中药饮片车间通风除尘及空调设计的探讨

2022-07-01冯朝晖丁艳国

建筑热能通风空调 2022年5期

冯朝晖丁艳国

1 深圳臻瑞机电工程设计有限公司2 北方-汉沙杨建筑工程设计有限公司

1 工艺概述

将中药材通过净选，切制及炮制等工序，制成一定规格的成品，切成一定形态的薄片（或颗粒），这是中药材制成中药饮片的生产过程。典型的中药饮片生产工艺流水线主要由投料区，风选筛选区及选别区组成。其生产流线：原料通道—投料—风选或筛选—选别切制筛分—包装—成品通道。

对本类车间而言，根据GMP 的认证要求，严格区分中转区，一般生产区，控制污染区和洁净区。区分人流通道与物流通道，合理分配进入与退出人流。合理分配并区分原料进入通道，成品出生产区通道以及废弃物通道。

其工艺特点如下：

1）饮片生产过程中，投料、风选、转运、切制或筛分等过程中，均会产生不同程度的粉尘。

2）生产车间各房间的正压符合GMP 对气流方向的要求，避免交叉及逆向污染。

3）生产车间对温度、湿度、噪声等方面均有一定要求。但没有洁净度要求(但由于有正压要求，对车间密闭性要求高，因此实际工程中的装修等级是按最低洁净等级实施的)。

根据工艺特点，中药饮片车间的工程设计难点在于同时存在除尘通风、空调、正压控制的要求，还需考虑系统的节能运行。

2 关于除尘系统安全防爆问题

根据生产车间集尘机房粉尘检测报告[1]，粉尘性质：主要是中药材植物粉尘，夹带着泥土等杂质。采用粉尘云爆炸威力测试方法进行的可爆性筛选试验，在实验条件下，粉尘性质被认为可爆。

其试验参数如下：在500 g/m3浓度时，PR 值为6.92，大于2.0。PR 值为爆炸压力比，PR 超过2.0 时，被视为发生爆炸。

粉尘分布：d(0.1)=0.117 μm；d(0.5)=37.91 μm；d(0.9)=231 μm。

比表面积：0.32 m2/g；水分含量：8.75%；体积平均粒径：84.6 μm。

实验条件：粉尘云爆炸威力测试；实验容器：20 L球；检测条件：使用二个能量为5 kJ 的化学点火具；样品处理：取过0.5 mm 筛样品进行试验；检测环境：17 ℃，相对湿度54%。

显微镜下的粉尘形态见图1：

图1 显微镜下的粉尘形态

粉尘发生最大的区域是投料区。风选及振动筛的粉尘也很大。粉尘泄漏点最大抽风空气浓度约为500～2000 mg/m3，虽然与其爆炸下限浓度还有很大距离（参考木纤维粉尘的爆炸下限浓度为25 g/m3），但除尘系统运行过程中，由于积尘等因素，会聚集很大浓度，如果遇明火或静电火花等意外情况，也会产生爆炸危险，因此除尘系统应采取防爆隔爆设计。

根据国家标准：《粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规程》AQ4273-2016[2]，及《粉尘防爆安全规程》GB15577-2018[3]，对本车间类除尘系统有以下要求，有些条款与现行的《工业建筑供暖通风空气调节设计规范》GB50019-2015 有些差异：

1）除尘器须采用干式防爆型，并设置在专用房间内。围护结构采用耐火极限不小于3 小时的实体隔墙，靠外墙，设泄爆口。

2）所有除尘系统风管应明装。这是为了便于清灰。但影响美观及净高，对工艺操作稍有不便。

3）除尘系统除尘器进风管风速，按AQ4273-2016规范中7.1.3 的规定，应大于20 m/s。这个规定没有像工业通风空调设计规范区分水平管及垂直管。从积灰的角度来看，垂直管道及支管的风速可以低一些，建议按12～15 m/s 计算，因为如果按20 m/s 计算，系统阻力及风噪会很大。例如：直径120 mm 的风管，20 m/s 风速时，比摩阻为33.5 Pa/m；12 m/s 风速时，比摩阻为14 Pa/m，相差很大。

4）除尘系统应设置隔爆阀。主要是防止冲击波的扩散。

由于这个AQ4273-2016 规范实施时间不长，以往的系统很多没有采取防爆隔爆设计措施，需要在以后逐步整改。

3 关于除尘系统风量平衡及能量回收

根据大气污染物综合排放标准，本类车间的粉尘排放浓度为150 mg/m3。按这个要求，按传统的做法，一般都是由袋式除尘器处理后直接高空排放。

但高空排放有二个很不利的问题产生：

1）由于车间正压的控制要求，除尘排走的风，需要新风来补充，会增加新风量（空调系统几乎变为直流系统）。同时由于除尘系统运行的不定期性，会带来房间风量的波动，造成房间正压失衡。

2）直接排放会带来空调系统能耗损失。

因此从风量平衡及能量回收的角度来，除尘排风应回用。抽多少风，就回多少风，这样不管除尘系统运行不运行，风量平衡，对房间的正压不会产生波动。

按规范《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》6.3.2 的要求，只要除尘处理后的粉尘浓度低于工作区容许浓度的30%以下，就可以采用循环空气，就是说除尘后的排风可以回用。工作区的容许浓度，查阅《工作场所有害因数职业接触限值》GBZ 2-2002 的条款，参照木粉尘的平均容许浓度为3 mg/m3，采用一般的布袋除尘器，除尘效率＞99%，除尘后的浓度Cp=500～2000×(1-0.99)=5～20 mg/m3。有时投料区的初始粉尘浓度根据物料不同可能不止500～2000 mg/m3。可见采用一般的干式布袋除尘器，除尘后浓度不一定能满足回用的要求。按初始浓度2000 mg/m3容许浓度3 mg/m3反算，除尘器的除尘效率应＞99.85%

高效的滤筒式除尘器，采用的是超细纤维滤材，耐高温，防油防水防静电，过滤效率＞99.99%。采用滤筒结构布置，脉冲反吹清灰，特制的回转锁式卸灰阀及存灰筒。这种除尘器可以满足规范及设计要求。

此前大多数中药饮片车间都采用除尘排风直接排到大气，有些地方采用了就地高效过滤除尘器，相当于除尘排风直接排到房间，但没有专用的除尘机房。或者除尘机房不能满足围护结构采用耐火极限不小于3 小时的实体隔墙，靠外墙，设泄爆口等要求。这些做法是不能满足规范防爆防火的要求的。

现在安监部门对这块的监管力度不断在加大、完善。因此严格按规范设置，同时又能达到节能环保的目的，合理的方案是采用专用房间（或室外）的排风回用的高效滤筒除尘系统，按生产线对应设置除尘系统及空调系统。这样既有利于风量平衡，又有利于节能。除尘排风回用，节约的能量很大。经过计算，其回收的能量能达到空调能耗的一倍多。

计算过程如下：

一条典型生产线，总面积约为300 m2，吊顶净高3.3 m，空调系统风量为10000 m3/h（换气次数按10 次/h），新风比30%（按正压要求），除尘系统风量为80000 m3/h（大约有11 个除尘点）。室内空气设计工况点的温湿度为 244 ℃/65%，室外新风参数按干球33.74 ℃，湿球27.54 ℃（参照深圳地区）。

空调冷负荷约为50 kW，单位冷指标为167 W/m2（含新风）。

如果除尘排风全部排至室外，除尘排风带走的能量Q=(87-55)×1.20×(8000-1500)/3600=61 kW（1500 m3/h 是排风系统风量）。

通过以上计算可看出，除尘排风不回用，空调系统几乎为直流新风系统，其空调冷负荷比排风回用系统大了一倍以上，直接排放的能耗损失巨大。

4 关于空调系统的处理方式

4.1 空调冷热负荷

本类车间冷负荷主要有围护结构冷负荷，人员冷湿负荷，照明负荷，设备发热负荷及新风负荷组成。由于生产车间一般布置在内区，维护结构负荷比较小，主要是后四项的负荷。新风量按人员最小卫生标准及正压新风量取大值来核算，正压新风远远大于人员卫生新风量，按照正压控制的要求，新风比一般为30%。

按前面叙说的典型一条生产线，其空调冷负荷按鸿业负荷计算软件，计算得总冷负荷约为50 kW，不含新风冷负荷为22 kW，湿负荷约为1.58 kg/h（不含新风）。其中生产用电设备统计约为18 kW（电机及驱动装置均在室内）。

物料在运输过程中均为冷链运输，这一部分的物料冷负荷可以忽略不计。

可见本类车间的冷负荷主要是新风冷负荷及内部设备发热，室内湿负荷不大，湿负荷主要为新风及人体湿负荷，热湿比为22000/1.58=13924（与新风量无关），全年相对稳定。

冬季热负荷还是由于内区的原因，车间围护结构热负荷很小，主要是新风热负荷。但就室内而言，由于设备发热大，冬季都需要消除余热。应利用新风量来调节冷热平衡。

4.2 空调处理方式

常规的空调系统空气处理方式是一次回风系统。本类车间，室内产湿量不大，对湿度的控制要求不高（小于等于65%即可），为了节能，直接以露点L（大约为13.7 ℃）送风，就可满足要求。

从热湿比来看，同时本类车间的控制精度要求不高，平时空调夏季是不需要再热的。即使梅雨或台风季节，室外新风湿度很大的情况下，只要表冷器的焓差处理能力足够，就可以达到热湿比线与95%相对湿度相交的露点温度来控制室内参数。

过渡季节采用一次混合直接送风的方式处理,采用调节新风比来控制室内温湿度，即使回南天等湿度很大的情况下，也不需要再热。

冬季运行的模式下，夏热冬冷或寒冷地区，需要做加热处理。以避免室内温度因新风送入而降得很低。实际上可以人为地降低室内温度参数标准（需要与业主方商议），因为在冬季或过渡季节穿上洁净工作服后，工人衣着还是比较多的，即使温度降低，人体舒适度还可承受。

5 关于生产车间正压控制

根据GMP 的要求，生产车间各房间的正压符合对气流方向的要求，避免相互交叉及逆向污染。典型的生产线的正压要求，见图2。

图2 各房间正压分布图

由于本类厂房车间一般没有洁净要求（实际按最低要求的洁净等级设置），空调换气次数与常规空调区别不大，大概为10 次/h 左右，不必刻意加大风量。

按照正压要求，需要控制各房间的正压风量。除尘系统送多少回多少，自身风量是平衡的。正压风量就只与空调送回风量、排风量及房间的渗透风量有关。计算的方式则为：正压风量=送风量-回风量-排风量。

正压风量最后是通过余压，造成对门窗等缝隙的渗透漏风而平衡的。从此意义上讲，正压风量=渗透风量。渗透风量有进有排，其差值其实就是正压风量。

正压风量可以加大或减少新风量来调节。按有关空调设计手册，可以按正压值选定一定的正压换气次数风量。按经验值，可按表1[4]：

表1 洁净室正压值与换气次数（次/h）的关系

本类车间由于有原料及成品通道的二个叉车进出门，密封性能不大好，建议正压风量适当放大，按2～3 次/h 为宜。

由于正压值的控制要求，对风量的控制要求精准，需采用调节性能良好的调节阀、余压阀等调节手段，同时根据现场调试经验来看，房间的机械排风设置必不可少，对房间的正压调试可以起到明显的作用。这是因为正压最低的风选间在内区，多余的渗透风只有通过排风口渗透或机械排风排除。靠自然渗透，时间会很慢，机械排风会造成局部负压，对风量可以快速调节。排风量一般按新风量的50%～80%选取，并考虑到过渡季节空调大新风运行时的情况，建议选用变频风机。

正压调试是在生产静态下进行，动态生产时，由于原料通道及成品通道开启，会造成正压瞬间消失。

房间正压值的控制是GMP 认证的基本要求，是防止交叉污染的气流方向要求，关系到产品的品质，应当引起重视。

6 关于生产车间噪声的控制

生产车间生产过程中，会产生一定噪声，主要是投料、风选、振动筛等，空调通风设备会产生一定的噪声，除尘系统运行过程中也会产生噪声，主要是风管风速过大产生的吹哨声及风机的噪声。噪声叠加产生共振效应，实际噪声值会达到85 dB(A)以上。按照国家标准《工业企业噪声控制设计规范》GB/T50087-2013，此类生产车间的噪声标准是85 dB(A)。虽然工人生产过程中会佩戴耳塞之类的护耳设备，但长期在高噪声环境下工作，对身心还是会有一定的影响的。因此有些业主方适当提高了这个标准，会在项目URS 中（URS:User Requirement Specification，即用户需求说明，是指使用方对设备、厂房、硬件设施系统等提出的自己的期望使用需求说明，设计方依据这个需求等提出自己具体的方案，设备供应商依据客户提供的URS 方案设计施工）要求这个噪声值是80 dB(A)以下。采取综合措施，如果能达到70～75 dB(A)，就更理想了。

前面说的车间噪声的几个主要因素中，生产线本身的噪声无法避免。空调通风系统可以设置消声器等办法，可以控制在70 dB(A)以内。比较麻烦的是除尘系统的噪声问题，除尘系统采取消声措施还是比较少见的。难点在于以下两点：

1）除尘风机的噪声，虽然风量不是很大，但风压很高，达到3000～4000 Pa，风机转速达到2900 rpm，按这个工况选用的离心风机产生的噪声值达到100 dB(A)以上。风机房可以做降噪处理，但风机噪声还是会通过风管传递或共鸣共振传到室内。

2）除尘风管产生的再生噪声，由于粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规程AQ4273-2016 规范要求，除尘风管风速，要大于20 m/s，风速过高，本身就会产生风噪，尤其是除尘抽风口如果是锐角的话，会产生严重的吹哨声。还有调节阀，开度很小的情况下，也会产生高频的尖锐噪声。

因此除尘系统应采取降噪措施。由于吸风段的含尘浓度高，风速高，不适合设置微孔结构的消声器。同时风机噪声逆向通过吸风管把风机噪声传递到车间的机率不大，吸风段可以不采取消声措施。而回风段，噪声会顺风把风机噪声传递到车间内，如果风管的软连接及支吊架处理不好，会引起共振传递。这段风管的粉尘浓度已很低，可以采用微孔结构消声措施。但仍含尘，消声器有定期清灰的要求，消声器要便于拆装或更换。

消声器的种类比较多，可以采用管道式、消声弯头、消声静压箱等。除尘系统的风压已经很大了，消声器的选择要尽量选阻力小的，管道式消声器或消声弯头，风速还是偏大，同时存在一个因风速过大的二次产尘的问题。建议选用消声静压箱，其优点：风速低阻力小，消声效果高，便于清灰拆装。由于消声计算非常复杂，消声静压箱的计算也很复杂，只能是根据经验设计，消声静压箱的制作示意见图3。这种消声静压箱采用了阻性与抗性相结合，实际工程情况表明，对高中频的消声降噪效果明显（优于消声弯头及管道式消声器）。

图3 8000 m3/h 风量消声静压箱制作示意图

7 其他值得注意及探讨的问题

1）除尘系统在车间外的部分（包括除尘器及风机）均需要保温，明装在车间的部分可以不保温。除尘风管采用不锈钢制，以避免管道生锈产尘。

2）除尘吸风罩的密封形式对除尘风量及效果影响很大，生产设备自带的除尘风口，有些没很好的密封，有些没有采用扩散口的形式，有些还是锐角，造成抽风风速过大，把物料带走，同时也会造成吸风口的风哨声。建议对密封方式改造优化，对尖锐抽风口改造成喇叭口等有利气流的形式。除尘点的风量一般按除尘罩口风速不大于0.6 m/s 计算。

3）除尘风机的选型：由于除尘系统的水力计算比较复杂，有时也难以计算准确，建议除尘风机采用变频。也有利于生产过程中根据情况调整风量。

4）除尘系统的回风段，由于含尘浓度已很小，风速可以降低（8～10 m/s），这段管路应可以暗装在吊顶。这个需要与规范编制人员或安监部门交流沟通。

5）除尘系统、空调通风系统宜与生产线配套划分，以便于使用过程中的灵活性。不宜采用大集中系统的方式，既不利于运行管理，也不好风量平衡。系统的控制集成，建议采用楼宇智能化来实现。

6）中药饮片车间的管线复杂，除了除尘、通风及空调管道，还有排烟、真空吸尘、压缩空气、水电管线、消防管线、工艺管线等，很多管线需要维修调试，空调通风系统的阀门均布置在吊顶内，因此，管线综合很重要，同时吊顶空间应考虑上人检修通道。