單流體與雙流體綜合除塵系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

蘇雁，曹曉東

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

1 概述

近年來國家對環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越高，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約束不同污染物的排放。煤炭港口領(lǐng)域在物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中通常采用靜電除塵、布袋除塵等方式去除粉塵。近年來出現(xiàn)干霧抑塵[1]，即使用氣水混合的方式除塵，但其在氣水比例調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、冬季防凍、自動控制等方面均存在問題。

美國科羅拉多學(xué)院在1976年發(fā)表研究理論：“水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時(shí)吸附、過濾、凝結(jié)的機(jī)率最大”[2]?；诖死碚撻_發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單流體與雙流體綜合除塵系統(tǒng)，雙流體系統(tǒng)能夠產(chǎn)生直徑1～30μm的水霧顆粒，對懸浮在空氣中的粉塵，特別是對直徑在5μm以下的可吸入粉塵顆粒能夠有效地吸附、沉降去除[3]。單流體系統(tǒng)能夠產(chǎn)生直徑30～50μm的水霧，用于處理大顆粒粉塵。

2 傳統(tǒng)除塵方式

2.1 傳統(tǒng)除塵方式的比較

為了去除散貨煤碼頭粉塵，工程中經(jīng)常用到以下除塵方式，但均存在投資成本高，運(yùn)行維護(hù)不便，不能很好地收集無組織排放粉塵等弊端。

1） 靜電除塵

利用靜電場使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法。在強(qiáng)電場中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過程中遇到塵粒，使塵粒帶負(fù)電吸附到正極被收集[4]。

弊端：運(yùn)行成本高，在處理無組織排放粉塵方面效果較差。

2） 布袋除塵

布袋除塵器是一種干式除塵裝置。當(dāng)含塵氣體進(jìn)入布袋除塵器，顆粒大、比重大的粉塵，沉降落入灰斗，含有較細(xì)小粉塵的氣體在通過濾料時(shí)，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。

弊端：投資成本高，運(yùn)行維護(hù)不便，不能很好地收集無組織排放粉塵。

3） 干霧抑塵

干霧抑塵裝置是由壓縮空氣驅(qū)動的聲波震蕩器，通過高頻聲波將水高度霧化，形成1～10μm直徑的水霧顆粒。壓縮氣流通過噴嘴共振室將水霧顆粒以柔軟低速的霧狀方式噴射到粉塵發(fā)生點(diǎn)，粉塵聚結(jié)而墜落，達(dá)到抑塵目的[5]。

弊端：此系統(tǒng)噴霧形式單一，水霧粒徑主要集中在 1～10μm，很難沉降直徑在10μm以上的無組織排放粉塵。

2.2 市場調(diào)研

靜電除塵、布袋除塵、干霧抑塵在黃驊港二期擴(kuò)容、黃驊三期、神華珠海一期項(xiàng)目中均有應(yīng)用。根據(jù)業(yè)主反饋的信息并實(shí)地考察得出：靜電除塵、布袋除塵方式存在較多的弊端，不能很好地發(fā)揮作用。干霧抑塵系統(tǒng)可節(jié)能省水，但其在氣水比例調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、冬季防凍等方面均存在問題。

鑒于以上結(jié)果，散貨煤碼頭環(huán)保領(lǐng)域亟需一種投資小、運(yùn)行維護(hù)成本低、除塵效率高的新型產(chǎn)品。單流體與雙流體綜合除塵系統(tǒng)的研發(fā)解決了以上問題。

3 系統(tǒng)原理

1）空氣動力學(xué)原理

根據(jù)空氣動力學(xué)理論，含塵氣流繞過霧滴時(shí)，塵粒由于慣性會從繞流的氣體中偏離而與霧滴相撞被捕捉，其被捕捉的幾率與霧滴直徑有關(guān)，當(dāng)霧滴直徑與塵粒直徑相近時(shí)，霧滴更易捕捉到塵。研究表明，霧滴直徑與塵粒直徑之比k的范圍在1.25＜k＜5 內(nèi)時(shí)，捕塵效果最佳[6]。

2）云物理學(xué)原理

20μm以下的微細(xì)霧滴會部分在空氣中迅速蒸發(fā)，使得局部密閉的捕塵空間中空氣的相對濕度很快飽和，飽和后的水汽以塵粒為核凝聚，形成“雨”降落下來，這對抑制亞微米級的超微細(xì)粉塵特別有效[7]。

3）“斯蒂芬流”輸送機(jī)理

在噴霧區(qū)內(nèi)液滴迅速蒸發(fā)時(shí)，必然會在液滴附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動擴(kuò)散的斯蒂芬流。同樣當(dāng)蒸汽在某一核上凝結(jié)時(shí)也會造成核周圍蒸汽濃度的不斷降低，形成由周圍向凝結(jié)核運(yùn)動的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區(qū)中的呼吸性粉塵顆粒必然會在斯蒂芬流的輸送作用下運(yùn)動，最后接觸并粘附在凝結(jié)液滴上被濕潤捕集。即：當(dāng)某一區(qū)域的粉塵被干霧捕集沉降后，其它高濃度區(qū)域的粉塵會在斯蒂芬流的輸送作用下運(yùn)動過來，進(jìn)而持續(xù)與干霧接觸碰撞，直至完成整個捕集過程[7]。

4 系統(tǒng)組成

1）空壓機(jī)及儲氣罐

空壓機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，通過儲氣罐的緩沖作用，使輸出空氣壓力平穩(wěn)，同時(shí)降低壓縮空氣溫度，除去水、灰塵、雜質(zhì)。

2）智能噴霧主機(jī)

智能噴霧主機(jī)主要起到控制水氣輸出流量及壓力的作用。主機(jī)內(nèi)部集成有自動過濾系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、斷水保護(hù)系統(tǒng)、自動供水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、自動吹掃系統(tǒng)、自動供氣系統(tǒng)等。主機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性好，自動化程度高。

3）噴嘴

單流體噴嘴產(chǎn)生直徑30～50μm的水霧；雙流體噴嘴采用氣水混合方式，產(chǎn)生直徑1～30μm的水霧。水霧與粉塵顆粒相互接觸、碰撞、凝聚變大，并在自身重力作用下沉降，完成整個抑塵過程。

根據(jù)物料轉(zhuǎn)接與裝卸起塵情況，將單流體噴嘴與雙流體噴嘴組合布置。在拓寬噴霧粒徑范圍的基礎(chǔ)上，通過多樣化的噴霧形式，實(shí)現(xiàn)高效快速抑塵。常用噴嘴噴霧類型見圖1。

4）系統(tǒng)工藝流程圖

系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。

圖1 噴嘴噴霧類型Fig.1 Nozzle spray pattern

圖2 工藝流程圖Fig.2 Processflow diagram

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 皮帶機(jī)轉(zhuǎn)接點(diǎn)

在煤炭運(yùn)輸過程中，物料在上部皮帶機(jī)沿溜槽下落至下部皮帶機(jī)時(shí)，因勢能和動能之間的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了很大的沖擊力，使卸料漏斗與導(dǎo)料槽內(nèi)的粉塵在短時(shí)間內(nèi)聚集增加進(jìn)而向周圍環(huán)境擴(kuò)散，污染作業(yè)場所的空氣，危害作業(yè)人員的健康。

在皮帶機(jī)物料轉(zhuǎn)接點(diǎn)安裝單流體與雙流體綜合除塵系統(tǒng)可有效解決以上問題（見圖3）。

圖3 導(dǎo)料槽噴霧噴嘴布置圖Fig.3 Layout of thenozzlespray of guidematerial groove

該系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)現(xiàn)場情況自動控制。當(dāng)皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，單流體抑塵系統(tǒng)開啟，水霧顆粒打濕皮帶帶面抑制因振動產(chǎn)生的皮帶揚(yáng)塵。當(dāng)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)接點(diǎn)開始卸料時(shí)，卸料漏斗及導(dǎo)料槽內(nèi)會充斥著不同顆粒直徑的煤塵，單流體錐形噴嘴、雙流體錐形噴嘴分別產(chǎn)生直徑為30～50μm、10～30μm的水霧顆粒，迅速沉降與之直徑大小相當(dāng)?shù)拿悍蹓m顆粒。雙流體扇形噴嘴產(chǎn)生直徑1～10μm的水霧顆粒，形成扇形水霧保護(hù)層，防止小顆粒煤粉塵逸出，最終實(shí)現(xiàn)高效快速抑塵。

5.2 翻車機(jī)系統(tǒng)

翻車機(jī)系統(tǒng)翻卸作業(yè)會產(chǎn)生大量煤塵。最底層為落料底點(diǎn)，粉塵顆粒較大，除塵所需霧化顆粒較大，適合采用單流體噴嘴來抑塵；落料起點(diǎn)處為小顆粒粉塵聚集處，粉塵顆粒一般在1～10 μm之間，適合采用雙流體噴嘴來抑塵。

由于水霧顆粒和塵埃粒徑相似或者相同，粉塵顆粒受霧化顆粒吸附而逐漸聚結(jié)成粉塵顆粒團(tuán)。粉塵顆粒團(tuán)由于自身的重力作用而沉降，達(dá)到除塵目的，同時(shí)起到封塵作用。翻車機(jī)除塵布置方式見圖4。

6 結(jié)語

自行研發(fā)的單流體與雙流體綜合除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，用水量小，運(yùn)行費(fèi)用低，能夠有效解決散貨煤碼頭物料轉(zhuǎn)接作業(yè)點(diǎn)除塵存在的技術(shù)難題，大幅提高了除塵效率。該系統(tǒng)可以延伸應(yīng)用至鋼鐵、電力、礦業(yè)等行業(yè)。