堆場(chǎng)揚(yáng)塵影響因素及抑塵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

陳俊博，王茂玉，胡樹(shù)超，陳衛(wèi)東

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅　蘭州 730000）

堆場(chǎng)揚(yáng)塵影響因素及抑塵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

陳俊博，王茂玉，胡樹(shù)超，陳衛(wèi)東

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000）

揚(yáng)塵污染不但造成原料損失，還嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。通過(guò)分析揚(yáng)塵起因及影響因素，列舉分析了能夠抑制揚(yáng)塵的可行性方法，為揚(yáng)塵污染的治理提供借鑒。

揚(yáng)塵；起因；影響因素；抑塵方法

伴隨工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貯存煤炭、礦粉及其他散裝貨物的料場(chǎng)在風(fēng)力作用下極易產(chǎn)生揚(yáng)塵，不但造成原料的損失，還嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，煤場(chǎng)等露天貯存場(chǎng)的揚(yáng)塵污染問(wèn)題已經(jīng)成為各地環(huán)境污染治理的重點(diǎn)。隨著國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，我國(guó)很多城市也已經(jīng)為解決此類(lèi)問(wèn)題提出了相應(yīng)的要求。

1　堆場(chǎng)揚(yáng)塵起因

根據(jù)微觀粒子運(yùn)動(dòng)理論，在風(fēng)力作用下，當(dāng)平均風(fēng)速約等于某一臨界值時(shí)，個(gè)別突出的塵粒受湍流流速和壓力脈動(dòng)的影響開(kāi)始振動(dòng)或前后擺動(dòng)，但并不離開(kāi)原來(lái)位置；堆場(chǎng)中的顆粒只有達(dá)到一定風(fēng)速才會(huì)起塵，這種臨界風(fēng)速稱(chēng)為起動(dòng)風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速增大達(dá)到或超過(guò)臨界值之后，振動(dòng)也隨之加強(qiáng)，拖曳力和上升力相應(yīng)增大并足以克服重力的作用，旋轉(zhuǎn)力矩促使一些不穩(wěn)定的塵粒首先沿著堆場(chǎng)面滾動(dòng)或滑動(dòng)。顆粒群中的小顆粒具有較好的湍流跟隨性，在大氣中呈懸浮狀態(tài)，并在來(lái)流的帶動(dòng)下，隨著氣流一起運(yùn)動(dòng)。由于塵粒幾何形狀和所處空間位置的多樣性以及受力狀況的多變性，在滾動(dòng)過(guò)程中，一部分塵粒由于粒徑較粗，顆粒慣性力較大，在獲得初始動(dòng)能后，并沒(méi)有跟隨氣流一起漂移，而是沿著自身軌跡運(yùn)動(dòng)，在空中滑移跳躍一段時(shí)間，當(dāng)碰到凸起塵粒或被其他運(yùn)動(dòng)塵粒碰撞時(shí)，會(huì)獲得一部分沖量，獲得沖量的塵粒會(huì)迅速改變自己的運(yùn)動(dòng)方式，由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)，隨風(fēng)擴(kuò)散一定距離后沉降下來(lái)。

實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示：堆場(chǎng)起塵量主要與堆場(chǎng)中可起塵部分的粒徑分布及堆場(chǎng)所在地的風(fēng)速大小有關(guān)，煤炭可起塵部分中＜100μm的約占10.01%，＜75μm的約占7.84%，＜10μm的約占0.71%。堆場(chǎng)中的顆粒只有達(dá)到一定風(fēng)速才會(huì)起塵這種臨界風(fēng)速稱(chēng)為起動(dòng)風(fēng)速。一般認(rèn)為煤粒的起動(dòng)風(fēng)速為4.4m/s （50m高處），則其地面風(fēng)速相應(yīng)為2.94m/s［1-2］。

2　堆場(chǎng)揚(yáng)塵的影響因素

粉塵起塵按起塵方式分為靜態(tài)起塵與動(dòng)態(tài)起塵。靜態(tài)起塵是指物料堆存過(guò)程中的起塵，主要與風(fēng)速、物料含水率、物料物理特性等因素有關(guān)；動(dòng)態(tài)起塵是指物料在裝卸過(guò)程中的起塵，主要與風(fēng)速、裝卸落差等因素有關(guān)。對(duì)影響揚(yáng)塵較大的兩個(gè)因素——風(fēng)速和物料含水量進(jìn)行分析。

2.1堆場(chǎng)起塵量與風(fēng)速的關(guān)系

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力使料堆表面顆粒產(chǎn)生的向上遷移的動(dòng)力足以克服顆粒自身重力和顆粒之間的摩擦力以及其他阻礙顆粒遷移的外力時(shí)，顆粒就離開(kāi)堆垛表面而揚(yáng)起。

美國(guó)環(huán)保局針對(duì)小于7μm的飄塵，給出了下面的起塵量計(jì)算公式，見(jiàn)下式［3］。

式中：

Q——起塵量，mg/s；

k——常數(shù)；

u——煤堆表面的風(fēng)速，m/s；

p——煤堆松裝密度，g/cm3；

s——煤堆表面積；

（P-E）——降雨蒸發(fā)指數(shù)；

a、b——相關(guān)系數(shù)，其中2.7≤a≤3.0，2.0≤b≤5.9。

上式主要考慮了風(fēng)速對(duì)起塵量的影響，同時(shí)引入了物料密度和降雨蒸發(fā)指數(shù)的概念，起塵量計(jì)算更加科學(xué)。隨著研究的進(jìn)一步深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，只有風(fēng)速達(dá)到一定程度，風(fēng)洞中的物料才會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)起塵，為此，引入了起動(dòng)風(fēng)速的概念，即煤堆表面出現(xiàn)滾動(dòng)、滑落時(shí)的風(fēng)速值。

2.2堆場(chǎng)起塵量與物料含水率的關(guān)系

試驗(yàn)表明，在一定的風(fēng)速條件下，堆場(chǎng)的起塵量隨其含水率的增加呈指數(shù)衰減。烏魯木齊市煤炭設(shè)計(jì)研究院結(jié)合國(guó)內(nèi)物料的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)踐研究給出了新的煤堆起塵量計(jì)算公式［4］，詳見(jiàn)下式。

Q靜態(tài)=2.1A0（U-U0）3e-1.023w

式中：

Q靜態(tài)——靜態(tài)起塵系數(shù)（kg/（t·a））；

A0——煤炭本身含水率等方面對(duì)起塵量的貢獻(xiàn)；

U——平均風(fēng)速值（m/s）；

U0——起動(dòng)風(fēng)速（m/s），取3.0；

W——煤炭含水率（%）；

該公式計(jì)算簡(jiǎn)單，主要參數(shù)考慮全面，適用性強(qiáng)，應(yīng)用相對(duì)比較廣泛。

貯煤場(chǎng)揚(yáng)塵量受多種因素影響，但以風(fēng)速、煤堆表面積和煤堆表面含水量為主要影響因素，其中風(fēng)速為各影響因素之首。

3　堆場(chǎng)抑塵技術(shù)方法

目前，堆場(chǎng)抑塵主要原理為減小風(fēng)速、增加堆料含水量、減小堆料空隙率等，主要抑塵技術(shù)有灑水抑塵、防風(fēng)網(wǎng)抑塵、化學(xué)抑塵及其他抑塵方法。

3.1灑水抑塵

灑水抑塵是一種最原始、最簡(jiǎn)單的抑塵方法，其作用主要在于潤(rùn)濕顆粒細(xì)小的干燥粉塵，增加粉塵含水量，并粘結(jié)成較大的顆粒，使其相對(duì)密度增大，使之在外力作用下不能飛揚(yáng)［5-6］。灑水抑塵作為最基本的抑塵措施被廣泛應(yīng)用于露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的揚(yáng)塵控制中。灑水操作簡(jiǎn)單易行，但需浪費(fèi)大量水資源，而且噴水系統(tǒng)的噴嘴孔比較小，水質(zhì)如果不合格，極易堵塞噴嘴。針對(duì)灑水抑塵的缺點(diǎn)和不足，許多研究者進(jìn)行改進(jìn)工作，提出泡沫抑塵、高壓噴霧、磁化水和人造雪抑塵等方法。

由于表面物料滲水能力強(qiáng)、抗蒸發(fā)能力差，水分蒸發(fā)很快，特別是氣候干燥地區(qū)蒸發(fā)更快，有效抑塵時(shí)間很短（夏季不足半小時(shí)）。為了要保證物料含一定的水分，耗水量很大，在缺水地區(qū)使用該法要受限制。另外頻繁灑水會(huì)加劇物料自然風(fēng)化的速度，易產(chǎn)生呼吸性粉塵且影響物料性質(zhì)。因而，通過(guò)灑水來(lái)控制揚(yáng)塵受到很大限制。在具體抑塵的過(guò)程中，一般在儲(chǔ)煤場(chǎng)煤堆四周設(shè)置環(huán)形水管以及一些灑水噴槍?zhuān)€可以采用自動(dòng)或半自動(dòng)噴灑的防塵裝置，通過(guò)定時(shí)的給煤場(chǎng)灑水來(lái)達(dá)到抑塵的效果。

3.2防風(fēng)網(wǎng)抑塵

防風(fēng)網(wǎng)是利用空氣動(dòng)力學(xué)的原理，將網(wǎng)前大尺度、高強(qiáng)度的旋渦梳理成小尺度、弱強(qiáng)度旋渦，從而改變網(wǎng)后的微環(huán)境以達(dá)到減弱下游風(fēng)速和流場(chǎng)湍流度的效果，防止粉塵的飛揚(yáng)［7-8］。擋風(fēng)抑塵網(wǎng)一般采用有機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料板或金屬板，利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，按照實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果加工成一定幾何形狀的防風(fēng)板，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件將防風(fēng)板組成“擋風(fēng)抑塵墻”使其通過(guò)的空氣強(qiáng)風(fēng)從外通過(guò)墻體時(shí)，在墻體內(nèi)側(cè)形成上下干擾的氣流，以達(dá)到外側(cè)強(qiáng)風(fēng)、內(nèi)側(cè)弱風(fēng)外側(cè)小風(fēng)，內(nèi)側(cè)無(wú)風(fēng)的效果，從而防止粉塵飛揚(yáng)。

陳振華等［9］對(duì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的防塵機(jī)理、平面布置、設(shè)網(wǎng)參數(shù)及其材質(zhì)等方面做了較系統(tǒng)闡述。防風(fēng)板的形狀有蝶型、直板型等多種形式，據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)檢測(cè)，蝶型防風(fēng)板在一定的開(kāi)孔率下具有明顯地降低風(fēng)速和紊流度的作用，防塵效果好，已得到廣泛應(yīng)用。

研究表明［10］，當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)的高度為料堆高度的0.6～1.1倍時(shí)，網(wǎng)高與抑塵效果成正比；當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)高度為料堆高度的1.1～1.5倍時(shí)，網(wǎng)高對(duì)抑塵效果的影響趨于平緩；當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)高度為料堆高度的1.5倍以上時(shí)，隨著網(wǎng)高的增加抑塵效果無(wú)顯著的變化，因此防風(fēng)網(wǎng)最佳高度為料堆高度的1.1～1.5倍。一般情況下，防風(fēng)抑塵網(wǎng)的高度應(yīng)比料堆高出2m～3m較為適宜。單層防風(fēng)抑塵網(wǎng)的綜合抑塵效果可達(dá)65%～85%，而雙層防風(fēng)抑塵網(wǎng)的效果則可達(dá)75%～95%。設(shè)網(wǎng)方式主要考慮堆場(chǎng)的大小、形狀和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)頻等氣象條件。防風(fēng)抑塵網(wǎng)設(shè)在距堆垛2～3倍堆高的距離處為最佳。對(duì)于由多個(gè)堆垛組成的堆場(chǎng)而言，可視堆場(chǎng)周?chē)闆r，因地制宜地設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)。

3.3化學(xué)抑塵

化學(xué)抑塵技術(shù)主要是通過(guò)使用化學(xué)抑塵劑來(lái)抑制揚(yáng)塵的飛揚(yáng)。依據(jù)作用的不同，化學(xué)抑塵劑一般可分為濕潤(rùn)劑、黏結(jié)劑和凝聚劑3類(lèi)。對(duì)于露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的煤塵抑制，主要是用潤(rùn)濕型煤塵抑制劑和黏結(jié)型煤塵抑制劑。濕潤(rùn)型煤塵抑制劑是在水中添加少量表面活性劑和水分保持劑，將其噴灑在煤堆表面，增加煤堆表面顆粒的濕潤(rùn)性，延長(zhǎng)了防止煤塵飛散的時(shí)間。黏結(jié)性煤塵抑制劑是以高分子樹(shù)脂、表面活性劑為主要成分的化學(xué)藥品，用其稀薄溶液噴灑在煤堆表面上，經(jīng)一定時(shí)間后，形成牢固的固結(jié)層，就像在煤堆表面覆蓋了一層固體覆蓋物一樣，減少或消除煤塵隨風(fēng)飛散。化學(xué)抑塵的方法大大減少了水的使用量，延長(zhǎng)了抑塵的時(shí)間，并且簡(jiǎn)單易行，得到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

1）潤(rùn)濕型抑塵劑。潤(rùn)濕型抑塵劑一般由非極性親油碳?xì)滏湶糠趾蜆O性親水基團(tuán)共同構(gòu)成。當(dāng)添加到水中時(shí)，親水端伸向水中，疏水端受水分子排斥伸向空氣，潤(rùn)濕型抑塵劑分子在水溶液表面形成定向排列層，使水溶液表面張力降低，同時(shí)，疏水基在水和塵粒之間架起“通橋”，打破塵粒表面空氣膜增強(qiáng)潤(rùn)濕作用。王磊等［11］對(duì)黃河沙抑塵研究，確定了抑塵劑最佳濃度配比，即0.15%十二烷基苯磺酸鈉、0.075%十二烷基硫酸鈉和0.20%丁二酸鈉。濕潤(rùn)型化學(xué)抑塵劑主要應(yīng)用于控制大氣飄塵的噴霧系統(tǒng)、濕式除塵器、煤層注水預(yù)潤(rùn)濕以及各種細(xì)顆粒物的預(yù)潤(rùn)濕等。采用濕潤(rùn)型化學(xué)抑塵劑缺點(diǎn)是同一種濕潤(rùn)劑的適用范圍小，有引起二次污染的可能，而且不具有較強(qiáng)的粘結(jié)粉塵能力。

2）黏結(jié)型抑塵劑。粘結(jié)型抑塵劑主要包括油類(lèi)產(chǎn)品和造紙、酒精工業(yè)的廢液、廢渣等有機(jī)粘性材料。使用前將油、水和一定量的乳化劑配成乳狀液。由于乳化液中各相分子與塵粒的相互作用，具有很強(qiáng)的吸附作用（物理吸附和化學(xué)吸附），促使了乳化液與塵粒間的粘結(jié)，起到抑塵作用。

吳超等［12］以渣油、水、乳化劑（十二烷基硫酸鈉和月桂醇）為主要原料的用來(lái)黏結(jié)粉塵的渣油——水乳化液；孫三祥等［13］以合成高聚物POL1為基料復(fù)配而成的粘結(jié)型抑塵劑在煤表面固化結(jié)膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)煤列車(chē)沿線(xiàn)揚(yáng)塵削減率在95.1%～99.6%之間，隧道中揚(yáng)塵削減率在93.8%～97.8%之間，抑塵效果良好。

3.4其他抑塵技術(shù)

其他抑塵技術(shù)包括密閉、壓實(shí)、覆蓋、設(shè)置防風(fēng)林帶等。

1）密閉技術(shù)是通過(guò)在儲(chǔ)煤場(chǎng)加封閉干煤棚、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)或者用筒倉(cāng)儲(chǔ)煤，從而減小煤塵污染的一種方法。其運(yùn)行安全可靠、抗惡劣天氣能力強(qiáng)，但是都存在投資大、造價(jià)高的不足。

2）壓實(shí)技術(shù)是通過(guò)外界壓力加壓于松散的煤堆上，以縮小其體積，增大煤堆的密度，減小空隙率從而減小煤塵飛揚(yáng)的一種操作方法。但是應(yīng)用范圍較小，不適合在經(jīng)常作業(yè)的煤場(chǎng)使用，且抑塵效率低。

3）覆蓋法抑塵是利用覆蓋物（如塑料篷布等）覆蓋在煤堆表面，從而避免在大風(fēng)天氣時(shí)煤塵的污染，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單有效，但只是一種臨時(shí)性的措施，且對(duì)于面積較大的儲(chǔ)煤場(chǎng)在覆蓋過(guò)程中也存在操作上的困難，而且覆蓋物廢棄后會(huì)造成新的環(huán)境污染。

4）防風(fēng)林帶有滯塵和吸塵作用。對(duì)產(chǎn)生粉塵的廠礦，盡量用園林綠化帶將其包圍起來(lái)，以便降低進(jìn)入園林綠化帶內(nèi)的風(fēng)速，減少粉塵的向外擴(kuò)散。而且，園林綠化還能起到美化環(huán)境的功效，改善生態(tài)環(huán)境，可謂一舉數(shù)得。但其不足之處在于，周期太長(zhǎng)，不適用于臨時(shí)性揚(yáng)塵場(chǎng)地。

4　結(jié)束語(yǔ)

目前的抑塵防塵方法各有千秋，都有各自的適用面，又存在各自的局限性。灑水抑塵簡(jiǎn)便易行，但有效抑塵時(shí)間很短（夏季不足半小時(shí)），在缺水地區(qū)使用該法要受限制。另外頻繁灑水會(huì)加劇物料自然風(fēng)化的速度，易產(chǎn)生呼吸性粉塵且影響物料性質(zhì)。因而，通過(guò)灑水來(lái)控制揚(yáng)塵受到很大限制。防風(fēng)抑塵網(wǎng)等有效屏障可降低風(fēng)速、減少起塵量從而起到擋風(fēng)抑塵效果。其一次性投資高、建設(shè)周期長(zhǎng)、靈活性較低，但使用過(guò)程中不需要維護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛?；瘜W(xué)抑塵可以延長(zhǎng)有效抑塵時(shí)間，減少水的使用量，是首選的抑制煤塵方法。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于一些抑塵劑存在二次污染、且成本高等問(wèn)題，制約了化學(xué)抑塵劑的應(yīng)用。隨著化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，作為新的化學(xué)抑塵劑的新材料將會(huì)不斷出現(xiàn)，化學(xué)抑塵具有廣闊的前景。

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蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司科研項(xiàng)目“哈木鐵路防風(fēng)網(wǎng)抑塵效果研究”（蘭院科11-03）。