棉紡車間顆粒物濃度及粒徑分布特征研究

竇 玥 楊小妮 ， 李蕓博

1 西安建筑科技大學西部綠色建筑國家重點實驗室

2 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

3 西安建筑科技大學華清學院

0 引言

紡織行業在國民經濟中占據重要份額，是 支柱產業之一，我 國經濟可持續發展離不開紡織業的發展[1]。但紡織行業在生產過程中會產生大量的顆粒物，彌 散懸浮在空氣中，且 顆粒物表面會吸附大量的細菌和微生物，在 相同顆粒物濃度條件下，紡 織廠室內顆粒物對人的危害更大[2-3]。同時空氣中彌散的棉塵顆粒物會沉積在生產設備表面，對 工藝及設備造成不良影響。

因此，對 車間內顆粒物的相關物理特性進行研究非常有必要。國內外關于紡織廠室內懸浮顆粒物的研究主要為其對人體健康危害的病理性分析及職業健康風險研究[4-8]。Gallagher 等人[4]通過對上海女紡織工人的死亡率進行調查，研 究了在紡織纖維粉塵中的暴露與心血管疾?。–VD）的 關系。M ehta 等人[5]通 過實地采樣確定了工作區域內毒素的測量可以作為個人暴露水平的合理指標。同時也有針對紡織廠粉塵濃度測量及數值模擬的相關研究[9-11]。馬輝猛[9]在 已有的空調系統的前提下，對 實際紡織廠細紗車間內的粉塵分布進行數值模擬。陳紀剛[10]通 過對三家棉紡廠進行現場采樣，比 較不同工種，季 節和工廠三種工況下的粉塵濃度。

但在上述研究中，并 未針對紡織廠室內纖維顆粒物的幾何尺寸分布特征進行明確研究，同 時在濃度的研究上對可吸入顆粒物濃度研究較少，而 顆粒物的粒徑分布及濃度分布對其危害程度的影響起著決定性作用。因此，本 文通過實地考察和實驗監測，研 究了某棉紡廠不同車間的棉塵濃度分布，旨 在揭示紡織行業生產車間作業環境內的顆粒污染物的分布，并 將結果與行業衛生標準進行對標，進 一步提出在紡織行業進行顆粒污染物控制的必要性和緊迫性。并對顆粒物尺寸分布特征進行研究，旨 在下一步借助CFD 技術研究深入研究控制策略時，為 數值計算提供可以借鑒邊界條件。

1 試驗與方法

本研究主要針對棉紡車間內清花，梳 棉和細紗三個車間進行分析，該棉紡廠生產設備24 小時運行，室 內環境相對穩定，無 明顯周期性變化，監 測調研時間為該廠穩定生產時間。

1.1 采樣對象及采樣點布置

總顆粒物濃度選擇在清花，梳 棉和細紗車間三個車間進行。測點布置于生產設備旁0.5 m 處，采 樣點高度1.5 m，同 時監測測點處的溫濕度及風速。以清花車間和細紗車間為代表，分 別研究前紡和后紡工藝可吸入顆粒物濃度空間分布特征。其中，水 平方向上，以 車間的幾何中心為中心測點，各 測點與中心測點的間距如圖1 所示。垂直方向上，選 擇以清花車間的 2# 測點及細紗車間的7#測點為對象，每 間隔 50 cm 高度進行測量。為分析顆粒物粒徑，利用載玻片對彌散于車間環境中的棉塵顆粒物進行采樣，采 樣位置與總顆粒物濃度采樣點相同。

圖1 車間測點布置平面圖

1.2 采樣設備及方法

使用粉塵采樣器（CCZ-20A 型，中 國常熟）對 總顆粒物濃度測點進行采樣，采 樣流量為 20 L/min，采 樣時間為40 分鐘。使 用Dust Truck DRX Desktop（8533 型，美國 TSI 公司）對 可吸入顆粒物濃度進行監測，量 程：0.001～150 mg/m3，精 度：± 0 .001 mg/m3，監 測時間為 15分鐘。同時利用載玻片，借助自然沉降法收集車間環境中彌散的顆粒物，采 集時間為40 分鐘。

1.3 數據分析方法

總顆粒物濃度采用電子分析天平（CPA225D，德 國賽多利斯公司）對濾膜進行稱重后計算的方法分析，量 程：220 g，精 度：± 0 .001 g。

顆粒物粒徑利用 NIS-Elements（D，日本尼康公司）以 及 ImageJ（National Institutes of Health）進 行分析。由于實際顆粒物的形狀為不規則形狀，本 研究選擇常見的非球形顆粒物特征尺度之一[15]，即 等投影面積球當量直徑da進行分析對比。

式中：A為實際顆粒的投影面積，m2，由 ImageJ 測量后得出。

分析采樣所得顆粒物的粒徑分布時，將 顆粒物分為纖維顆粒物及非纖維顆粒物進行。本文將顯微鏡拍攝獲得的照片中長度大于10 μm，且形態呈卷曲帶狀的顆粒物定義為纖維顆粒物進行分析。分析該顆粒物時，以 實際長度L和較為平展處的直徑D為參數研究其形態，圖 2 為其顯微鏡下截面形貌圖。利用NIS-Elements 圖像分析軟件直接測量其長徑及短徑，短徑取三次測量平均值，其 等投影面積直徑通過長徑及短徑計算得出。對 于非纖維顆粒物，長 徑大于 10 μm的顆粒物分析方法同纖維顆粒物，小 于 10 μm 的利用ImageJ 對顯微鏡拍攝的圖片進行處理分析。分析方法如下：首 先設定標尺參數，使 其與圖像上的標尺參數一致。然后進入圖像測量模塊，調 整灰度分布曲線閾值，使 顆?？梢宰钋逦磉_后測量，輸 出顆粒物的投影面積后計算其等投影面積當量直徑。

圖2 棉纖維顆粒物截面形貌

2 結果與討論

2.1 濃度分布特征

2.1.1 各工序總顆粒物濃度對比

實地監測所得車間內各工序總顆粒物濃度結果見圖3。

清花，梳 棉和細紗車間的平均總顆粒物濃度分別為3.65 mg/m3、2.87 mg/m3、1.75 mg/m3，均大于國家職業衛生標準中所規定的棉塵接觸限值，即1 mg/m3[12]。由前紡工藝至后紡工藝，總 顆粒物濃度呈逐漸減小的趨勢，且清花車間總顆粒物濃度是細紗車間濃度的2.08 倍。進 一步分析可知，不 同工序所用原材料中的雜質含量高低不同，以 及工藝中的切割碾壓等過程的差異，會對濃度產生極大的影響。清花車間生產原材料為雜質較多的原棉，且 收集分離原棉的工藝裸露在外，導致車間顆粒物濃度最大。梳棉車間原材料為清除雜質后的棉團，生 產設備配有局部通風除塵系統，細 紗車間原材料為棉卷，僅 有搓捻的工藝暴露在外，造 成顆粒物濃度呈現逐漸減小趨勢。

2.1.2 典型車間可吸入顆粒物濃度分布特征

圖3 車間總顆粒物濃度

分別以清花車間和細紗車間作為典型車間，研 究前紡工藝及后紡工藝的可吸入顆粒物濃度分布特征研究。

1）水 平方向分布特征

監測期間清花車間及細紗車間內各測點可吸入顆粒物質量濃度分布如圖4 所示。因為現今我國暫無針對可吸入棉塵顆粒物的接觸限值的規定，所 以參考美國勞工部的國家職業安全和衛生管理局（OSHA）頒 布的容許接觸限值，其 規定粒徑小于15 μm 的棉塵接觸上限值為0.15 mg/m3[13]。我 國空氣質量準則中PM2.5的日均濃度二級標準為0.075 mg/m3[14]。國內外尚無對紡織廠室內PM1 濃度的相關標準。

監測結果顯示，整體上分析，清花車間PM10 和PM2.5 顆粒物濃度均已大幅超過標準，P M2.5 最大濃度已達接觸限值的6 倍。細紗車間可吸入顆粒物濃度明顯低于清花車間，但 PM2.5 最大濃度值依舊為標準限值的1.4 倍。清花車間中心點處的可吸入顆粒物濃度最高，而 細紗車間中心測點處的濃度反而最低，可 能原因清花中心測點位于裸露的原材料加工中心。而細紗車間中心測點位于通道中心，顆粒物易彌散。進一步分析圖4 可知，清 花車間的水平濃度分布較均勻，而 細紗車間的分布差異較大，造 成這種現象的原因是細紗車間雖然生產設備密度大，但 顆粒物污染源為相對集中的點源，而 清花車間污染源為分散分布于整個車間的面源，從 而導致兩車間濃度水平分布不同。

圖4 車間內顆粒物濃度水平分布

2）垂 直方向分布特征

以清花車間的 2# 測點及細紗車間的 7# 測點為例，研究可吸入顆粒物濃度在垂直方向上的分布，監 測結果如圖5 所示。

圖5 車間內顆粒物濃度垂直分布

兩車間的顆粒物濃度在垂直方向上的分布存在明顯差異，清 花車間顆粒物濃度隨高度增加呈現先增大后減小的趨勢，細 紗車間顆粒物濃度整體趨勢為先減小后增大再減小的趨勢。兩車間顆粒物濃度最大值均在呼吸區高度 50～150 cm 內，其 原因在于，車 間頂部存在送風射流，且 顆粒在重力影響下導致濃度存在垂直方向的分布。但由于生產設備的不同，兩車間的顆粒物污染源高度也略有不同，使 兩車間濃度峰值出現的高度不同。兩車間各高度顆粒物濃度與其最大值的相對差異分別在 12.14%～28.39%和 14.06%～21.11%之間，即濃度在高度方向上存在一定的差異，該差異值X計算公式如下：

式中：Cmax為高度方向上濃度的最大值，m g/m3；C為某高度顆粒物濃度值，m g/m3。

2.2 各工序顆粒物粒徑分布特征

2.2.1 顆粒物的形貌特征

經顯微鏡觀察發現，長 徑較大的顆粒物數量較少，采集到的顆粒物以小于10 μm 為主。針 對總懸浮顆粒物，為 分析其粒徑分布，采 用等投影面積直徑分析其粒徑。針對長徑大于10 μm 的纖維顆粒物，單 獨分析其幾何尺寸分布。其 中長徑大于10 μm 的顆粒物包括棉纖維以及非棉纖維顆粒物，不 同類型顆粒物在顯微鏡下的區分見圖6。

2.2.2 總顆粒物粒徑分布

圖6 顆粒物粒徑測量類型區分

經顆粒物粒徑分析表明，清 花工序和細紗工序的懸浮顆粒物的等效投影面積直徑組成均以 10 μm 以下為主，兩 工序的平均粒徑分別為 6.89 μm 和3.73 μm，da小于10 μm 的顆粒物平均占比93.25%，該 平均值為兩個工序的比率的平均值，下 文均采用此定義。細紗車間懸浮顆粒物粒徑整體小于清花車間，且 細紗顆粒物粒徑變化較為明顯，清 花和細紗車間粒徑在10μm 以下的顆粒物占比分別為84.31%和97.92%（圖7）。

圖7 車間顆粒物的粒徑分布

為方便分析和利用測量結果，常 將粒徑分布擬合成函數式。參考 Rosin-Rammler 粒徑函數分布規律進行粒徑分布分析，其 表達式為：

式中：F(d)為粒徑的累計分布；d為顆粒的特征尺寸，取 對應F(d)=0.632 的顆粒直徑；m為均勻度指數。將式（2）對 數變換得到：

按式（4）對 粒徑進行線性回歸如圖 8 所示。線性相關回歸數的平方R2為 0.899，均勻分布指數m為0.725,為 5.79 μm 。雖然有個別數據點偏離擬合曲線，但 實驗測得的粒徑累計分布總體與 R-R 分布函數規律吻合?？傻妹藜徿囬g內顆粒物粒徑累計分布函數表達式如下：

圖8 R-R 函數擬合圖

2.2.3 10 μm 內顆粒物粒徑分布

由圖7 可知，車 間內顆粒物以粒徑小于10 μm 的顆粒物為主，為 確定其對人體呼吸道的危害，研 究其粒徑分布有一定的必要性。如 圖9 所示，兩 工序該粒徑范圍顆粒的平均粒徑分別為 4.29 μm 和 3.16 μm，粒 徑小于2.5 μm 的顆粒物數占10 μm 內顆粒物數的平均比率為 42.36%，2.5～5 μm、5～7.5 μm、7.5～10 μm 粒徑范圍的顆粒物數占 10 μm 內顆粒物數的平均比率分別為39.56%、12.36%、5.73%。對 比清花和細紗工序，5～10 μm 粒徑范圍內的顆粒物占比呈現減小的趨勢，2.5～5 μm 粒徑范圍內的顆粒物占比增加，2.5 μm 以下的顆粒物占比基本保持不變，其 比率分別為45.96%和43.86%。主 要原因可能為清花工藝雖然相較細紗工藝會產生更多的顆粒污染物，但 局部通風裝置及車間內上送下回通風系統對細顆粒物捕集效果差，導 致即使較大顆粒物能被捕集排出，但 大部分細顆粒物還停留在室內，從 而導致2.5 μm 內范圍的占比幾乎不變。

圖9 10 μm 內顆粒物粒徑分布

2.2.4 纖維顆粒物幾何尺寸分布

依據工作場所空氣中粉塵分散度測定的相關規定[16]，樣 本數量不少于200 個塵粒，本 研究測定纖維顆粒的樣本數均為250。如圖10（a）所 示，兩 車間纖維顆粒物長徑以小于 400 μm 為主，該范圍內的纖維數占總纖維數的比率分別為 67.18%和 64.86%，且隨長度增大占比逐漸減小。兩車間的纖維顆粒物長徑分布差異較小，同 時長度為1000 μm 以上的纖維顆粒物占比分別為 9.2%和12.36%。圖 10（b）所 示，兩 工序直徑占比都呈現隨短徑增加先增大后減小的趨勢，短 徑占比最多的均出現在5-15 μm 范圍內。但兩工序短徑分布具有一定差異，兩工序短徑值 25%-75%區間差異較大，細紗工序的短徑占比增加幅度更小且有延遲，即 細紗車間纖維顆粒物短徑值大于清花車間。本研究測量結果與宗亞寧[17]等 人對棉纖維直徑測量結果基本一致。

圖10 車間纖維顆粒物幾何尺寸分布

從圖 10 可以看出，纖維顆粒物長徑比主要集中在90 以下，該 范圍的纖維顆粒物平均占比為92%。清花工序的長徑和長徑比的最大值都大于細紗工序，但 其分布與細紗工序差異較小，造 成了這種結果的原因可能是長徑較大的顆粒物受重力影響沉降在地面，不 能被載玻片收集，彌 散在空中的纖維顆粒物的尺寸受環境及工藝因素影響較小，主 要與顆粒物的自身尺寸有關。

3 結論

本文通過實地監測，研 究了不同棉紡車間顆粒污染物的濃度及粒徑分布，得 到如下結論：

1）清 花、細 紗及梳棉車間平均總顆粒物濃度分別為3.65 mg/m3、2.87 mg/m3、1.75 mg/m3，均大于棉塵接觸限值。由前紡工藝至后紡工藝總顆粒物濃度呈逐漸減小的趨勢，且 清花車間總顆粒物濃度是細紗車間濃度的2.08 倍。清花、細 紗車間可吸入顆粒物濃度在水平、高 度方向上分布均不同，但 高度方向的可吸入顆粒物濃度峰值均在呼吸區高度內，且 不同高度處測點的顆粒物濃度與其最大值的相對差異在 12.14%～28.39%之間，即 濃度在高度方向上存在一定分布。并且針對紡織行業車間內的可吸入顆粒物濃度，缺 乏具有指導性的標準及規范。

2）針 對清花和細紗車間內所有顆粒物，以 顆粒物的等效投影面積直徑為粒徑進行分析，清 花和細紗車間內總懸浮顆粒物的粒徑組成存在差異，但 均以小于10 μm 為主，平 均粒徑分別為6.89 μm 和3.73 μm 。車間內顆粒物粒徑累計分布符合特征粒徑為 5.79 μm，均勻分布指數為0.725 的R-R 分布函數。清花和細紗車間，10 μm 以內的顆粒物的平均粒徑分別為4.29 μm 和3.16 μm，且兩車間中粒徑小于2.5 μm 的顆粒物占該范圍內顆粒物總數量的比率基本相同，分 別為45.96%和43.86%。

3）針 對清花和細紗車間內的纖維顆粒物，以 長徑和短徑進行分析。長徑以小于400 μm 的為主，長 徑和短徑均值分別為 400.98 μm 和 433.51 μm，13.09 和14.47 μm，長 徑比均值分別為 32.74和 30.78，兩 車間的纖維顆粒物幾何尺寸差異不明顯。