生物质成型车间粉尘微观特性分析＊

杨 华，吴政强，袁 野，李 烁，陈天聪

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

国务院在《新时代的中国能源发展》白皮书等文件中，要求加快提高清洁能源和非化石能源消费比例，支持利用清洁生物质燃料[1]，因地制宜发展生物质供暖，加快推进秸秆高值化利用[2]。生物质成型燃料是指通过专门设备将生物质（多为农林副产品及加工剩余物）压缩成特定形状来增加其密度的固体燃料，是农村地区最具可行性的生物质利用方式。生物质成型厂房中的粉碎和压缩成型等环节会产生有机粉尘，对厂房室内工作人员的健康造成严重的威胁[3]。粉尘的物理特征和化学元素组成对粉尘的沉降、扩散和毒性有较为直接的影响[4-5]，同时也影响粉尘在人体内的吸入、沉积等危害的大小[6-8]。

本文以生物质成型车间粉尘（扬尘出口扬尘、防尘薄膜上的落尘）为研究对象，对扬尘与落尘的形貌、粒度特征和元素组成进行对比和分析，旨在为生物质成型车间的工作人员防护及通风除尘系统设计提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 测试厂房概况

本文实测的生物质成型厂房位于河北省张家口市张北县。该厂房为20 m×10 m 的单层人字形坡彩钢瓦房，坐北朝南，檐口高度为4 m，正脊高度为5.2 m，无排风扇。厂房内有1 台秸秆粉碎机和1 台压辊式环模成型机，成型机的型号、总功率及生产能力分别为9K-3200D、75 kW 及1.0～1.5 t/h。成型原料为产自于当地的莜麦秸秆，秸秆在室外经粉碎后进入厂房堆料区，经传送带进入成型机被压缩为成型燃料。成型燃料经传送带运送至储料区称重打包。厂房内的粉碎、输料等环节均做了防尘措施，生产时的主要粉尘发生位置在成型机顶部的泄压口。

1.2 样品采集

生物质成型过程所产生的粉尘中，粒径较大的会自然沉降，粒径较小的将在空气中悬浮。本文对粉尘发生处的扬尘和厂房室内自然沉降的落尘均进行了采集，以对比二者的理化特性。扬尘的采样位置在成型机的粉尘和蒸汽出口处，落尘的采样位置在扬尘出口下方皮带进料机的防尘薄膜上，如图1（а）所示。生物质成型机生产过程产生的扬尘如图1（b）所示。

图1 粉尘采样点及扬尘实景图

扬尘采样在成型机运行时进行，采用Pаnаsоniс MC-C10G 尘袋式吸尘器进行粉尘采样。该吸尘器可以高效地从扬尘出口捕集扬尘颗粒物。扬尘采样过程中，1 名采样人手持采样器静止站立于扬尘出口下方，将吸尘器吸入口对准扬尘出口进行采样，采样持续20～25 min，收集粉尘5～6 g。采样结束后，将吸尘器的尘袋取出，用刮片将粉尘样品刮入塑料密封袋保存。

落尘采样在扬尘采样前进行。成型设备开机前，先清理采样点处，保证该处干燥无尘。随后开启设备进行生产作业，大约运行10 min，防尘薄膜有积尘后关闭设备，随即用刮片采集5～6 g 的落尘，装入塑料密封袋保存。

1.3 表征方法

粉尘形貌测试：采用JSM-7610F 扫描电镜对现场采集的扬尘出口的扬尘、防尘薄膜上的落尘进行表面扫描，分析粉尘的表面形态。测试条件为工作电压5.0 kV，放大倍数为25、500、2 000 及5 000。

粉尘粒度测试：采用Mаlvеrn Mаstеrsizеr 2000 激光粒度仪（测量范围0.02～2 000 μm）分别测定扬尘和落尘的粒径分布和中值粒径等参数，用以描述并对比扬尘和落尘的粒度特征。

粉尘化学组成测试：采用ZSX_Primus II 荧光光谱仪对现场采集的扬尘和落尘化学组成进行测试，了解粉尘的元素组成。测试条件为工作电压60 kV。

2 结果与分析

2.1 粉尘的形貌特征分析

采用JSM-7610F 扫描电子显微镜对生物质成型车间中采集的扬尘样本与落尘样本形态特征进行了观察，扬尘颗粒微观结构和落尘颗粒物微观结构如图2 所示。

图2 粉尘不同放大倍数下SEM 图像

从SEM 测试结果的整体和单个颗粒物的图像可以得到该生产场所内颗粒物的微观结构主要有2 种特点：一是条状颗粒所占比例较多；二是含有少量的块状颗粒。此外，从高倍放大图像中可以看出，较大颗粒的表面都比较粗糙，主要呈鱼鳞状。对比表面较光滑平整的颗粒物，也正是这种结构被破坏的、比较粗糙的颗粒物更容易粘着在人体的呼吸道及肺部等器官上，不易排出[9]。对比扬尘与落尘的微观结构图，并未发现太大的区别。

2.2 粉尘的粒度分析

采用马尔文激光粒度仪（Mаstеrsizеr 2000）测定了扬尘与落尘样品的体积-粒度分布，如图3 所示。由图3 可知：①生物质成型车间扬尘与落尘的体积-粒度分布图不完全遵循罗辛-拉姆勒（Rоsin-Rаmmlеr）分布，其中扬尘在粒径为34.67 μm 和1 258.93 μm 时出现2个波峰。出现这种情况的可能原因是成型燃料的生产过程中，需要在生物质物料中加入部分沙土，其中粒径较小的沙土颗粒质量较小，在成型机内也会被热蒸汽裹挟带出，导致成型燃料生产过程中释放的扬尘体积-粒度呈双峰分布。②扬尘与落尘粒度区间皆为0.832～2 187.762 μm，中值粒径分别为63.363 μm、86.437 μm。③落尘在粒径为45.72 μm 出现波峰，而扬尘在粒径为34.67 μm 时出现波峰。此外，扬尘中0～10 μm 颗粒物累计体积占有率为5.60 %，落尘中0～10 μm 颗粒物累计体积占有率为4.77%。可以说明落尘中小粒径颗粒物少于扬尘中小粒径颗粒物，这是因为扬尘中大粒径颗粒物易于沉降，而小粒径颗粒物更容易悬浮在气流中。④扬尘和落尘的粉尘粒度分布曲线在粒度为1～10 μm 的附近皆有高度，说明扬尘与落尘都有一个共同的特点，就是存在一定量的粒度小于10 μm 的粉尘。其中扬尘粒径分布在0～2.5 μm 和0～10 μm 之间累计体积占有率分别大约为1%和6%。由于粉尘的粒度越小，沉积部位越深，对人身体的危害越大[10]，因此扬尘与落尘皆对作业人员的健康有较大威胁。

图3 扬尘和落尘体积-粒度分布

2.3 粉尘元素组成分析

应用ZSX_Primus II 荧光光谱仪对颗粒物进行化学元素组成分析，其可以对F 到U 元素进行定性、定量分析。

经X 射线荧光光谱仪分析得到的原料、扬尘与落尘元素种类及质量分数如表1 所示。

从表1 中可知，被检测粉尘中质量分数在1%以上的元素共有7 种，质量分数排在前四的元素分别是Si、K、Cа 及Fе，其中扬尘Si 元素远高于原料中Si 元素的质量分数，是原料中Si 元素的1.55 倍，这是因为成型燃料在生产过程中需要在原料中加入沙土促进其成型，导致扬尘中Si 高于原料中Si 质量分数。此外，扬尘中还含有微量Cu 和Zn 等重金属，故为了减少扬尘的危害，建议以后生产中使用其他类型的无毒无害粘合剂进行生产。扬尘与落尘元素种类及质量分数差别不明显。

表1 原料、扬尘与落尘主要元素质量分数/（单位：%）

3 结论

本文在某生物质成型厂房内进行了扬尘和落尘采样，并对粉尘的形貌、粒度特征和元素组成进行了对比和分析，得到以下主要结论。

粉尘样本微观上为条状和块状结构，其表面较粗糙，扬尘与落尘形貌差距较小。扬尘分别在粒径为34.67 μm 和1 258.93 μm 时出现2 个波峰，落尘分别在粒径为45.71 μm 和1 258.93 μm 时出现2 个波峰；粉尘粒度分布范围为0.832～2 187.762 μm，小于10 μm扬尘约占全部扬尘体积的6%。粉尘中扬尘Si 元素质量分数是原料中Si 元素的1.55 倍，粉尘中元素种类及质量分数差别不明显，其中质量分数在1%以上的元素共有7 种，还含有微量Cu 和Zn 等重金属。