丁雪剛，汪志成，呂 皓，馮如月

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山 063020)

工業(yè)粉塵又稱生產(chǎn)性粉塵，是工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生并懸浮在勞動生產(chǎn)場所空氣中各類粉塵的總稱。粉塵不僅嚴重影響生產(chǎn)者的身心健康，而且具有易爆炸性，威脅生產(chǎn)安全。做好抑塵、除塵工作是國家對工礦企業(yè)強制性的要求，也是工程設(shè)計部門必須完成的任務。

1 粉塵的危害及擴散機理

就選煤廠而言，其粉塵來源主要有兩處：一是大塊煤炭的破碎、磨碎；二是干燥散狀粉煤的篩分、混合和運輸。

1.1 粉塵的危害

工業(yè)粉塵粒徑通常在0.1～100 μm，粒徑小于10 μm的粉塵稱為飄塵，可長時間在空氣中漂浮。粉塵的危害性甚大，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)對人體的危害。皮膚接觸粉塵堵塞皮脂腺后，會導致粉刺、毛囊炎、膿皮病的發(fā)生，也可能損害眼角膜。吸入粉塵的早期，可引發(fā)鼻炎、咽炎、喉炎、氣管和支氣管炎。長期吸入大量粉塵后，粉塵在肺中沉積，會引起纖維性病變，使肺部組織逐漸硬化，嚴重損害呼吸功能，此即為塵肺病。塵肺病患者輕則喪失勞動能力，重則喪失生命。

就塵肺病而言，粉塵中的游離二氧化硅含量越高，引起病變程度越高，病變發(fā)展速度越快。

(2)對生產(chǎn)安全的危害。當粉塵比表面積增加時，其化學活性會迅速提高，在一定溫度和濃度條件下可能引起爆炸。在選煤廠產(chǎn)生的粉塵及煤塵中，誘發(fā)爆炸的最低煤塵濃度為114 g/m3。

(3)對設(shè)備的危害。粉塵散落在設(shè)備的轉(zhuǎn)動部分，會加速轉(zhuǎn)動部位的磨損速度，引起機械的早期損壞、漏油等。粉塵落在電氣元件上，會使元件接觸不良，控制失靈。在粉塵濃度過高的環(huán)境中，機械設(shè)備的電氣部分若防爆性能差，易引發(fā)火災甚至爆炸，后果不堪設(shè)想。

為了確保工作人員的身體健康及安全文明生產(chǎn)，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)率，對粉塵的治理勢在必行。

1.2 擴散機理

粉塵的擴散依賴于塵化作用。除了物質(zhì)燃燒或高溫氧化過程本身提供了粉塵(煙塵)進入空氣的途徑外，塵粒都需要某些機制將其從靜止聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼腋》稚顟B(tài)，這些機制稱為塵化作用。對于選煤廠而言，煤炭的破碎、篩分等機械作用除產(chǎn)生塵粒外，還起到塵化作用。

煤炭在敞開式的輸送設(shè)備上以較快速度運動時，會帶動周圍空氣隨其流動，這部分氣流稱為誘導氣流。誘導氣流與粉塵發(fā)生剪切作用，使得粉塵逸出，擴散到空氣中。

煤炭由溜槽轉(zhuǎn)載到輸送機械上時，從高處下落，由于重力加速度的影響，散狀物料連續(xù)受到擠壓，把間隙中的空氣猛烈擠壓出來，受到剪切作用的粉塵，隨氣流向四處飛揚。

上述幾種使塵粒由靜止狀態(tài)進入空氣中懸浮的塵化作用，稱為一次塵化作用，其能量很小，只能造成局部污染。污染擴大的主要原因是各種氣流，它們會把粉塵帶到整個車間，形成更大的危害，這稱之為二次塵化作用。

2 干霧抑塵原理

2.1 霧化形態(tài)

粉塵粒徑越小，其質(zhì)量越小，其比表面積越大，在粉塵表面形成一層空氣膜吸附空氣的能力也就越強。因此，粉塵不易降落，可以長時間懸浮于空氣之中。

當空氣中含有霧滴時，塵粒表面空氣膜被霧滴破壞，它們相互碰撞時凝聚在一起，這種性質(zhì)叫做粉塵的潤濕性。濕潤后的粉塵凝聚體因質(zhì)量增加，從而促使加速沉降。霧滴大小與霧化形態(tài)有關(guān)(見表1)，人們常將霧滴直徑小于10 μm的霧化狀態(tài)稱為干霧。研究表明，霧滴大小與抑塵效果有關(guān)，干霧抑塵是21世紀以來在國內(nèi)外推廣的具有先進水平的濕式除塵技術(shù)。

表1 霧化形態(tài)與霧滴直徑的關(guān)系

2.2 干霧抑塵的基本原理

眾所周知，水與塵粒接觸時，表面張力越大，越難以相互吸附。如果霧滴直徑大于粉塵顆粒，粉塵僅僅跟隨霧滴周圍的氣流運動，霧滴和粉塵接觸很少或者根本沒有接觸，從而達不到降塵作用；而當霧滴變小，在霧滴和粉塵大小接近時，水的表面張力才會變小，同時霧滴越小，霧滴數(shù)量也就越多，比表面積大幅增加，相互凝結(jié)的可能性也越大。凝結(jié)有霧滴的粉塵團不斷聚集加大加重，然后降落，最終達到除塵的目的。干霧抑塵作用過程如圖1所示。

圖1 干霧抑塵過程示意

壓縮空氣驅(qū)動聲波震蕩器產(chǎn)生干霧，通過高頻聲波將水高度霧化，從而形成10 μm以下的霧滴。壓縮氣流通過噴頭共振室將干霧以柔軟低速的霧狀方式噴射到起塵點，在其上方形成霧團完全罩住起塵點，這樣在粉塵飛揚擴散時全部進入霧團，與干霧充分凝聚成大團，逐漸加大的粉塵團在重力作用下下落，即達到良好的抑塵效果。

3 干霧抑塵技術(shù)

3.1 抑塵系統(tǒng)

干霧抑塵系統(tǒng)主要有：干霧控制主機、水氣控制器、Y型過濾器、萬向節(jié)噴嘴組件、增壓水泵、空氣壓縮機、儲氣罐、管路系統(tǒng)。紅沙泉選煤廠篩分破碎車間的抑塵系統(tǒng)主要配件規(guī)格型號及數(shù)量見表2。干霧抑塵系統(tǒng)兩種聯(lián)系方式見圖2。

表2 干霧抑塵系統(tǒng)主要配件

3.2 技術(shù)參數(shù)

干霧抑塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

3.3 技術(shù)特點

(1)干霧抑塵技術(shù)適用于無組織排放、密閉或半密閉場所的粉塵治理，抑塵效率高。設(shè)備運行后，對輸送機轉(zhuǎn)載點等密閉現(xiàn)場的粉塵抑塵率達到了90%以上。

圖2 干霧抑塵系統(tǒng)兩種聯(lián)系方式示意

項目參數(shù)水壓、氣壓/MPa0.4～0.6用水量/(m3·h-1)0.02(單個噴嘴)水質(zhì)要求懸浮物≤50 mg/L,pH值6.5～8.5氯化物≤250 mg/L壓縮空氣用量/(m3·h-1) 2.0(單個噴嘴)霧滴直徑/μm1～15抑塵效率/%≥90噴嘴射程/m2～6噴嘴覆蓋面積/m20.5～1.2物料增重/%≤0.05

(2)耗水量小，節(jié)能優(yōu)勢明顯。物料濕度增加重量比不大于0.05%，膠帶輸送機不會因水分高而打滑、跑偏，可正常工作。

(3)采用可編程邏輯控制器(PLC全自動控制)。系統(tǒng)簡單，易操作，易掌握。

(4)霧化噴嘴具有自凈功能。當噴霧停止以后，系統(tǒng)進行反吹，氣管轉(zhuǎn)換到水管，把噴嘴中殘余的水分吹掃干凈，防止噴嘴凍裂或腐蝕。

(5)萬向節(jié)噴嘴組件配有圓形保護罩，可防止物料撞擊。

(6)適應性強?？梢愿鶕?jù)每個抑塵點的實際情況因地制宜配置，對于粉塵治理有很強的優(yōu)勢。

4 干霧抑塵技術(shù)在紅沙泉選煤廠的應用

4.1 主要起塵點

配套于紅沙泉露天煤礦的紅沙泉選煤廠始建于2014年5月，2015年6月正式建成投產(chǎn)，是設(shè)計處理能力10.0 Mt/a的大型動力煤選煤廠。其產(chǎn)品可作為優(yōu)質(zhì)動力精煤，也可作為煤化工及煤制油的原料。選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括原煤受煤系統(tǒng)、篩分破碎車間、主廠房重介質(zhì)洗選車間、濃縮車間、壓濾系統(tǒng)、產(chǎn)品煤儲運及裝車系統(tǒng)。

雖然干霧抑塵技術(shù)已逐漸成熟并成功應用在煤炭港口、裝車站、發(fā)電廠，但在我國選煤廠還鮮有采用。北京國華科技集團有限公司本著盡可能采用創(chuàng)新技術(shù)的原則，在紅沙泉選煤廠工程設(shè)計時采用了此項新技術(shù)。選煤廠最大的粉塵污染存在于原煤的篩分、破碎及轉(zhuǎn)載過程中，大量的粉塵會使車間能見度降低，粉塵濃度遠遠超出國家標準，直接影響現(xiàn)場作業(yè)人員的安全生產(chǎn)與操作。針對該廠原煤中6～0 mm粉煤產(chǎn)率約30%，其干燥基水分低于8.2%的情況，在原煤篩分破碎車間工程設(shè)計時重點考慮了粉塵治理。

原煤篩分破碎車間主要設(shè)備有：4臺弛張篩、1臺破碎機、7臺膠帶輸送機、4臺刮板輸送機，設(shè)備聯(lián)系圖見圖3。該車間小時處理原煤近1 900 t，日處理能力達到3萬t，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，需要有效治理。

該車間主要有以下4種類型的起塵點。

(1)膠帶輸送機落煤點。物料經(jīng)溜槽進入膠帶輸送機過程中，溜槽內(nèi)部產(chǎn)生擾動氣流，從而揚起粉塵；物料下落過程中，物料顆粒之間、物料與溜槽之間發(fā)生碰撞，加劇粉塵產(chǎn)生。

(2)膠帶輸送機轉(zhuǎn)載點。由輸送機傳送的物料沿溜槽落入轉(zhuǎn)載輸送機時，由于勢能轉(zhuǎn)換的作用，引起物料在落入輸送機膠帶上后反彈，與繼續(xù)落入的物料連續(xù)產(chǎn)生相互碰撞。同時，下落的物料在相互撞擊后向四周無序飛散，在與溜槽壁相撞后反彈，又加劇了輸送機上粉塵的產(chǎn)生；因物料不斷的落入，在溜槽內(nèi)部產(chǎn)生正壓空氣，誘導粉塵沿溜槽縫隙飛散。

(3)篩分機。由膠帶輸送機或刮板輸送機傳送的物料沿溜槽落入篩分機，入料速度較快，并有落差，將勢能轉(zhuǎn)化為動能，形成反彈上升的塵暴，揚塵動力較大；又與后續(xù)落入的物料連續(xù)碰撞，物料向四周無序飛散，在激振力的作用下加劇了篩面上粉塵的飛揚。

(4)破碎機。由膠帶機傳送的物料沿溜槽落入破碎機，物料速度較大，與破碎機內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的齒輥發(fā)生激烈碰撞，產(chǎn)生了次生粉塵；破碎后的物料在落料溜槽壁產(chǎn)生反彈，并與后續(xù)落入的物料相互碰撞，形成塵暴。

針對以上起塵點，在原煤篩分破碎車間設(shè)置了23個除塵點，其分布見圖3。

1—原煤膠帶輸送機；2—配篩刮板輸送機；3—弛張篩；4—大塊煤手選膠帶輸送機；5—塊原煤收集膠帶輸送機；6—塊原煤轉(zhuǎn)載1號刮板輸送機；7—塊原煤轉(zhuǎn)載2號刮板輸送機；8—末原煤轉(zhuǎn)載刮板輸送機；9—末原煤旁路膠帶輸送機；10—塊原煤旁路膠帶輸送機；11—大塊煤上倉膠帶輸送機；12—大塊煤破碎機；13—塊原煤入選膠帶輸送機圖3 原煤篩分破碎車間設(shè)備聯(lián)系及除塵點分布示意

4.2 技術(shù)措施

干霧抑塵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是噴霧箱；噴霧箱的核心零件是霧化噴頭。

噴霧箱的主要作用是將起塵點進行密封，一般設(shè)置在導料溜槽或者落料溜槽，其容積要盡可能大，上蓋盡可能采用圓弧形，使其內(nèi)部壓力分布均勻。膠帶輸送機上的噴霧箱，其底部密封可采用加裝橡膠皮的方式，直接與膠帶輸送機密封接觸。在受落料沖擊較大的輸送機部位，需要加密緩沖托輥以減小縫隙。

霧化噴頭裝在噴霧箱內(nèi)，通過萬向節(jié)裝配結(jié)構(gòu)將其固定，實現(xiàn)噴頭的裝配及噴射方向和角度的調(diào)節(jié)。霧化噴頭工作時形成的干霧霧團將起塵點罩住，粉塵完全進入霧團，與干霧充分結(jié)合，粉塵聚結(jié)成團后靠重力下落，實現(xiàn)抑塵。該技術(shù)對廠房環(huán)境中粒徑不大于10 μm的粉塵除塵效率達到90%～95%。破碎機和弛張篩霧化噴頭的布置分別見圖4、圖5。

圖4 破碎機霧化噴頭平面布置示意

圖5 弛張篩霧化噴頭平面布置示意

4.3 應用效果

經(jīng)現(xiàn)場檢測，干霧抑塵系統(tǒng)未工作之前，篩分破碎車間內(nèi)弛張篩所在的樓層粉塵濃度高達近600 mg/m3，直徑在10 μm左右的粉塵顆粒占比至少在80%以上。開啟干霧抑塵系統(tǒng)后，該車間粉塵濃度降至24 mg/m3，降塵效率達到96%，得到了業(yè)主的一致好評。為了進一步提高除塵效率，需要設(shè)備廠家對噴霧箱做進一步改進。

按設(shè)計原煤處理量1 894 t/h計，整個篩分破碎車間干霧抑塵系統(tǒng)共有萬向節(jié)噴嘴組件136套，用水量為136×0.02=2.72(m3/h)，噸煤水耗為1.44×10-3m3；總壓縮空氣用量為136×2=272(m3/h)，噸煤用氣量為0.144 m3；系統(tǒng)電耗為133.5 kW·h，噸煤電耗為0.07 kW·h。

5 結(jié) 語

根據(jù)科學論證和現(xiàn)場檢測，干霧抑塵技術(shù)從工作原理到實際應用，是國內(nèi)目前針對無序排放擴散的粉塵治理方面最先進的技術(shù)，其綜合經(jīng)濟和技術(shù)指標均達到同類抑塵裝備的國際先進水平。在我國大力提倡環(huán)境保護治理的今天，該技術(shù)的推廣應用對于提高我國選煤廠抑塵技術(shù)裝備的技術(shù)含量，推動行業(yè)技術(shù)水平的進步，尤其是環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。