鐵路運輸?shù)V物粉料的抑塵試驗研究

李　旭，蔡覺先，董　波，王　浩，李穎泉, 武福平

(1.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州　730070；2.甘肅省交通儲運揚塵治理工程技術研究中心，甘肅 蘭州　730070；3.蘭州天際環(huán)境保護有限公司，甘肅 蘭州　730070)

西方國家一般采用封閉運輸方式運輸散堆裝貨物，如散煤、礦物粉料[1]等，而在我國鐵路一般采用敞車進行運輸。在鐵路運輸散堆裝貨物時，由于列車顛簸及風力作用，其表面細小的粉粒被吹離車體，落灑到路面，再經(jīng)過后續(xù)車輛的碾壓, 形成粒徑更小、濃度更高的二次揚塵；尤其在通過隧道時，即便散堆裝貨物的裝車高度低于車廂高度，粒徑達5 cm的粉粒也能被吹出車外[2]。鐵路運輸部門從2008年起逐步開始使用煤炭抑塵劑控制煤炭運輸過程中的污染和損耗[3]，并取得了很好的應用效果和經(jīng)濟效益。但由于礦物粉料種類繁多，且與煤炭具有完全不同的表面性質(zhì)和表面結(jié)構，將煤炭抑塵劑應用于礦物粉料的效果不佳。而礦物粉料在鐵路散裝貨物運輸中的比重僅次于煤炭，所產(chǎn)生的揚塵污染也不容小覷。目前鐵路運輸?shù)V物粉料僅僅采用增大其含水率的方法降低揚塵污染和損耗，但隨著水分的快速蒸發(fā)仍然會產(chǎn)生大量的揚塵污染[4]。為此進行鐵路運輸?shù)V物粉料抑塵技術的相關研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

鐵路運輸?shù)V物粉料和運輸煤炭相似，一般采用的抑塵方法有蓬布遮蓋法、機械加蓋法和噴淋黏結(jié)型抑塵劑法[5]。對運煤列車噴灑煤炭抑塵劑已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化應用，效果顯著，因此在鐵路運輸?shù)V物粉料時也選擇使用噴灑礦粉抑塵劑的方法。

本文通過現(xiàn)場試驗以檢驗抑塵劑技術應用于鐵路運輸散裝礦物粉料的可行性以及應用效果。

1　試驗內(nèi)容

1.1　礦粉抑塵劑的選用

蘭州交通大學從2009年開始研制水溶性高分子材料的礦粉抑塵劑，2010年底采用新研制的礦粉抑塵劑對鐵礦石、磷礦石、錳礦石、銅礦石、鋁礬土、石英砂、鋁鋅礦、石油焦等多種礦物粉料在實驗室進行了固化效果測試和風洞對比測試，測試結(jié)果表明：該礦粉抑塵劑應用于以上礦物粉料后均能產(chǎn)生大于10 mm厚的固化層，在30 m·s-1的風速下吹蝕5 min后風蝕率小于0.3%。此外，還進行了礦粉抑塵劑溶液的急性毒性、急性皮膚刺激性、腐蝕性測定，結(jié)果表明礦粉抑塵劑不會對皮膚產(chǎn)生刺激，無毒、無腐蝕。在此基礎上又進行了該礦粉抑塵劑的現(xiàn)場運用試驗。

將礦粉抑塵劑配制成濃度為1.5%的水溶液，并按3 L·m-2的用量均勻噴灑到礦物粉料表面，經(jīng)過滲透可形成厚度為10 mm以上的固化層。

1.2　被噴灑物料的選擇

經(jīng)過反復篩選，最終確定選擇鐵路運輸?shù)V物粉料運量較大的澳大利亞產(chǎn)鐵礦石和國產(chǎn)磷礦石作為試驗的被噴灑物料。

1.3　試驗線路的特點

試驗時，運輸鐵礦石的貨物列車在黃島—歷城站間運行，鐵路沿線地勢平坦，無隧道，試驗時氣溫在0～10 ℃之間；運輸磷礦石的貨物列車在中誼村—龍津溝站間運行，鐵路沿線多為丘陵地貌，地形復雜，線路上隧道數(shù)量較多，達26座，試驗時氣溫在10～20 ℃之間，所載貨物為磷礦擦洗礦，極小的顆粒已經(jīng)在選洗過程中被分離和去除，而且水分含量較高。2個區(qū)間的環(huán)境特點迥異，其運行的對比參數(shù)見表1。

表1　試驗貨車運行線路及區(qū)間運行參數(shù)對照表

1.4　試驗方法

為檢驗鐵路運輸?shù)V物粉料的抑塵效果，確定采用對比試驗的方法，即對噴灑礦粉抑塵劑和未噴灑礦粉抑塵劑的貨車進行顆粒物濃度檢測對比。在2010年12月8日和9日的相同時間、相同線路上分別開行1列未噴灑和噴灑礦粉抑塵劑的鐵礦石貨車，在2010年12月18日和20日的相同時間、相同線路上分別開行1列未噴灑和噴灑礦粉抑塵劑的磷礦石貨車，通過對比試驗檢驗礦粉抑塵劑對于礦物粉料的抑塵效果。

（1）從經(jīng)濟角度分析，可體現(xiàn)以下方面：商品是使用價值和價值的統(tǒng)一體。使用價值是價值的物質(zhì)承擔者，要想實現(xiàn)商品的價值就必須重視商品的使用價值，即商品的質(zhì)量；企業(yè)必須制定正確的經(jīng)營戰(zhàn)略，生產(chǎn)適銷對路的高質(zhì)量產(chǎn)品；要建立良好的市場經(jīng)濟秩序，嚴厲打擊各類質(zhì)量違法行為，維護消費者合法權益。

1.4.1顆粒物濃度的檢測

目前國內(nèi)尚沒有專門針對移動污染源的顆粒物濃度檢測方法。裝有礦物粉料的貨車作為移動污染源，其污染物以顆粒物為主，因此試驗時選定檢測距離貨車最近空氣隔層中的顆粒物濃度，檢測方法參照GB 16157—1996 《固定污染物排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》。試驗時采用嶗應3012H型自動煙塵測試儀(青島嶗山應用技術研究所和武漢分析儀器廠出品)，定量分析列車運行時的揚塵量，即污染物濃度。

1.4.2采樣點的選擇

貨車在運行過程中受到風力作用而對所載礦物粉料產(chǎn)生風蝕效果，從而對周圍環(huán)境產(chǎn)生揚塵污染。揚塵污染方向與貨車的運行方向相反，也就是說在貨車尾部污染物的濃度最高。因此在試驗貨車的尾部加掛了1節(jié)客車作為試驗設備運載工具和檢測平臺。貨車上采樣點和觀測點的位置如圖1所示，其中：1#，2#，3#和4#為貨車上的攝像頭架設位置，即觀測點位置。

除特殊風環(huán)境(如特大橋梁、高架橋、路堤、丘陵及山區(qū)的風口地段，曲線線路等)之外，貨車直線運行時受到的側(cè)風作用遠小于貨車運行產(chǎn)生的與運動方向相反的風力作用[6]，因此在不考慮側(cè)風的情況下，風洞模擬試驗的結(jié)果表明，由于車廂側(cè)板的遮擋作用，車廂內(nèi)的礦物粉料被向后的氣流卷起后向上擴散，飄出車廂頂部，之后再向兩側(cè)和下部擴散。

圖1　列車上采樣點和觀測點的位置示意圖

由于貨車的揚塵污染主要向上方和兩側(cè)擴散，因此分別在加掛客車的左右兩側(cè)和頂部各設2個采樣點，采樣斷面為客車前部的車門附近，其中兩側(cè)的采樣點距客車車廂外側(cè)15～20 cm，頂部采樣點距貨車車廂上沿約30～50 cm，如圖2所示。圖中：虛線所示為客車車體輪廓。

圖2　采樣點布置示意圖

1.4.3采樣時間的確定

在分別進行的2次試驗中，每次試驗均開行未噴灑礦粉抑塵劑的和噴灑礦粉抑塵劑的貨車各1列，累計開行4列。貨車運行30 min后開始計時，每隔30 min同步對6個采樣點進行1次揚塵顆粒物檢測，每次檢測時間持續(xù)10 min，每列車累計檢測6次，檢測次序按時間順序排列。

2　結(jié)果及分析

2.1　未噴灑礦粉抑塵劑時揚塵顆粒物濃度的檢測結(jié)果及分析

未噴灑礦粉抑塵劑時得到的鐵礦石和磷礦石揚塵顆粒物濃度檢測結(jié)果分別見表2和表3。

表2　未噴灑礦粉抑塵劑時的鐵礦石揚塵顆粒物濃度

注：氣壓為100.9 kPa

表3　未噴灑礦粉抑塵劑時的磷礦石揚塵顆粒物濃度

注：氣壓為80.4 kPa

正如前文所述，由于礦物粉料揚塵污染在空間上的擴散方向不同，且試驗的線路環(huán)境不同(見表1)，則必然導致不同空間位置采樣點的檢測結(jié)果不同，因此通過表2、表3的測定結(jié)果可以分析出揚塵顆粒物濃度在空間上的分布規(guī)律以及列車運行環(huán)境對揚塵顆粒物濃度的影響。

2.1.1揚塵顆粒物濃度在空間上的分布規(guī)律

根據(jù)表2、表3的檢測結(jié)果，可以計算出各采樣點以及不同時間(檢測次序)的揚塵顆粒物濃度平均值。

圖3為2條不同線路上鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物濃度在空間上的分布。從圖3中可以看出：無論是鐵礦石還是磷礦石，其揚塵在空間的分布具有相同的規(guī)律，即頂部2個采樣點(上A、上B)的揚塵顆粒物濃度明顯高于兩側(cè)采樣點的(左A、左B、右A和右B)；對未噴灑礦粉抑塵劑的鐵礦石貨車而言，平均揚塵顆粒物濃度達到了165.08 mg·m-3，兩側(cè)采樣點的揚塵顆粒物濃度一般不超過60 mg·m-3，即頂部采樣點的揚塵顆粒物濃度是兩側(cè)采樣點揚塵顆粒物濃度的2.9～3.1倍；同樣，未噴灑礦粉抑塵劑的磷礦石貨車頂部采樣點的揚塵顆粒物濃度是兩側(cè)的2.21～2.35倍，頂部揚塵顆粒物濃度約占總濃度的70%～85%；說明揚塵污染以頂部為主、兩側(cè)為輔呈向后擴散的輻射狀分布，與預期一致。

圖3　未噴灑礦粉抑塵劑時各采樣點揚塵顆粒物濃度分布

2.1.2列車運行環(huán)境對揚塵顆粒物濃度的影響

由圖3還可以看出，磷礦石的揚塵顆粒物濃度無論在空間的哪個部位均比鐵礦石的高，這除了與磷礦石的密度小于鐵礦石有關系外，還與2條線路的運行環(huán)境有很大關系。對于運輸鐵礦石的貨車而言，黃島—歷城間的行車環(huán)境以平原為主，無隧道，空間開闊，行車速度較快，平均時速81 km·h-1，行車速度是導致風力作用的最主要原因，也是造成揚塵污染的主要成因；隨著貨車運行時間的延長，貨車上礦物粉料的較細顆粒物逐漸被吹走，揚塵顆粒物濃度呈現(xiàn)減少趨勢(見圖4)，因此未噴灑礦粉抑塵劑貨車的揚塵顆粒物濃度隨著時間和運輸距離的增加會逐漸降低。

圖4　未噴灑礦粉抑塵劑時的不同檢測次序與揚塵顆粒物濃度的關系

對于運輸磷礦石的貨車而言，中誼村—龍津溝間主要以丘陵山谷地貌為主，隧道數(shù)量較多且隧道較長，行車速度為71 km·h-1，明顯小于鐵礦石貨車，相應的由行車速度對貨車產(chǎn)生的風力作用要小于鐵礦石貨車。然而，與運輸鐵礦石的貨車相比，運輸磷礦石的貨車除受到運行時產(chǎn)生的風力作用外，還受到較為劇烈的隧道活塞風作用[7]，這一方面加劇了頂部揚塵顆粒物的濃度，另一方面又加劇了兩赤的揚塵顆粒物濃度，甚至達到了貨車頂部揚塵顆粒物的濃度。當貨車運行一段時間后，甚至有微弱的上升趨勢(見圖4)，顯然這是由于間歇的隧道活塞風的作用。

由圖4可見，即便在運輸磷礦石的貨車運行速度較慢的情況下，揚塵顆粒物濃度依然很高，這是因為環(huán)境、隧道的作用占據(jù)了主要地位，所以貨車運行速度只是造成揚塵污染的原因之一，列車運行所處的環(huán)境、橋涵隧道的數(shù)量也會十分明顯地影響揚塵顆粒物濃度，而且貨車運行環(huán)境、隧道數(shù)量對于揚塵污染的影響比貨車運行速度更加明顯。

通過上述分析可知，礦物粉料在運輸過程中的揚塵污染主要是由于貨車在行駛中的風力作用和隧道內(nèi)產(chǎn)生的活塞風作用造成的，且隧道內(nèi)的活塞風作用占主導地位。

2.2　噴灑礦粉抑塵劑后揚塵顆粒物濃度的檢測結(jié)果及分析

噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物濃度在2條試驗線路的檢測結(jié)果見表4和表5。

表4　噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石的揚塵顆粒物濃度

注：氣壓為101.4 kPa

表5　噴灑礦粉抑塵劑后磷礦石的揚塵顆粒物濃度

注：氣壓為80.5 kPa

由表4、表5可以看出：噴灑礦粉抑塵劑后，貨車的揚塵顆粒物濃度均在13 mg·m-3以下；由于試驗線路運輸繁忙，加之為了減少運力的浪費，沒有開行空車試驗本底揚塵顆粒物濃度，即使不考慮沿線環(huán)境所固有的粉塵在列車通過時造成的二次污染。與表2和表3對比可以看出，噴灑礦粉抑塵劑與未噴灑礦粉抑塵劑時鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物濃度具有明顯差別。

圖5為噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物在不同采樣點的濃度。可以看出，噴灑礦粉抑塵劑后，頂部采樣點的揚塵顆粒物濃度平均為8.65～8.70 mg·m-3，而兩側(cè)采樣點的顆粒物濃度平均值在5.9～6.4 mg·m-3之間，遠小于未噴灑抑塵劑時的。與圖3相比，不再呈現(xiàn)磷礦石的揚塵顆粒物濃度高于鐵礦石的規(guī)律，兩者之間沒有明顯差異，十分相近。經(jīng)計算，噴灑礦粉抑制劑后頂部采樣點的揚塵顆粒物濃度分別減少了95.04%和96.53%，而側(cè)面采樣點的揚塵顆粒物濃度也減少了87.83%和94.25%，總的揚塵顆粒物濃度分別減少了92.16%和95.46%?？紤]到?jīng)]有檢測沿線揚塵顆粒物本底值的因素，實際的揚塵顆粒物濃度減少率應高于計算值。在扣除本底值的情況下，兩側(cè)的揚塵顆粒物濃度減少率應該會有顯著提高?？梢?，礦粉抑塵劑對于抑制礦物粉料造成的揚塵，效果十分明顯，可以減少92%以上的揚塵污染。

圖5　噴灑抑塵劑后不同采樣點的揚塵顆粒物濃度分布

圖6為噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物濃度與時間的關系，與圖4相比可以看出，無論未噴灑礦粉抑塵劑時所產(chǎn)生的揚塵顆粒物濃度有多大，噴灑礦粉抑塵劑后的揚塵顆粒物濃度均在5.3～8.70 mg·m-3之間，遠遠低于未噴灑時的濃度，抑塵作用基本不受試驗線路的環(huán)境影響，具有較強的適應不同環(huán)境條件的能力。

圖6　噴灑礦粉抑塵劑后不同檢測次序與揚塵顆粒物濃度的關系

2.3　礦粉抑塵劑應用對于物料堆型的影響

為了更好地了解礦物粉料在貨車運行中的狀態(tài)，試驗過程中通過視頻攝像頭連續(xù)觀察試驗的礦物粉料在貨車運行過程中的狀態(tài)。

運輸鐵礦石的貨車噴灑礦粉抑塵劑前后的視頻截圖對比結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8對比可見：運行45 min后，未噴灑抑塵劑時貨車中的鐵礦石顆粒會隨著車輛運動產(chǎn)生的振動從裝車脊的兩側(cè)向下滑落，堆積到車廂底部；而噴灑過礦粉抑塵劑后，鐵礦石的顆粒被黏結(jié)在一起，運行45 min后鐵礦石顆粒的表觀形態(tài)沒有發(fā)生明顯改變，表明礦粉抑塵劑對于礦物粉料顆粒表面的固定作用明顯。

圖7　未噴灑礦粉抑塵劑貨車內(nèi)鐵礦石料的堆形

圖8　噴灑礦粉抑塵劑后貨車內(nèi)鐵礦石的堆形

3　結(jié)　論

(1)礦物粉料在鐵路運輸過程中的揚塵污染呈現(xiàn)出以貨車頂部為主、側(cè)面為輔的輻射狀分布，分布規(guī)律與揚塵顆粒物擴散的路徑密切相關。

(2)礦物粉料在運輸過程中的揚塵污染主要是由于貨車在行駛中的風力作用和隧道內(nèi)產(chǎn)生的活塞風作用造成的，且隧道內(nèi)的活塞風作用占主導地位。

(3)礦粉抑塵劑應用于鐵路運輸?shù)V物粉料具有良好的應用效果。噴灑礦粉抑塵劑后，貨車中鐵礦石和磷礦石的揚塵顆粒物濃度分別減少92.16%和95.46%，并且抑塵效果不受線路環(huán)境的影響。通過礦粉抑塵劑產(chǎn)品控制鐵路運輸?shù)V物粉料過程的揚塵污染，是一種經(jīng)濟、有效的方式，可廣泛地應用于鐵路運輸各種散裝礦物粉料時的揚塵污染控制，同時對解決礦物粉料堆場的揚塵污染控制也具有一定的參考價值。

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