粉尘荷电分离试验及分析
[0055]
3.1实验准备
[0056]
1)粉尘选择和制样
[0057]
粉尘排放量较多的有煤炭开采、建筑材料生产、食品生产和有色金属加工等行业，本发明选择非防爆要求的建筑材料生产产生的水泥粉作为研究对象。
[0058]
通过使用磁悬浮振动筛，筛选中位粒径为30μm。
[0059]
2)试验系统
[0060]
粉尘荷电分离的试验系统示意图如图3所示，由定量发尘器、高压电源、粉尘荷电分离装置、过滤器、采样泵和环境实验舱组成。
[0061]
为了保证试验环境的一致性，调整舱内的温度为25
±
1℃，湿度≥75％。
[0062]
3)试验步骤
[0063]
如图3，粉尘荷电分离的试验步骤如下：
[0064]
a.开启高压电源，调整电压给粉尘荷电分离装置供电，使上下极板间形成稳定电场；
[0065]
b.加入水泥粉，打开定量发尘器，将粉尘喷入环境试验舱内；
[0066]
c.调节采样泵流量，开启采样泵，将舱内粉尘抽入到粉尘荷电分离装置中，实现粉尘的分离带试验；
[0067]
d.根据bmrc曲线的肺部沉积率，在下极板上按照不同粒径粉尘的沉积率收集被荷电分离的粉尘，实现呼吸性粉尘的荷电分离。
[0068]
3.2粉尘荷电分离试验
[0069]
3.2.1荷电粉尘粒径分离带试验
[0070]
根据式(3)，在两极板距离h、粉尘粒径确定的情况下，荷电粉尘在垂直方向上的运动速度仅与荷电电压相关。因此，研究在不同荷电电压下的荷电粉尘粒径分布带。
[0071]
使用已有的中位粒径为30μm的水泥粉尘，在环境试验舱内，在上下极板间加入不同的电压，发尘质量浓度c＝52mg/m3，以入口射流速度v
x
＝2m/s发尘进入分离试验装置。一段时间后，停止发尘和极板间的荷电电压，小心取出下极板，根据距离入口远近进行取粉尘样进行粒度分布测试，其结果如表1所示，在下极板上形成的粉尘分离带示意图如图4所示。
[0072]
表1水泥粉在不同极板电压电迁移分离后的下极板不同距离粒径分布数据表
[0073][0074]
如图4，由于粉尘粒径不同，致使电迁移特性存在差异，从而在下极板上从左到右形成粒径从小到大(从左到右颜色由浅入深)的粉尘粒径分布带。
[0075]
根据表1和图4，试验发现：由于不同粒径的粉尘颗粒在荷电电场中的电迁移率存在差异，导致在同一荷电电压下，粘接在下极板粉尘的中位粒径大小与到粉尘射流入口的距离成正比；在同一极板位置，粘接在下极板粉尘的中位粒径大小与极板电压成正比。
[0076]
因此，在高压荷电电场中，由于粉尘颗粒的电迁移特性可以实现粉尘在极板上的粒径分布带。
[0077]
如果将此分布带与bmrc曲线(我国使用的呼吸性粉尘分离标准曲线)规定相结合，如此即可实现基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离。
[0078]
3.2.2呼吸性粉尘荷电分离
[0079]
图5为符合《mt394-1995呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》的bmrc分离曲线。如图5所示，呼吸性粉尘分离需满足bmrc曲线，且bmrc委员会给出了呼吸性粉尘在肺部的沉积效率，如表2所示。
[0080]
表2呼吸性粉尘肺部沉积效率
[0081][0082]
由上表2，呼吸性粉尘的分离必须满足bmrc曲线，且被考察的点分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm、7.1μm。
[0083]
而根据图5，不同粒径的粉尘均按照100％方式垂直分布在下极板上。为了能够满足表2的肺部沉积率要求，结合表1呼吸性粉尘在极板上的分布位置，按照沉积率的比例在极板上收取呼吸性粉尘，实现呼吸性粉尘的荷电分离。
[0084]
根据表1，在2kv时，从进口位置到距离进口40mm位置范围内均为呼吸性粉尘，且按照100％沉积率分布排列。为了满足bmrc曲线要求，在0～40mm范围内按照各种粒径的沉积率分别收集粉尘，呼吸性粉尘收集的示意图如图6所示。
[0085]
如图6，在极板上按照bmrc曲线进行了分区，收集曲线下方的呼吸性粉尘，其将满足bmrc曲线的沉积率要求。
[0086]
将图6呼吸性粉尘的收集动作实现全自动化，该种呼吸性粉尘荷电分离方法不需要定时更换、清理，且不会产生二次扬尘，可以解决目前传统分离方法的局部性问题。
[0087]
4、测试呼吸性粉尘荷电分离效能
[0088]
基于以上思路，提出了一种呼吸性粉尘荷电分离方法，还需对分离效能进行测试。呼吸性粉尘分离效能试验系统测试如图7所示，依据《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》
[0089]
(mt394-1995)标准中对实验室的要求建设，主要设备有空气压缩机、除湿器、医用空气过滤器、单分散气溶胶发生器、收尘室、显微镜、可见光分光光度计等。
[0090]
呼吸性粉尘荷电分离效能测试的步骤如下：
[0091]
a.以亚甲基蓝作为溶质，考虑到溶剂的挥发性能，采用体积比50％的二次蒸馏水与50％的分析用乙醇作为溶剂；
[0092]
b.根据表2，使用气溶胶发生器发出2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm、7.1μm不同粒径的粒子；
[0093]
c.将某种单一粒径的粒子送入该分离效能测试系统中，再根据bmrc曲线的沉积率要求，收集该种粒径的呼吸性粉尘；
[0094]
d.将收集荷电分离收集的呼吸性粉尘与发出量做对比，得到该种粒径粉刺荷电分离的分离效能；
[0095]
e.最后，使用其他粒径的粒子重复进行呼吸性粉尘荷电分离效能测试试验。
[0096]
最终得到的呼吸性粉尘荷电分离的分离效能试验数据如表3所示。
[0097]
表3粉尘荷电分离的分离效能测试数据表
[0098][0099][0100]
试验测试结果与bmrc曲线的最大偏差为4.24％，最小偏差为1.27％，均小于5％，满足mt394-1995的要求，说明该种粉尘荷电分离方法能够实现呼吸性粉尘的有效在线分离。
[0101]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：s1：开启高压电源，调整电压给粉尘荷电分离装置供电，使上下极板间形成稳定电场；s2：加入待分离粉尘，打开定量发尘器，将粉尘喷入环境试验舱内；s3：调节采样泵流量，开启采样泵，将舱内粉尘抽入到粉尘荷电分离装置中，实现粉尘的分离带试验；s4：根据bmrc曲线的肺部沉积率，在下极板上按照不同粒径粉尘的沉积率收集被荷电分离的粉尘，实现呼吸性粉尘的荷电分离。2.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s1中，所述粉尘荷电分离装置包括上下极板和中间框架，在框架的左右两端分别开孔接入绝缘胶管用于吸入粉尘和排出大粒径粉尘；所述上下极板采用有利于形成均匀电场的金属材料；所述中间框架采用绝缘材料。3.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s3中，实现粉尘的分离带试验的装置包括定量发尘器、高压电源、粉尘荷电分离装置、过滤器、采样泵和环境实验舱；所述粉尘荷电分离装置、过滤器、采样泵安装在环境实验舱内；所述定量发尘器与粉尘荷电分离装置连接，将待分离粉尘喷入环境试验舱内；所述过滤器与粉尘荷电分离装置出口连接；所述采样泵与过滤器连接，用于控制通过过滤器的粉尘速度。4.根据权利要求2所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s3中，实现粉尘的分离带试验，具体包括：在环境试验舱内，在上下极板间加入不同的电压，发尘质量浓度为c，以入口射流速度v
x
发尘进入分离试验装置；一段时间后，停止发尘和极板间的荷电电压，小心取出下极板，根据距离入口远近进行取粉尘样进行粒度分布测试，在下极板上形成粉尘分离带。5.根据权利要求4所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s4具体包括：不同粒径的粉尘均按照100％方式垂直分布在下极板上；在满足呼吸性粉尘肺部沉积效率的前提下，结合呼吸性粉尘在下极板上的分布位置，按照肺部沉积率的比例在下极板上收取呼吸性粉尘。6.根据权利要求5所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s4具体包括以下步骤：s41：根据试验粉尘在不同极板电压电迁移分离后的下极板不同距离粒径分布数据表，确定中位粒径与7.1μm最接近的粉尘在分离带的位置；s42：将bmrc曲线与呼吸性粉尘在下极板上的分布位置图重合，具体是按照bmrc曲线中100％沉积率分布排列，即bmrc曲线中的沉积率100％与分布位置图中的最左侧重合，bmrc曲线中的沉积率0％与分布位置图中最接近中位粒径7.1μm的位置重合；s43：在极板上按照bmrc曲线进行分区，收集bmrc曲线下方的呼吸性粉尘，从而实现呼吸性粉尘的荷电分离。7.根据权利要求6所述的呼吸性粉尘分离方法，其特征在于，步骤s43中，收集bmrc曲线下方的呼吸性粉尘采用自动或手动方式。

技术总结
本发明涉及一种基于电迁移特性的呼吸性粉尘分离方法，属于呼吸粉尘技术领域。该方法包括：S1：开启高压电源，调整电压给粉尘荷电分离装置供电，使上下极板间形成稳定电场；S2：加入待分离粉尘，打开定量发尘器，将粉尘喷入环境试验舱内；S3：调节采样泵流量，开启采样泵，将舱内粉尘抽入到粉尘荷电分离装置中，实现粉尘的分离带试验；S4：根据BMRC曲线的肺部沉积率，在下极板上按照不同粒径粉尘的沉积率收集被荷电分离的粉尘，实现呼吸性粉尘的荷电分离。本发明能够实现对呼吸性粉尘的有效在线分离。离。离。


技术研发人员：赵政 李德文 刘国庆 吴付祥 惠立锋 陈涛 张强 焦敏 邓勤 李征真 罗小博 王宇廷 李彦筑
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/7