河曲舊縣露天煤礦道路抑塵劑的應(yīng)用研究

史慧文

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500)

河曲舊縣露天礦田位于河曲縣城東南部27km，行政區(qū)劃隸屬河曲縣舊縣鄉(xiāng)管轄。該礦田南北長8.260km，東西寬5.620km，面積24.9536km2，地質(zhì)資源/儲量263.12Mt。隨著該礦生產(chǎn)強(qiáng)度的加大和機(jī)械化水平的日益提高，粉塵污染也日趨嚴(yán)重。粉塵顆粒物已經(jīng)成為影響礦山局部范圍空氣質(zhì)量的主要污染物。

1 粉塵污染和危害分析

1.1 粉塵來源分析

河曲舊縣露天礦粉塵污染的主要來源包括運(yùn)輸設(shè)備、電鏟采裝、鉆機(jī)穿孔和爆破作業(yè)產(chǎn)生粉塵等。大型載重卡車和普通載重卡車等運(yùn)輸設(shè)備反復(fù)碾壓道路上的顆粒物，使其小于一定粒徑后，隨著氣流變化漂浮進(jìn)入空中，形成粉塵。運(yùn)輸設(shè)備粉塵的產(chǎn)塵量占據(jù)了該露天礦山開采作業(yè)的首位，是其他污染源的7～8倍。因此，控制運(yùn)輸路面的粉塵濃度就成為該礦山抑塵的首要任務(wù)。

1.2 粉塵污染危害

露天礦運(yùn)輸車流量密集，塵土不斷受到車輪沖擊力和氣流變化的激擾，懸浮于空中或隨風(fēng)飄蕩。粉塵濃度高時，能見度不足2m，妨礙司機(jī)的安全駕駛，容易造成撞車或翻車等事故，直接危害礦山的安全生產(chǎn)，增加開采成本支出。路面粉塵組分的分析表明，粉塵中的PM10、PM2.5顆粒較小，比表面積大，容易富集有害元素和有機(jī)化合物，粒徑小于PM2.5的顆粒會沉積于肺泡內(nèi)，這些都會嚴(yán)重?fù)p害礦山工作人員的身體健康。有害粉塵長期在大氣中滯留或隨風(fēng)飄散還會污染露天礦山的周圍環(huán)境，破壞生態(tài)系統(tǒng)。另外，粉塵進(jìn)入運(yùn)輸設(shè)備車體內(nèi)，會縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命，增加油耗、保養(yǎng)及維修費(fèi)用，無形中降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 路面化學(xué)抑塵劑的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的露天礦山路面防塵方法是用灑水車灑水，該方法簡單、方便，且單次費(fèi)用低，很多煤礦至今仍在使用。露天礦山多為碎石或矸石與土質(zhì)混合路面，在夏季或干旱炎熱地區(qū)，需要頻繁地使用灑水車灑水才能保持路面濕潤，但是由于水的抗蒸發(fā)性差，噴灑一次只能保持30min左右。如果灑水不及時，灑水量不夠，路面處于干濕交替狀況，那么路面粉塵含量將增多，路況更加惡化，不僅達(dá)不到抑塵效果，還浪費(fèi)大量水資源。單純?yōu)⑺龎m的總體效果不理想，并非高效節(jié)約的除塵方法。一般認(rèn)為，采用化學(xué)抑塵劑控制粉塵切實(shí)可行，應(yīng)用實(shí)踐也證實(shí)使用抑塵劑的總體效果比較理想。

現(xiàn)在的化學(xué)抑塵劑基本分為潤濕型、吸濕型、黏結(jié)型、吸水型和復(fù)合型。單一的抑塵劑效果不理想，復(fù)合型抑塵劑的抑塵效率高，抑塵效果優(yōu)越，適用范圍廣，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著社會環(huán)保投入的加大和各種化工產(chǎn)品的迅速發(fā)展，價格低廉、無二次污染、抑塵周期長、抑塵效果優(yōu)良的新型道路抑塵劑會越來越多地進(jìn)人們的視野，特別是超強(qiáng)吸水材料和各種表面活性劑的應(yīng)用為道路抑塵劑的研究提供了新的思路和方向。

3 復(fù)合型道路抑塵劑的實(shí)踐應(yīng)用

為了解決河曲舊縣露天礦的粉塵污染問題，該礦決定采用一種復(fù)合型道路抑塵劑進(jìn)行現(xiàn)場噴灑試驗，取得良好的試驗效果。

3.1 復(fù)合型道路抑塵劑的性能

該工程所試驗的道路抑塵劑含有機(jī)高分子材料，是一種極好的親水性物質(zhì)，羥基與水形成氫鍵，降低水分子不規(guī)則運(yùn)動的動能，使其不易從水面揮發(fā)蒸發(fā)，合理調(diào)配混合功能性助劑，構(gòu)成穩(wěn)定性高的多組分水溶性體系。通過常用的灑水車直接噴灑于抑塵的路面，快速滲透后黏結(jié)粉塵顆粒物，與路面固結(jié)、融合，形成有一定厚度、韌性和濕潤的“外衣”，提高捕塵性能；將細(xì)小的粉塵顆粒聚合成較大的粉塵顆粒，抑制可懸浮粉塵。

復(fù)合型道路抑塵劑材料的特點(diǎn)：（1）良好穩(wěn)定的保水性，對粉塵有良好的潤濕性；（2）本身具有吸水性，不易揮發(fā)，抑塵時間持久；（3）工藝流程簡明，生產(chǎn)設(shè)備簡單，投資少；（4）噴灑方法方便靈活，設(shè)備簡捷，適用性廣；（5）運(yùn)輸和儲存過程中不黏結(jié)、不變質(zhì)、不腐敗、不燃燒；（6）抑塵效果好，有效抑塵期長；（7）大量節(jié)約水資源和燃油，節(jié)能降耗；（8）提高發(fā)動機(jī)壽命，延長卡車大修期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

3.2 抑塵劑抑塵模擬試驗

3.2.1 吸濕保水性試驗

取50g烘干的運(yùn)輸路面塵樣置于蒸發(fā)皿中，將15mL溶液灑到塵樣上，待其全部潤濕后，置于室內(nèi)，做吸濕抑塵試驗。以相同情況下純水塵樣作為對照試驗。室溫：19～27℃；相對濕度：27%～35%。

從圖1可見，純水制作的塵樣，靜置到32h后，含水量降到4%，幾乎失去除塵能力。而含抑塵劑樣靜置32h后吸濕量降至7.4%，46h后仍然能保持在5.2%，其表面有板結(jié)現(xiàn)象，而且含濕量越少板結(jié)越明顯，可見抑塵劑具有良好的吸濕保水性，能長時間保持有效含水率，最終達(dá)到抑塵效果。

圖1 抑塵劑含水率與時間關(guān)系圖

3.2.2 高溫抗蒸發(fā)性試驗

取50g烘干的運(yùn)輸路面塵樣置于蒸發(fā)皿中，將15mL溶液灑到塵樣上，待其潤濕后，置于提前恒溫為50℃的電烘箱里。按同樣的比例制作純水塵樣按同樣的條件作為對照試驗。并跟蹤監(jiān)測烘箱內(nèi)溫度變化，用蒸發(fā)率和時間關(guān)系來表示抑塵劑塵樣的抗蒸發(fā)性。

由圖2可見，水樣抗蒸發(fā)性差，在3h后已經(jīng)趨于恒重。而抑塵劑樣抗蒸發(fā)性明顯，5h才恒重，蒸發(fā)時間比純水提高67%，可見抑塵劑有明顯的抗蒸發(fā)性。

圖2 抑塵劑蒸發(fā)量與時間關(guān)系圖

總之，由抑塵劑吸濕保水性好和強(qiáng)高溫抗蒸發(fā)性說明抑塵劑具有有效的防塵能力。

3.3 放大試驗

3.3.1 試驗前準(zhǔn)備工作

該試驗在河曲舊縣露天礦主干道路35×3km路面上進(jìn)行，選取了一段有一定傾斜度、日照充足、通風(fēng)和重型車輛比較密集的具有代表性路面進(jìn)行現(xiàn)場試驗，等連續(xù)三天晴天后開始試驗，用稱重法研究了現(xiàn)場試樣的含水率，測塵儀測量了粉塵含量。將抑塵劑和水按1:1加入攪拌罐中，攪拌30min后，用泵抽至灑水車內(nèi)，按照日常灑水強(qiáng)度在試驗路段來回均勻噴灑。

3.3.2 試驗測試方法

（1）粉塵含量對比

為了能真實(shí)地反映河曲舊縣露天礦現(xiàn)場抑塵情況，在試驗路面等距離選取三個采樣點(diǎn)（離左邊同距離），通過設(shè)置一天內(nèi)的采樣時間和采樣間隔，讀取每次粉塵含量取平均值作為當(dāng)時實(shí)際粉塵含量。本次試驗要求分別測試不處理路面、灑水路面、灑抑塵劑路面。設(shè)置測定儀為當(dāng)天的10：30開機(jī)，連續(xù)4h監(jiān)測，設(shè)置采樣流量為100L/min。所測數(shù)據(jù)見表1。

表1 三種路面粉塵含量統(tǒng)計表

從表1可以看出，在不除塵情況下，路面粉塵含量很高，是工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（10mg/m3）的16.6倍；在4h灑水3次的路面，粉塵含量達(dá)到13.4mg/m3，是工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的1.34倍；噴灑抑塵劑后粉塵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

（2）抑塵劑有效抑塵時間試驗

按照日常灑水在試驗路面灑抑塵劑，每天取樣測含水率，A表示9：30，P表示16：30，1代表灑抑塵劑路面含水率，2表示第五天16：30在灑抑塵劑路面補(bǔ)水后路面含水率，得出灑抑塵劑路面含水率隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，灑抑塵劑路面至少可以抑塵3.5d，補(bǔ)水后又可以維持2d。但只灑水防塵不到30min就失去抑塵效果。

圖3 灑抑塵劑路面含水率與時間關(guān)系

總之，從粉塵含量和抑塵劑有效抑塵時間可以看出，工業(yè)性試驗和模擬試驗一致，說明抑塵劑除塵是露天礦除塵可選方法。

3.4 現(xiàn)場試驗及效果分析

按照設(shè)計的噴灑量，在試驗路段進(jìn)行了為期一個月的現(xiàn)場噴灑試驗。噴灑抑塵劑的第一天，路面形成一層薄膜；第二天，形成了一層較厚的硬化層，車輛路過不起塵；以后觀察現(xiàn)場情況適時補(bǔ)水或噴灑抑塵劑。

3.4.1 粉塵污染含量數(shù)據(jù)對比

試驗路段噴灑抑塵劑和單純?yōu)⑺蹓m含量對比見圖4。

圖4 試驗路段噴灑抑塵劑和單純?yōu)⑺蹓m含量對比

從圖4可以看到，噴灑抑塵劑的路段粉塵污染含量在2.5mg/m3以內(nèi)，而灑水路段大多在7.2～13.6mg/m3之間，兩者的抑塵能力相差很大。不進(jìn)行抑塵路段粉塵污染含量為30mg/m3。

3.4.2 路面水分含量數(shù)據(jù)分析

通過對試驗路段噴灑抑塵劑和單純?yōu)⑺访媸蕯?shù)據(jù)對比分析可以得到，噴灑抑塵劑的路段水分含量保持的時間長，含水量變化幅度小，灑水路段剛灑水時含水量高，但不到半個小時水分就幾乎蒸發(fā)掉?？傊?，本次試驗從路面粉塵污染含量和路面水分含量等方面與正常灑水路段對比，噴灑抑塵劑試驗路段體現(xiàn)出比較明顯的綜合抑塵效果。

4 改進(jìn)措施分析

河曲舊縣露天礦道路抑塵劑的實(shí)踐應(yīng)用表現(xiàn)出非常明顯的綜合抑塵效果。結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用過程，還可以進(jìn)行以下的改進(jìn)措施：（1）開發(fā)新型表面活性劑，增加對粉塵的潤濕效果。（2）根據(jù)不同土質(zhì)和路面狀況，研究不同系列的滲透劑，提高使用效益。（3）設(shè)計合理的噴灑方案，以最小的噴灑量，獲得最長的抑塵周期。（4）與噴灑抑塵劑道路周邊環(huán)境一起治理粉塵，方能有最佳的空氣質(zhì)量。（5）抑塵技術(shù)的推廣必須兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。