粉塵控制新技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳勝波 摘譯

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

?

國外工程技術(shù)

粉塵控制新技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳勝波 摘譯

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

對于處理和加工“粉狀”松散物料的行業(yè)來說，可持續(xù)運(yùn)營和發(fā)展正面臨著不斷增加的困難和挑戰(zhàn)(例如，環(huán)境和工廠的粉塵排放、社會和文化的影響、經(jīng)濟(jì))。大部分現(xiàn)有粉塵控制措施僅處理粉塵產(chǎn)生的“癥狀”，而不是從根本上解決問題。從控制粉塵排放的角度講，這些措施的效果也不理想(除塵是一種最常用的粉塵控制形式，但同時(shí)也是一種效率最低的收集或控制粉塵的方法)。

本文首先總結(jié)了現(xiàn)有的各種粉塵控制方法以及部分方法的特點(diǎn)、優(yōu)勢和劣勢。隨后，將描述部分正在研究、開發(fā)和應(yīng)用的新技術(shù)，這些新技術(shù)通過追蹤分散性或含塵量，粉塵產(chǎn)生機(jī)制以及加工和處理的要求等，將粉塵排放控制到最低。本文也將展示以下研究的部分成果：

(1)量化松散物料含塵量或分散性方法的比較與評估(采用圓筒含塵量測試器及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn))

(2)高能干霧技術(shù)的開發(fā)與實(shí)施(用于抑制空氣中的粉塵)

(3)空氣和粉塵產(chǎn)生的機(jī)制，包括建模和計(jì)算機(jī)模擬

隨著對粉塵產(chǎn)生機(jī)制以及對松散物料含塵量了解的深入，有可能在設(shè)計(jì)，故障排除以及更有效地應(yīng)用粉塵控制技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)跨越式的進(jìn)步。

粉塵； 含塵量； 測試； 建模； DEM； 高能干霧技術(shù)

1 簡介

松散物料的開采與加工產(chǎn)生的分散性粉塵的排放正在給工業(yè)，社會和政府帶來越來越多的問題。例如：

(1)有價(jià)物料的損失和出口收入減少。

(2)工廠粉塵排放不斷增加。

(3)工業(yè)直接成本不斷上升：如粉塵監(jiān)控/測試；控制，維修和清掃工作；零部件提前損耗；生產(chǎn)/工廠停工；罰款和預(yù)防條例；項(xiàng)目被否決(如新的采礦申請)。

(4)環(huán)境空氣質(zhì)量惡化以及工人和周邊社區(qū)人員健康狀況惡化。

(5)居民投訴(如粉塵落入社區(qū)及社區(qū)房屋上)。

(6)在公路/鐵路沿線，在破碎站、卸料漏斗周圍，在輸送機(jī)下面形成一層粉塵，之后又脫落。

(7)為保護(hù)健康和環(huán)境，管理者制定更加嚴(yán)格的空氣質(zhì)量指標(biāo)，需要更多復(fù)雜的控制和檢測手段。

(8)采礦和加工作業(yè)、以及散料轉(zhuǎn)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施與居民區(qū)交叉重合不斷增加。

(9)為了處理上述問題，政府職能、司法及法律工作等不斷增加(如新部門、新法案、新規(guī)定)。

隨著松散物料采礦、加工作業(yè)數(shù)量的增加，特別是由于產(chǎn)品粒度變得更細(xì)，上述問題更加惡化?？刂品稚⑿苑蹓m排放的常用(傳統(tǒng))方法包括：

一般性通風(fēng)(即稀釋空氣中的粉塵濃度)；

密閉(通常采用整體過濾)；

“推- 拉”系統(tǒng)(采用“氣刀”或“氣幕”概念)

抑制粉塵的表面處理，(通過水、化學(xué)品、添加劑或泡沫)對鐵路車箱、卡車、堆存的貨品在其暴露的表面進(jìn)行“密封”；

噴水或噴霧系統(tǒng)，以抑制空氣中的粉塵顆粒；

粉塵凝聚(通過電離或超聲)；

就地排氣通風(fēng)(LEV)，也就是通過過濾進(jìn)行除塵；

風(fēng)障或擴(kuò)散(如樹、墻、網(wǎng))；

植被(如草，灌木)幫助捕集/固定粉塵，在大而平的區(qū)域內(nèi)將空中的粉塵擴(kuò)散降到最低。

這些粉塵控制措施中的大部分僅處理粉塵產(chǎn)生的“癥狀”，被認(rèn)為是“保護(hù)性”方法(即，這些措施沒有從根本上解決問題)。從控制分散性粉塵排放的角度講，部分措施的效果也不理想。例如：

(1)就地排氣通風(fēng)需要抽吸/真空氣流，捕集空氣中粉塵的效果不太理想， 如圖1所示的排氣(控制)速度在離開防護(hù)罩時(shí)會迅速降低；

(2)傳統(tǒng)的噴水/霧化系統(tǒng)噴嘴在處理較細(xì)粉塵時(shí)效果不理想，源于氣流和外部干擾因素，如側(cè)風(fēng)；

(3)當(dāng)處理過的貨品表面破裂或受損時(shí)，需要重新處理抑制粉塵的表層(如，卡車和鐵路車箱裝卸，筑堆和卸堆)。

圖1 簡單排氣罩的速度等高線：(a)平口管； (b)帶法蘭平口管

以下幾點(diǎn)已被確定是部分分散性粉塵排放的主要原因或“麻煩制造者”：原礦漏斗；卡車/鐵路卸料站卸料漏斗；筑堆機(jī)/卸堆機(jī)；輸送機(jī)和溜槽；破碎站；露天礦運(yùn)輸?shù)缆?，卡車在道路上不斷產(chǎn)生/揚(yáng)起細(xì)粉塵，后者很容易隨側(cè)風(fēng)擴(kuò)散開來。

為了在了解和解決工業(yè)分散性粉塵排放的問題方面取得“跨越”式進(jìn)步，需要進(jìn)行更多的基礎(chǔ)研究工作以找到上述問題的解決辦法。本文對伍倫崗大學(xué)(University of Wollongong)為此所做的部分研究及開發(fā)的新技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

2 含塵量或分散性

對問題進(jìn)行量化是設(shè)計(jì)或解決粉塵控制系統(tǒng)問題重要的初始步驟。能夠用于量化松散物料含塵量的標(biāo)準(zhǔn)有：AS4156.6(2000)，最初用于煤炭領(lǐng)域；I.S.EN15051(2006)，適用于更多種類的松散物料。圖2顯示了基于上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兩種不同的轉(zhuǎn)筒式含塵量測試器，以及正在進(jìn)行測試的部分物料：左邊的AS4156.6(2000)測試器內(nèi)為干沙，右邊的I.S.EN15051(2006)測試器內(nèi)為干鐵礦。用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試確定了可能會影響兩種圓筒測試結(jié)果的精確度和正確性的某些關(guān)鍵區(qū)別。表1總結(jié)了這些關(guān)鍵的區(qū)別。從圖2可以看出，每個(gè)測試器所需物料的數(shù)量差別很大(例如1 000 mL對35 mL)。這將影響粉塵收集的數(shù)量。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，旋轉(zhuǎn)速度和除塵氣流的不同也將影響粉塵產(chǎn)生/收集的數(shù)量。

表1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)筒測試規(guī)范的對比

圖2 轉(zhuǎn)筒含塵量測試器：AS4156.6(2000) (左)；I.S.EN15051(2006)(右)

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的總體目的或關(guān)注點(diǎn)也有根本性差異。AS4156.6(2000)主要解決粉塵/濕度的關(guān)系，以及如何確定某種特殊松散物料的粉塵消滅濕度(DEM)。算式(1)用于確定試驗(yàn)中某一特定濕度下的粉塵數(shù)量(含塵量)。不同濕度下的粉塵數(shù)量繪制在圖3所示的對數(shù)線性圖中。AS4156.6(2000)描述了對數(shù)趨勢線如何與數(shù)據(jù)相吻合，并且用于確定物料的DEM。DEM被定義為粉塵數(shù)量為10時(shí)的濕度。

粉塵數(shù)量=(粉塵質(zhì)量，g)×

105/(轉(zhuǎn)筒內(nèi)放置的樣品質(zhì)量，g)

(1)

圖3顯示根據(jù)煤的種類不同，煤炭的DEM變化會很大，從5.8%到26.2%(濕基)，并且粉塵/濕度關(guān)系的斜率或是較陡，或是較平緩。這些數(shù)據(jù)和趨勢對于粉塵控制效率會有很大影響。

圖3 幾種澳大利亞煤的粉塵/濕度曲線，粉塵 消滅濕度=5.8%～26.2%(濕基) (AS4156.6，2000)

I.S.EN15051(2006)注重于對工廠排放的某個(gè)特定粉末樣品的含塵量或分散性進(jìn)行測定和分類，以可吸入胸部和呼吸道的粉塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)。如果可吸入粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)(IDMF)顯示大于5 000 mg/kg，那么粉末樣品的含塵量就歸類為“高”。雖然在I.S.EN15051(2006)中沒有描述，粉塵/濕度關(guān)系也可以通過簡單反復(fù)地進(jìn)行不同濕度的測試來確定。算式(2)可用于計(jì)算這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的定量關(guān)系。

I.S.EN15051(2006)=10×

粉塵數(shù)量(AS4156.6，2000)

(2)

截止目前已進(jìn)行的研究，確定有些問題可能是目前這兩個(gè)轉(zhuǎn)筒測試的局限或錯(cuò)誤原因。兩個(gè)潛在的重要問題總結(jié)如下。

AS4156.6(2000)規(guī)定的粉塵/濕度指數(shù)曲線不一定適用于所有的松散物料，并且可能會形成如圖4所示的誤導(dǎo)結(jié)果。根據(jù)AS4156.6(2000)所采用的方法，這一物料的DEM確定為12%(濕基)，然而，根據(jù)平滑趨勢線，DEM應(yīng)為11%(濕基)?？傊?，后一種更接近于準(zhǔn)確，更能代表松散物料的情況。

當(dāng)濕度接近于DEM時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)均能看到一些產(chǎn)品附著(見圖5)。這類附著預(yù)計(jì)會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

圖4 采用不同曲線擬合方法的礦石粉塵/濕度 關(guān)系：基于AS4156.6(2000)的指數(shù) 曲線和平滑趨勢曲線

為了調(diào)查兩種標(biāo)準(zhǔn)可能的區(qū)別， 已經(jīng)開展“平行”試驗(yàn)。圖6中的示例是用鐵礦石進(jìn)行試驗(yàn)獲得的一些典型結(jié)果。圖6所示的粉塵消滅濕度結(jié)果差異(也就是根據(jù)AS4156.6 DEM=5.2%(濕基)，根據(jù)I.S.EN15051 DEM為3.8%(濕基))表明，控制粉塵所需的濕度存在著明顯差別。

對含塵量測試的一些可能的關(guān)鍵改進(jìn)措施也進(jìn)行了研究，例如：

收集全部粉塵樣品并確定其粒度分布(PSD)，這樣，就可以確定可吸入胸部和呼吸道粉塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

重新設(shè)計(jì)除塵室、輸送管道以避免粉塵沉積。

通過在每個(gè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)進(jìn)行氣流模擬建模，研究系統(tǒng)對耦合DE- CFD(離散元素- 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))可能產(chǎn)生的影響。

為了開發(fā)一種可靠實(shí)用的含塵量測試器，已經(jīng)進(jìn)行了上述這些改進(jìn)，使測試器能適用于典型的松散物料樣品，且沒有任何系統(tǒng)性誤差或依賴操作者。

圖5 (a)8.1%濕基(DEM=11%濕基)礦石 含塵量測試； (b)1.6%濕基(DEM=2.8%濕基)精礦含塵測試

圖6 基于AS4156.6(2000)和I.S.EN15051 (2006)的礦石含塵量和DEM

3 高能干霧技術(shù)

為了使噴水或噴霧系統(tǒng)在控制/抑制空氣中粉塵效果理想，霧化效率和能量應(yīng)與產(chǎn)出流速，工藝驅(qū)動(dòng)氣流，以及任何外部干擾如側(cè)風(fēng)，移動(dòng)設(shè)備或障礙物等相適應(yīng)。其他需要考慮的因素包括：

粉塵粒度分布和濃度；

水滴粒度分布；噴嘴設(shè)計(jì)(例如空氣- 水；僅用水)；

水質(zhì)(例如化學(xué)成分，雜質(zhì))；

粉塵顆粒和空氣(包括陣風(fēng))的慣性和動(dòng)量；

水滴的慣性和動(dòng)量；

氣混水滴動(dòng)態(tài)“平衡”；

方位(如工廠平面布置；面積)。

從霧簾效率研究中獲得的部分結(jié)果見圖7和圖8。該工作是與Enviromist有限公司共同進(jìn)行的，以解決工業(yè)中的粉塵難題，如運(yùn)輸機(jī)，破碎站，堆料/卸料機(jī)，軌道反斗車、裝載車等。

圖7 新型Enviromist高能干霧噴嘴特點(diǎn)及模型

圖8 新型Enviromist噴嘴水滴粒度分布

4 粉塵產(chǎn)生機(jī)制

理解粉塵產(chǎn)生機(jī)制并進(jìn)行建模，將大大有助于從根本上解決分散性粉塵排放的問題。這也將有助于對某個(gè)產(chǎn)品和應(yīng)用所需的粉塵控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并將最終的規(guī)模和成本降到最低。圖9中描述的問題，已經(jīng)從試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬方面進(jìn)行了研究。圖9中所示的控制量要比容器內(nèi)產(chǎn)生的空氣總量更大(否則，含塵空氣會從容器進(jìn)口被擠出)。其他分散性粉塵排放源可能包括由于如下原因從主產(chǎn)品線上脫離的粉塵：邊界層湍流和渦流；側(cè)風(fēng)效應(yīng)。

圖9 松散物料自由落體時(shí)產(chǎn)生的氣流和粉塵

容器內(nèi)“產(chǎn)生”的總空氣量包括：從漏斗出口處進(jìn)入的產(chǎn)品排放的間隙空氣(由于漏斗內(nèi)空隙度擴(kuò)大)；物料流動(dòng)拽入的空氣(被視為引風(fēng))；夾帶空氣(由于松散物料自由落體進(jìn)料時(shí)空隙度擴(kuò)大)；排出空氣(由于顆粒進(jìn)入容器內(nèi))。

經(jīng)驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，夾帶空氣是其中最主要的，即便在落差相對較小時(shí)也是如此。例如，Cooper 和 Wypych (2001)發(fā)現(xiàn)，夾帶空氣與因落差升高的能

量是成比例的，即n=5/3。有意思的是CEMA(2007)為夾帶空氣(引風(fēng))提出了一個(gè)等式，協(xié)助進(jìn)行輸送機(jī)粉塵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該等式可以簡單地表示落差指數(shù)，n=2/3。這意味著，落差翻倍將會導(dǎo)致夾帶空氣量(及相應(yīng)的控制體積)增加60%。然而，根據(jù)試驗(yàn)證實(shí), 落差翻倍實(shí)際將會導(dǎo)致夾帶空氣增加220%(而不是60%)。因此可以看出，CEMA(2007)明顯低估落差對夾帶空氣的影響(以及有效控制粉塵所需的控制體積)。

5 離散元素(DE)模擬建模

上世紀(jì)70年代以來，離散元素(DE)模擬建模已成為廣泛的研究課題。Grima和Wypych(2011)最近同時(shí)開發(fā)了新驗(yàn)證校準(zhǔn)技術(shù)(見圖10)和DEM解決方案。這有利于應(yīng)用DE模擬技術(shù)設(shè)計(jì)和解決“動(dòng)態(tài)”松散物料的應(yīng)用問題，例如輸送機(jī)，溜槽，篩子等。不僅可對“全流程”的產(chǎn)品物流(見圖11)，也可對氣流和粉塵流向建模，以幫助從源頭上將粉塵的產(chǎn)生降到最低(也就是說，對準(zhǔn)問題的根源)。

圖10 驗(yàn)證校準(zhǔn)技術(shù)流程圖

圖11 采用校準(zhǔn)物料模型的輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn) 總體DE模擬

這種新的“全局”或“總體解決方案”式的建?；蛟O(shè)計(jì)方法的目的，是為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)作業(yè)，同時(shí)使粉塵的產(chǎn)生和排放最小，同時(shí)含塵氣流更容易保持在運(yùn)輸機(jī)/溜槽罩內(nèi)，且顆粒的影響也降到最低。這有助于將后續(xù)各種粉塵控制措施的規(guī)模和成本降到最低。

6 結(jié)論

松散物料開采和加工時(shí)產(chǎn)生的分散性粉塵排放正在給工業(yè)，社會和政府帶來越來越多的問題。大部分現(xiàn)有粉塵控制措施僅解決灰塵產(chǎn)生的“癥狀”，被認(rèn)為是“保護(hù)性”方法。為了在解決工業(yè)分散性粉塵排放問題方面取得“跨越”式進(jìn)步，目前正在進(jìn)

行新技術(shù)的研究與開發(fā)，例如：松散物料含塵量的量化和建模；可優(yōu)化以適應(yīng)不同應(yīng)用的新霧化抑制系統(tǒng)；對產(chǎn)品物流、氣流和粉塵流的校準(zhǔn)/驗(yàn)證模擬建模，以便量化和對準(zhǔn)導(dǎo)致問題的根源。

粉塵控制領(lǐng)域仍需要開展進(jìn)一步的工作，包括含塵量測試的標(biāo)準(zhǔn)化以及接下來的粉塵消滅濕度確定；持續(xù)不斷的“全顆粒”粉塵抑制技術(shù)的研究與開發(fā)，產(chǎn)品可以在裝上火車或卡車前在礦山就地進(jìn)行處理；適用于大型應(yīng)用(例如，原礦漏斗，筑堆/卸堆機(jī)，卡車/鐵路卸貨站，運(yùn)輸?shù)缆?的新型高能霧化技術(shù)的研究與開發(fā)；耦合離散元素- 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的開發(fā)，該模型可以為設(shè)計(jì)預(yù)測產(chǎn)品物流，氣流和粉塵流。

校對 蘇平

電鍍鎳鐵合金電極助力電解水制氫技術(shù)

澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究人員發(fā)明了一種新型電極，可以低成本、高效率地電解水，有望用于大規(guī)模生產(chǎn)清潔燃料——?dú)錃狻?/p>

該技術(shù)采用了一種價(jià)格低廉、有特殊涂層的泡沫狀材料，能使電解水產(chǎn)生的氧氣氣泡快速逸散，從而提高制取效率。相關(guān)論文發(fā)表在近期的英國《自然通訊》雜志上。

研究人員稱，這種電極是迄今在堿性電解質(zhì)中產(chǎn)氧效率最高的電極。它使用鎳和鐵為原料，成本低廉、容易制造，不像其他電解水技術(shù)那樣需要用珍貴的稀有金屬作為催化劑和電極材料。

在電解水的過程中，水在電流作用下被分解成氫氣和氧氣。產(chǎn)氧電極的效率低、成本高、需要消耗大量電力，是電解水制氫實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要技術(shù)難關(guān)之一。

研究人員采用了市面上常見的泡沫鎳，用一種活性很高的鎳鐵合金催化劑對其進(jìn)行電鍍，制成電極。泡沫鎳材料內(nèi)部有許多微孔，直徑約200 μm，約為人類頭發(fā)直徑的兩倍。超薄的鎳鐵合金鍍層里面也有大量微孔，直徑約50 nm。

由于鍍層和內(nèi)部都充滿微孔，新型電極的表面積非常大，有利于電解過程中生成的氧氣的釋放和逸散。氧氣氣泡逸散不夠快，是一個(gè)降低電極利用率的普遍問題。

研究人員表示，將進(jìn)一步研究其中原理、優(yōu)化性能，幫助早日實(shí)現(xiàn)低成本制氫。氫的燃燒產(chǎn)物是水，不會產(chǎn)生二氧化碳和其他污染物，是一種清潔高效的能源，如果能大規(guī)模低成本制取，將有助于滿足世界日益增長的能源需求，同時(shí)減少污染、遏制全球變暖。

Research and application of new dust control technologies

Translated selectively by CHEN Sheng-bo

This paper summarizes initially the various existing options available for dust control and some of their features, advantages and disadvantages that are being researched, developed and employed to minimized dust emissions by addressing dustability or dustiness, dust generation mechanisms, as well as processing and handling requirements. The paper also presents some results from research being undertaken on the:·comparison and evaluation of methods to quantify the dustiness or dustability of bulk materials;·development and implementation of high-energy dry-fogging technology;·air and dust generation mechanisms, including modeling and computer simulation.

dust； dustability; test； modeling； DEM; high-energy dry-fogging technology

陳勝波(1982—)，男，湖北天門人，碩士，中國恩菲工程技術(shù)有限公司外事辦英文翻譯。

2015-- 05-- 10

TD714

B

1672-- 6103(2015)04-- 0001-- 06