堆場揚塵影響因素及抑塵技術的應用進展

陳俊博，王茂玉，胡樹超，陳衛東

（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅　蘭州 730000）

堆場揚塵影響因素及抑塵技術的應用進展

陳俊博，王茂玉，胡樹超，陳衛東

（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000）

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

揚塵；起因；影響因素；抑塵方法

伴隨工業經濟的發展，貯存煤炭、礦粉及其他散裝貨物的料場在風力作用下極易產生揚塵，不但造成原料的損失，還嚴重污染大氣環境，煤場等露天貯存場的揚塵污染問題已經成為各地環境污染治理的重點。隨著國家環保法律法規的進一步嚴格，我國很多城市也已經為解決此類問題提出了相應的要求。

1　堆場揚塵起因

根據微觀粒子運動理論，在風力作用下，當平均風速約等于某一臨界值時，個別突出的塵粒受湍流流速和壓力脈動的影響開始振動或前后擺動，但并不離開原來位置；堆場中的顆粒只有達到一定風速才會起塵，這種臨界風速稱為起動風速。當風速增大達到或超過臨界值之后，振動也隨之加強，拖曳力和上升力相應增大并足以克服重力的作用，旋轉力矩促使一些不穩定的塵粒首先沿著堆場面滾動或滑動。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，并在來流的帶動下，隨著氣流一起運動。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，在滾動過程中，一部分塵粒由于粒徑較粗，顆粒慣性力較大，在獲得初始動能后，并沒有跟隨氣流一起漂移，而是沿著自身軌跡運動，在空中滑移跳躍一段時間，當碰到凸起塵?；虮黄渌\動塵粒碰撞時，會獲得一部分沖量，獲得沖量的塵粒會迅速改變自己的運動方式，由水平運動轉變為垂直運動，隨風擴散一定距離后沉降下來。

實驗分析結果顯示：堆場起塵量主要與堆場中可起塵部分的粒徑分布及堆場所在地的風速大小有關，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%。堆場中的顆粒只有達到一定風速才會起塵這種臨界風速稱為起動風速。一般認為煤粒的起動風速為4.4m/s （50m高處），則其地面風速相應為2.94m/s［1-2］。

2　堆場揚塵的影響因素

粉塵起塵按起塵方式分為靜態起塵與動態起塵。靜態起塵是指物料堆存過程中的起塵，主要與風速、物料含水率、物料物理特性等因素有關；動態起塵是指物料在裝卸過程中的起塵，主要與風速、裝卸落差等因素有關。對影響揚塵較大的兩個因素——風速和物料含水量進行分析。

2.1堆場起塵量與風速的關系

當風速超過起動風速時，風力使料堆表面顆粒產生的向上遷移的動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，顆粒就離開堆垛表面而揚起。

美國環保局針對小于7μm的飄塵，給出了下面的起塵量計算公式，見下式［3］。

式中：

Q——起塵量，mg/s；

k——常數；

u——煤堆表面的風速，m/s；

p——煤堆松裝密度，g/cm3；

s——煤堆表面積；

（P-E）——降雨蒸發指數；

a、b——相關系數，其中2.7≤a≤3.0，2.0≤b≤5.9。

上式主要考慮了風速對起塵量的影響，同時引入了物料密度和降雨蒸發指數的概念，起塵量計算更加科學。隨著研究的進一步深入，研究人員發現，只有風速達到一定程度，風洞中的物料才會出現靜態起塵，為此，引入了起動風速的概念，即煤堆表面出現滾動、滑落時的風速值。

2.2堆場起塵量與物料含水率的關系

試驗表明，在一定的風速條件下，堆場的起塵量隨其含水率的增加呈指數衰減。烏魯木齊市煤炭設計研究院結合國內物料的特點，經實踐研究給出了新的煤堆起塵量計算公式［4］，詳見下式。

Q靜態=2.1A0（U-U0）3e-1.023w

式中：

Q靜態——靜態起塵系數（kg/（t·a））；

A0——煤炭本身含水率等方面對起塵量的貢獻；

U——平均風速值（m/s）；

U0——起動風速（m/s），取3.0；

W——煤炭含水率（%）；

該公式計算簡單，主要參數考慮全面，適用性強，應用相對比較廣泛。

貯煤場揚塵量受多種因素影響，但以風速、煤堆表面積和煤堆表面含水量為主要影響因素，其中風速為各影響因素之首。

3　堆場抑塵技術方法

目前，堆場抑塵主要原理為減小風速、增加堆料含水量、減小堆料空隙率等，主要抑塵技術有灑水抑塵、防風網抑塵、化學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、最簡單的抑塵方法，其作用主要在于潤濕顆粒細小的干燥粉塵，增加粉塵含水量，并粘結成較大的顆粒，使其相對密度增大，使之在外力作用下不能飛揚［5-6］。灑水抑塵作為最基本的抑塵措施被廣泛應用于露天儲煤場的揚塵控制中。灑水操作簡單易行，但需浪費大量水資源，而且噴水系統的噴嘴孔比較小，水質如果不合格，極易堵塞噴嘴。針對灑水抑塵的缺點和不足，許多研究者進行改進工作，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、抗蒸發能力差，水分蒸發很快，特別是氣候干燥地區蒸發更快，有效抑塵時間很短（夏季不足半小時）。為了要保證物料含一定的水分，耗水量很大，在缺水地區使用該法要受限制。另外頻繁灑水會加劇物料自然風化的速度，易產生呼吸性粉塵且影響物料性質。因而，通過灑水來控制揚塵受到很大限制。在具體抑塵的過程中，一般在儲煤場煤堆四周設置環形水管以及一些灑水噴槍，還可以采用自動或半自動噴灑的防塵裝置，通過定時的給煤場灑水來達到抑塵的效果。

3.2防風網抑塵

防風網是利用空氣動力學的原理，將網前大尺度、高強度的旋渦梳理成小尺度、弱強度旋渦，從而改變網后的微環境以達到減弱下游風速和流場湍流度的效果，防止粉塵的飛揚［7-8］。擋風抑塵網一般采用有機非金屬復合材料板或金屬板，利用空氣動力學原理，按照實施現場環境按風洞試驗結果加工成一定幾何形狀的防風板，并根據現場條件將防風板組成“擋風抑塵墻”使其通過的空氣強風從外通過墻體時，在墻體內側形成上下干擾的氣流，以達到外側強風、內側弱風外側小風，內側無風的效果，從而防止粉塵飛揚。

陳振華等［9］對防風抑塵網的防塵機理、平面布置、設網參數及其材質等方面做了較系統闡述。防風板的形狀有蝶型、直板型等多種形式，據風洞試驗檢測，蝶型防風板在一定的開孔率下具有明顯地降低風速和紊流度的作用，防塵效果好，已得到廣泛應用。

研究表明［10］，當防風網的高度為料堆高度的0.6～1.1倍時，網高與抑塵效果成正比；當防風網高度為料堆高度的1.1～1.5倍時，網高對抑塵效果的影響趨于平緩；當防風網高度為料堆高度的1.5倍以上時，隨著網高的增加抑塵效果無顯著的變化，因此防風網最佳高度為料堆高度的1.1～1.5倍。一般情況下，防風抑塵網的高度應比料堆高出2m～3m較為適宜。單層防風抑塵網的綜合抑塵效果可達65%～85%，而雙層防風抑塵網的效果則可達75%～95%。設網方式主要考慮堆場的大小、形狀和當地的風向、風頻等氣象條件。防風抑塵網設在距堆垛2～3倍堆高的距離處為最佳。對于由多個堆垛組成的堆場而言，可視堆場周圍情況，因地制宜地設置防風網。

3.3化學抑塵

化學抑塵技術主要是通過使用化學抑塵劑來抑制揚塵的飛揚。依據作用的不同，化學抑塵劑一般可分為濕潤劑、黏結劑和凝聚劑3類。對于露天儲煤場的煤塵抑制，主要是用潤濕型煤塵抑制劑和黏結型煤塵抑制劑。濕潤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性，延長了防止煤塵飛散的時間。黏結性煤塵抑制劑是以高分子樹脂、表面活性劑為主要成分的化學藥品，用其稀薄溶液噴灑在煤堆表面上，經一定時間后，形成牢固的固結層，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飛散?；瘜W抑塵的方法大大減少了水的使用量，延長了抑塵的時間，并且簡單易行，得到國內外研究者的廣泛關注。

1）潤濕型抑塵劑。潤濕型抑塵劑一般由非極性親油碳氫鏈部分和極性親水基團共同構成。當添加到水中時，親水端伸向水中，疏水端受水分子排斥伸向空氣，潤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，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潤濕作用。王磊等［11］對黃河沙抑塵研究，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。濕潤型化學抑塵劑主要應用于控制大氣飄塵的噴霧系統、濕式除塵器、煤層注水預潤濕以及各種細顆粒物的預潤濕等。采用濕潤型化學抑塵劑缺點是同一種濕潤劑的適用范圍小，有引起二次污染的可能，而且不具有較強的粘結粉塵能力。

2）黏結型抑塵劑。粘結型抑塵劑主要包括油類產品和造紙、酒精工業的廢液、廢渣等有機粘性材料。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，具有很強的吸附作用（物理吸附和化學吸附），促使了乳化液與塵粒間的粘結，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）為主要原料的用來黏結粉塵的渣油——水乳化液；孫三祥等［13］以合成高聚物POL1為基料復配而成的粘結型抑塵劑在煤表面固化結膜，實驗結果表明，運煤列車沿線揚塵削減率在95.1%～99.6%之間，隧道中揚塵削減率在93.8%～97.8%之間，抑塵效果良好。

3.4其他抑塵技術

其他抑塵技術包括密閉、壓實、覆蓋、設置防風林帶等。

1）密閉技術是通過在儲煤場加封閉干煤棚、網殼結構或者用筒倉儲煤，從而減小煤塵污染的一種方法。其運行安全可靠、抗惡劣天氣能力強，但是都存在投資大、造價高的不足。

2）壓實技術是通過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的一種操作方法。但是應用范圍較小，不適合在經常作業的煤場使用，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，從而避免在大風天氣時煤塵的污染，其優點是簡單有效，但只是一種臨時性的措施，且對于面積較大的儲煤場在覆蓋過程中也存在操作上的困難，而且覆蓋物廢棄后會造成新的環境污染。

4）防風林帶有滯塵和吸塵作用。對產生粉塵的廠礦，盡量用園林綠化帶將其包圍起來，以便降低進入園林綠化帶內的風速，減少粉塵的向外擴散。而且，園林綠化還能起到美化環境的功效，改善生態環境，可謂一舉數得。但其不足之處在于，周期太長，不適用于臨時性揚塵場地。

4　結束語

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。灑水抑塵簡便易行，但有效抑塵時間很短（夏季不足半小時），在缺水地區使用該法要受限制。另外頻繁灑水會加劇物料自然風化的速度，易產生呼吸性粉塵且影響物料性質。因而，通過灑水來控制揚塵受到很大限制。防風抑塵網等有效屏障可降低風速、減少起塵量從而起到擋風抑塵效果。其一次性投資高、建設周期長、靈活性較低，但使用過程中不需要維護，在實際應用中較為廣泛?；瘜W抑塵可以延長有效抑塵時間，減少水的使用量，是首選的抑制煤塵方法。但是在實際應用中，由于一些抑塵劑存在二次污染、且成本高等問題，制約了化學抑塵劑的應用。隨著化學工業的迅猛發展和人們對環境保護要求的不斷提高，作為新的化學抑塵劑的新材料將會不斷出現，化學抑塵具有廣闊的前景。

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蘭州鐵道設計院有限公司科研項目“哈木鐵路防風網抑塵效果研究”（蘭院科11-03）。