高桿噴霧抑塵技術在煤炭礦石堆場的應用研究

武守元，王廣成

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

港口煤炭礦石堆場在裝卸和堆存過程中，有多種揚塵因素，且各因素間相互交織[1-2]，總體表現(xiàn)為面污染源。高桿噴霧抑塵技術不僅可實現(xiàn)對點和面污染源的抑塵還可有效抑制外溢粉塵，將是未來煤炭礦石堆場廣泛采用的防塵抑塵技術。但目前散貨碼頭堆場的噴（水）霧抑塵技術（高桿噴霧裝置）應用較少，只有加拿大西部港口、國內(nèi)湛江港和上海羅涇港設置了高桿噴霧裝置。為了推廣應用投資少、效果好、運行費用低的粉塵防治技術，本文對高桿噴霧抑塵技術在散貨碼頭防塵、抑塵方面的應用原理、方法和關鍵應用技術進行了探索，為其在國內(nèi)散貨碼頭防塵、抑塵方面的推廣應用提供指導。

1 高桿噴霧防塵抑塵機理和控制范圍

1.1 高桿噴霧防塵抑塵機理和工作方式

高桿噴霧防塵抑塵機理是將防風抑塵網(wǎng)的減風抑塵原理與濕法除塵原理集成，利用風能將霧化后的水珠顆粒傳送的更遠，讓霧化的小顆粒更好的覆蓋整個料場。小顆粒水霧在飄散一定距離后，在重力的作用下下落，與現(xiàn)場揚起的少量粉塵結(jié)合后重量增加，可有效沉降，在下降過程中又可以捕獲更多上揚的物料顆粒，從而達到抑塵的目的。

減風抑塵網(wǎng)的工作原理（如圖1所示），通過設置防風抑塵網(wǎng)，在防護區(qū)域內(nèi)最大限度地降低風能，消滅渦旋氣流，遏制揚塵，達到治理粉塵污染的目的。網(wǎng)后方（下游）形成風力微弱、均勻、平直、穩(wěn)定的流動，因而不會造成強渦流和垂直氣流擾動而產(chǎn)生的顆粒物起塵、上揚。由于影響料場起塵的因素不僅僅是風能，還包括空氣濕度、物料種類等。在采用擋風抑塵網(wǎng)有效減小風能的基礎上，在擋風抑塵網(wǎng)上方安裝噴頭，再采用噴霧的方式對空氣進行加濕來更好地抑制堆場揚塵。

圖1 防塵抑塵網(wǎng)工作原理

為了確定加設噴（水）霧噴頭的高度位置，對擋風抑塵網(wǎng)不同高度時的風速分布情況進行了實驗，如圖2所示。

圖2 擋風抑塵網(wǎng)不同高度時的風速分布

實驗結(jié)果表明，在擋風抑塵網(wǎng)高3 m左右風速將達到增加風速的極限，為原有風速的120 %。風速越大，風能越大，造成的起塵量越大，在抑塵網(wǎng)上方高約3 m處風能將增加為原有風能的1.44倍。如果在此高度范圍內(nèi)加設噴（水）霧噴頭，才能將減風抑塵和濕法除塵的結(jié)合達到最佳。

1.2 高桿噴霧防塵抑塵的控制距離分析

風速取臨界起塵速度5.5 m/s，在 20℃的環(huán)境下，假設煤堆高度20 m，高桿噴霧桿頂高40 m，高差20 m。噴頭預選流量2.4 t/h，平均霧粒150～670 μm，7個噴頭，每小時水量16.8 t，計算高桿噴霧作用距離。

1）煤堆起塵量的計算

煤堆起塵量按式（1）計算：

式中：Qm為煤堆起塵量，mg/s；U為臨界起塵風速，U≥5.5 m/s；S為煤堆表面積，m2，假設表面積為100 m2；ω為空氣相對濕度，取60 %；W為煤物料濕度，取6 %。

計算結(jié)果表明，在 5.5 m/s風速時起塵量為4.46 t/h。

2）高桿噴霧作用距離的估算

根據(jù)計算條件，分別計算150～670 μm顆粒的雷諾數(shù)K。

式中：dp為顆粒直徑，取670 μm；pρ為顆粒物密度，水密度取1 000 kg/m3；ρ為介質(zhì)密度，20℃時空氣密度為1.205 kg/m3；μ為介質(zhì)粘度，20℃時空氣粘度 1.18×105Pa·s。

670 μm 顆粒的雷諾數(shù)K=4.8×105＞3.3×105，說明其流動處于湍流區(qū)，按式（2）計算沉降速度。經(jīng)計算得Ut＝4.1 m/s，說明20 m高度下落需4.9 s，在5.5 m/s風速作用下4.9 s的水平距離為27 m。

150 μm 顆粒的雷諾數(shù)K=2.4×105＜3.3×105，說明其流動處于過渡區(qū)，沉降速度按式（3）計算，經(jīng)計算得Ut＝0.57 m/s。說明 20 m 高度下落需35.1 s，在5.5 m/s風速作用下4.9 s的水平距離為193 m。因此，當高差20 m時，在煤堆最小揚塵臨界風速時，高桿噴霧可在下風側(cè)190 m范圍起到抑塵作用，如圖3所示。

圖3 高桿噴霧防塵抑塵的控制距離

根據(jù)圖2的柔性抑塵網(wǎng)的風速分布，一個15 m高的防風墻能產(chǎn)生大約75 m的緩風區(qū)。從75 m到150 m的范圍，風速將回升到上游風速的 50 %。150 m以外，風速將迅速回升。可見高桿噴霧和抑塵網(wǎng)的結(jié)合可以將控制距離由原來的90 m增加到190 m。

2 高桿噴霧抑塵應用的關鍵技術

2.1 高桿噴霧裝置的布置原則

根據(jù)高桿噴霧防塵抑塵的工作原理和工作方式，并結(jié)合防風抑塵網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，高桿噴霧裝置間距一般與防風抑塵網(wǎng)支撐間距相同，但不應小于18 m。高桿噴霧裝置的布置高度應位于防風抑塵網(wǎng)上方3 m左右，每組單排橫向布置7只噴頭，間距0.5 m，橫桿總寬度3 m。

2.2 噴頭、加壓泵的選型

噴頭以輕便為宜，材質(zhì)以耐腐蝕為宜，噴射的平均霧粒直徑 300～700 μm。

根據(jù)噴頭的額定工作壓力及管路損失選用加壓泵，多級離心泵為首選，也可與堆場其它供水灑水的供水泵合用。

2.3 管路

每組高桿噴霧裝置的供水支管應沿防風抑塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)柱架設，可選用高壓軟管，方便維修拆裝。管路最低點設置手動閥及自動泄水閥，冬季可實現(xiàn)自動泄水。

2.4 供電控制

每組高桿噴霧裝置的供水管均設置電動閥，并由中控室集中控制，可根據(jù)現(xiàn)場氣象條件開啟上風高桿噴霧裝置，從而達到抑塵效果，噴灑時間可根據(jù)現(xiàn)場情況自由確定。

3 高桿噴霧防塵抑塵應用的實驗驗證

3.1 實驗設備

實驗設備包括：1）桿高24 m，橫桿3 m均布的7只噴頭；2）噴頭為3/4BD-SS25空心錐，平均霧粒直徑300～700 μm；3）不銹鋼立式多級離心泵2×7.5 kW，流量12 m3/2 MPa；4）高壓軟管50 m。

3.2 實驗配置流程

根據(jù)如圖4所示的高桿噴霧配置方式和配置流程，24 m高桿采用桁架結(jié)構(gòu)，由四段連接而成，兩段之間以法蘭方式用螺栓拼接。水泵使用立式多級離心泵 CDLF8_18，為滿足噴頭水量要求，采用雙泵并聯(lián)的方式供水。

圖4 高桿噴霧配置流程

3.3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，在風速大于5 m/s時，水霧的作用范圍約為120～160 m；考慮風速加強后，水霧的作用范圍為172～230 m?？紤]到現(xiàn)實中水份蒸發(fā)及“壁效應”的影響，300～700 μm霧粒直徑的漂浮距離實驗值比理論計算值小 1/4。由此推算，若選用霧粒直徑在100～500 μm的噴頭，其最大有效范圍預計在180～200 m。驗證了高桿噴霧裝置在防塵抑塵方面的有效性。

4 結(jié) 語

通過對高桿噴霧防塵抑塵機理和控制范圍的理論和實驗研究，確立了對設有防風抑塵網(wǎng)的散貨堆場，應利用防風抑塵網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)布置高桿噴霧系統(tǒng)，間距應不小于18 m，在防風抑塵網(wǎng)上方3 m處設噴霧裝置，利用風能將霧化后的水珠顆粒傳送的更遠，使霧化的小顆粒更好地覆蓋料場。水霧顆粒與現(xiàn)場揚起的粉塵顆粒凝結(jié)，在重力作用下下落，在下降過程中又可以捕獲更多上揚的粉塵顆粒，從而達到抑塵的目的。高桿噴霧抑塵技術在煤炭礦石堆場的應用研究成果，可推廣在港口或相關行業(yè)應用，實現(xiàn)港口節(jié)能減排和環(huán)境保護的目標。