抓斗卸船機(jī)料斗除塵方法淺析

郭宇辰

（柳州工學(xué)院，廣西 柳州 545000）

抓斗卸船機(jī)是一種傳統(tǒng)散料卸船設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各大港口的散貨碼頭或電廠、鋼廠的自有碼頭，接卸的物料包括煤炭、礦石等散裝物料。工作過程是通過抓斗將船艙內(nèi)散裝物料卸到卸船機(jī)的料斗內(nèi)，再通過料斗下方的給料裝置連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)到碼頭皮帶上。在作業(yè)過程中各轉(zhuǎn)載點均會產(chǎn)生大量的粉塵，并且物料在作業(yè)現(xiàn)場無組織排放，這些均會造成環(huán)境污染。在目前環(huán)保要求日益嚴(yán)格的前提下，減小揚(yáng)塵污染成為衡量卸船機(jī)性能的重要指標(biāo)。為減少粉塵污染對環(huán)境的影響，在物料轉(zhuǎn)載位置必須設(shè)置除塵裝置。

除塵裝置方式分干式除塵和濕式除塵兩大類。由于干式除塵的工作機(jī)理是需要在除塵區(qū)域形成密閉空間，通過空氣流動使局部區(qū)域形成負(fù)壓狀態(tài)，實現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)飛塵的過濾，達(dá)到除塵效果，所以干式除塵不適用煤炭、礦石卸船機(jī)。卸載煤炭或礦石的抓斗卸船機(jī)通常采用灑水的濕式除塵方式，具體又分為普通灑水除塵、干霧除塵、高壓精細(xì)微霧除塵等多種方式，本文將從抓斗卸船機(jī)粉塵特點出發(fā)，對各種除塵方法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析介紹。

1 抓斗卸船機(jī)揚(yáng)塵位置特點及傳統(tǒng)除塵方式[1]

抓斗卸船機(jī)在作業(yè)過程中的揚(yáng)塵轉(zhuǎn)載點是料斗上方和給料器出口2 個位置，其中給料器出口可以通過密封處理，粉塵容易被控制與解決。重點在于料斗上方，因料斗需承接抓斗卸料，上部必須為開放結(jié)構(gòu)，三面設(shè)有擋風(fēng)墻，抓斗在料斗上方打開，將物料卸拋落入料斗內(nèi)，物料帶動周圍空氣流動，引起粉塵飛揚(yáng)；物料落入料斗過程，勢能轉(zhuǎn)化為動能，物料反彈后與后續(xù)下降物料撞擊，碰撞能量釋放產(chǎn)生大量粉塵；料斗內(nèi)空氣不斷被增加的物料置換，引起氣流反沖，會帶動料斗內(nèi)的小顆粒粉塵向上浮動，加劇料斗內(nèi)粉塵飛揚(yáng)。如圖1 所示，由于料斗內(nèi)空氣壓力增大，內(nèi)部含有粉塵的空氣沿斗壁向上反向流動，所以物料落入料倉帶動粉塵飛散是現(xiàn)場主要的污染源。

圖1 料斗起塵原理

根據(jù)散料碼頭的粉塵樣本顆粒度測量結(jié)果可知，能夠漂浮在空中的粉塵，絕大部分的粉塵顆粒直徑小于100 μm。直徑大于100 μm 的粉塵顆粒，由于重力作用會很快沉降，只有直徑在小于100 μm 的粉塵顆粒才會在空氣中漂浮一定時間，其中顆粒直徑小于2 μm 的粉塵占比較少，因此，直徑介于2～100 μm 的粉塵顆粒是要考慮的除塵主要對象，特別是直徑在10 μm 以下的可吸入粉塵顆粒，必須進(jìn)行有效控制。

傳統(tǒng)除塵方式是灑水除塵，即對起塵點進(jìn)行灑水噴淋。由于傳統(tǒng)的灑水水霧顆粒大、耗水量大、除塵能力差，尤其對10 μm 以下的可吸入粉塵抑制能力差，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的環(huán)保要求。

2 水霧除塵原理分析

為解決傳統(tǒng)灑水系統(tǒng)的不足，首先需對水霧顆粒大小進(jìn)行分類研究，水霧分類如圖2 所示，將直徑（μm）在（2.8，10］范圍的水霧稱為干霧，將直徑（μm）在（10，50］范圍的水霧稱為濕霧。

圖2 水霧分類圖

水霧抑塵原理是將霧化水噴向起塵點，經(jīng)過霧化的水霧顆粒將粉塵覆蓋，水霧與粉塵相互碰撞，顆粒間相互粘結(jié)并聚結(jié)增大，當(dāng)顆粒增大到一定程度后由于重力作用開始沉降，實現(xiàn)除塵的目標(biāo)。

較大顆粒的粉塵比較容易與水霧粘結(jié)聚集并增大，但顆粒度級小的粉塵（如PM2.5～PM10）很難與普通水霧顆粒粘結(jié)，只有當(dāng)水霧顆粒直徑與之相當(dāng)或加入能夠減小表面張力的化學(xué)劑（如表面活性劑等）時才會能夠聚集成團(tuán)。而當(dāng)水霧直徑大于粉塵的顆粒直徑時，粉塵只是圍繞在水霧顆粒周圍，水霧和粉塵顆粒之間各自獨立運(yùn)動，相互之間并不接觸融合，很難達(dá)到除塵效果；只有當(dāng)水霧顆粒直徑和粉塵顆粒直徑接近時，粉塵隨空氣流動時才會容易與水霧顆粒接觸和粘結(jié)。水霧顆粒直徑越小，顆粒相互聚結(jié)的概率越大，當(dāng)聚結(jié)的顆粒團(tuán)增大到一定程度，就會在重力作用下降落，就完成了水霧顆粒對粉塵顆粒的“抑制”作用，水霧與粉塵顆粒的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 水霧與粉塵顆粒的關(guān)系

水霧抑塵原理如圖4 所示，粉塵向上漂浮，水霧向下覆蓋，在相互運(yùn)動過程中，水霧顆粒與粉塵顆粒接觸，直徑大的粉塵顆粒與直徑大的水霧顆粒相結(jié)合，直徑小的粉塵顆粒與直徑小的水霧顆粒相結(jié)合，相互聚結(jié)成顆粒團(tuán)。

圖4 水霧抑塵原理

小顆粒水霧凝聚過程如圖5 所示，水霧顆粒達(dá)到干霧級的時候，即水霧顆粒直徑小于等于10 μm 時，水霧顆粒的表面張力變小，粒子之間的相互引力變大，因此以粉塵粒子作為中心的“微小粉塵顆粒-微小水霧顆?！倍嗔髦?，顆粒與顆粒之間很容易相互結(jié)合，粘結(jié)在一起，使“顆粒”不停地變大，最終在重力作用下沉降，實現(xiàn)除塵的目標(biāo)。

圖5 小顆粒水霧凝聚過程

綜上所述，干霧除塵的工作原理是，當(dāng)細(xì)小水霧顆粒的直徑和粉塵顆粒的直徑相近，水霧量足夠覆蓋粉塵，并且空氣中的水霧達(dá)到飽和時，飽和的水霧與粉塵顆粒相互碰撞就會凝聚在一起，當(dāng)凝聚到一定程度后就會沉降，實現(xiàn)除塵目標(biāo)。

3 干霧除塵系統(tǒng)原理的構(gòu)成[2]

干霧產(chǎn)生原理如圖6 所示，是將過濾后的水、氣分別按照設(shè)定的壓力、流量，經(jīng)管系統(tǒng)道，輸送到干霧箱或水氣分配，通過空壓機(jī)、聲波震蕩器產(chǎn)生高頻聲波，經(jīng)過高頻聲波音爆作用將水高度霧化，產(chǎn)生干霧（10 μm 及以下的微細(xì)水霧顆粒稱為“干霧”）。

圖6 干霧產(chǎn)生的原理

干霧除塵系統(tǒng)構(gòu)成如圖7 所示，由干霧機(jī)、干霧箱控制器或水氣分配器、干霧箱總成或萬向節(jié)總成、空壓縮機(jī)、儲氣罐、系統(tǒng)連接管線以及電氣控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖7 干霧除塵系統(tǒng)構(gòu)成

干霧箱控制器或者水氣分配器可與萬向節(jié)總成或干霧箱總成連通，實現(xiàn)電、水、氣的管線連接與控制。現(xiàn)場可根據(jù)實際情況需要進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定、通過PLC 設(shè)定與控制，實現(xiàn)對各干霧箱總成或萬向節(jié)總成分別噴霧控制的目的。

干霧箱總成或萬向節(jié)總成是接收由干霧機(jī)輸送的經(jīng)凈化后的水、氣，并將其轉(zhuǎn)化為顆粒直徑為1～10 μm 的干霧顆粒的裝置。并由干霧機(jī)控制，噴灑向除塵點。干霧顆粒與粉塵顆粒相互碰撞、凝聚增大，最后在自身重力的作用下沉降，達(dá)到除塵的作用。

空壓機(jī)通常采用螺桿式空氣壓縮機(jī)，是干霧除塵系統(tǒng)動力氣源，通過微電腦智能監(jiān)控，自動運(yùn)行。具有人機(jī)控制界面和輕觸按鍵，操作人員根據(jù)界面文字提示，可輕松實現(xiàn)對空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)定與查詢，并可對空壓機(jī)手動控制或自動控制的狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

電氣控系統(tǒng)是干霧除塵系統(tǒng)的控制核心，由觸摸屏或顯示器、可編程控制器、繼電器、保護(hù)電路以及相關(guān)的元器件構(gòu)成，具有手動和自動2 種操作模式。手動模式下，操作人員可通過觸摸屏進(jìn)行控制與設(shè)定，可以直接控制各噴霧點的啟動或停止，可以設(shè)定噴霧時間與周期、設(shè)定管道吹掃時間等運(yùn)行參數(shù)，也可以設(shè)定噴霧與抓斗打開等時間聯(lián)鎖。自動操作模式下，根據(jù)與現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號聯(lián)鎖，自動進(jìn)行啟動或停止，如抓斗到達(dá)料斗上方時提前噴霧，抓斗打開卸料完成后延時結(jié)束噴霧等，即保證除塵效果又兼顧節(jié)約用水。

4 干霧除塵裝置的實際應(yīng)用效果和優(yōu)缺點

干霧除塵技術(shù)是一種使用水、氣2 種介質(zhì)的濕式除塵技術(shù)，所產(chǎn)生的水霧霧滴顆粒直徑為1～10 μm，屬于干霧級顆粒，與目前國家大力要求治理的PM2.5粉塵顆粒相近，能夠有效清除PM2.5粉塵，減少塵肺病的發(fā)生。其在實際應(yīng)用中效果顯著，主要優(yōu)點如下：①適用于周界無組織排放、封閉或半封閉場所的粉塵治理，抑塵效率較高；②針對性強(qiáng)、耗水量小，可直接作用在起塵點，在起塵點附近形成濃密的霧池，直接治理污染源頭；③解決了傳統(tǒng)灑水裝置的不足，可對PM2.5細(xì)小粉塵有效治理，有效避免塵肺病的發(fā)生，抑塵效果良好且用水量少，在多種場景下得到較好的應(yīng)用。其主要缺點為開放環(huán)境除塵效果差。微米級干霧除塵技術(shù)應(yīng)用于抓斗卸船機(jī)時發(fā)現(xiàn)了新的問題，由于料斗上方空間尺寸大，面積可達(dá)100 m2，且為開放結(jié)構(gòu)，碼頭沿海環(huán)境大風(fēng)天氣很容易將干霧吹散，使抑塵效果下降。

5 新型高壓精細(xì)微霧除塵系統(tǒng)

借鑒微米級干霧抑塵系統(tǒng)優(yōu)勢并解決其不足，除塵廠家針對卸船機(jī)料斗的特殊場景，開發(fā)出新型高壓精細(xì)微霧除塵系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用不同類型精細(xì)霧化噴嘴，噴嘴出口壓力達(dá)到2.0 MPa 以上，噴霧顆粒在2.5～50 μm，布置如下。

左右擋風(fēng)墻上排噴嘴和后墻噴嘴采用扇形噴嘴，如圖8 所示，扇形霧狀能夠保證每個噴嘴間互相銜接，在擋風(fēng)墻上部形成比較完整的水幕，有效地阻止粉塵外溢，將粉塵阻擋在料斗區(qū)域內(nèi)；左右擋風(fēng)墻中排和下排噴嘴采用實心錐結(jié)構(gòu)，如圖9 所示，實心錐結(jié)構(gòu)噴嘴霧化效果更好，水分子顆粒更小，在料斗區(qū)域內(nèi)能夠更有效地與粉塵顆粒結(jié)合，達(dá)到降塵效果。

圖8 扇形噴嘴

圖9 實心錐形

新型高壓精細(xì)微霧系統(tǒng)經(jīng)實際驗證，在抓斗卸船機(jī)料斗處抑塵效果良好，具體效果如圖10 所示。與干霧抑塵相比，新型高壓精細(xì)微霧除塵系統(tǒng)優(yōu)勢如下：①無需壓縮空氣機(jī)和霧化室就可形成精細(xì)的噴霧顆粒，減少能源的消耗；②精細(xì)噴霧顆粒更符合使用條件，可根據(jù)位置不同選用不同噴嘴，耗水量?。虎圻\(yùn)行成本和后期維護(hù)成本較低，日常維護(hù)簡單，只需定期清理過濾器，維護(hù)加壓泵即可。

圖10 精細(xì)微霧抑塵效果

6 結(jié)束語

通過以上的介紹與分析可知，對于抓斗卸船機(jī)料斗除塵，微霧除塵方式有明顯優(yōu)勢。與普通的灑水除塵相比，能夠形成更好的霧化效果，噴水量少，降低了物料的含水量。與干霧除塵相比，運(yùn)行成本和維護(hù)成本低，并且更適合開放的環(huán)境。