微米級(jí)干霧抑塵裝置的研究及工業(yè)應(yīng)用

趙環(huán)帥，尹德奪

(1.中國(guó)冶金礦山細(xì)粒篩分機(jī)械工程技術(shù)研究中心；2.唐山杰斯德科技有限公司，河北 唐山 063020)

目前，我國(guó)在能源格局上進(jìn)行了重大調(diào)整，將煤炭清潔及高效開(kāi)發(fā)利用作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的首要任務(wù)與立足點(diǎn)，為煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)清潔高效發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)深度融合，又為煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)換發(fā)展動(dòng)力、提升競(jìng)爭(zhēng)力帶來(lái)了新的機(jī)遇。與此同時(shí)，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006—2020年》中指出，要促進(jìn)煤炭的清潔高效利用，降低環(huán)境污染；《中國(guó)制造2025》提出加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，推進(jìn)制造過(guò)程智能化；《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出人工智能成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，在制造重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域開(kāi)展人工智能應(yīng)用試點(diǎn)示范，推動(dòng)人工智能規(guī)?；瘧?yīng)用，全面提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展智能化水平。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境及國(guó)家政策的雙重影響下，節(jié)能環(huán)保與智能化逐漸成為未來(lái)我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。今后在選煤廠設(shè)計(jì)或設(shè)備的采用時(shí)，注重節(jié)能環(huán)保與智能化理念，可以有效促進(jìn)選煤廠在降噪、節(jié)能、節(jié)水、防塵與循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的發(fā)展。

1 項(xiàng)目研發(fā)的必要性

工業(yè)粉塵是指在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生并懸浮在勞動(dòng)生產(chǎn)場(chǎng)所空氣中各類(lèi)粉塵的總稱(chēng)，其粒徑通常在0.1～100 μm，尤其粒徑小于10 μm的粉塵，可長(zhǎng)時(shí)間在空氣中漂浮[1]。工業(yè)粉塵不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)者的身心健康，且具有易爆性，威脅生產(chǎn)安全。為了治理粉塵污染，通過(guò)對(duì)選煤廠、選礦廠、采礦區(qū)、水泥廠、火電廠及物料轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)等各行業(yè)中容易存在粉塵區(qū)域的粉塵運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行調(diào)研分析，結(jié)果如表1。

表1 各粒度級(jí)粉塵運(yùn)動(dòng)特性

由表1可知，在各粒度級(jí)粉塵中，150 μm 以下的粉塵顆粒是粉塵處理的主要目標(biāo)。尤其直徑為5 μm 以下的可吸入粉塵顆粒是造成塵肺病等職業(yè)病的主要根源，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的健康和生命。其主要特點(diǎn)是：化學(xué)活性、吸附能力強(qiáng)，極易吸附一氧化碳、氮氧化合物等有毒有害污染物，長(zhǎng)期浮游在空氣中四處飄散，且粒徑小，相對(duì)表面積大，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重污染。而傳統(tǒng)的干式除塵與濕式除塵裝置對(duì)這些粉塵目前無(wú)有效的治理辦法。因此，為了確保工作人員的身體健康和安全文明生產(chǎn)，研究一種微米級(jí)干霧抑塵裝置，對(duì)各種粉塵污染進(jìn)行有效治理，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，亦是目前亟待解決的問(wèn)題。

2 干霧抑塵裝置工作原理

一般而言，所謂干霧是指通過(guò)采用各種技術(shù)，把水霧轉(zhuǎn)化成直徑在10 μm 以下的超細(xì)霧滴。干霧抑塵是21世紀(jì)以來(lái)在國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用的具有先進(jìn)水平的濕式除塵技術(shù)，其原理主要來(lái)源于歐美研究理論—— “水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時(shí)吸附、過(guò)濾、凝結(jié)的幾率最大”。干霧抑塵主要利用干霧噴霧器產(chǎn)生微細(xì)水霧顆粒，使粉塵顆粒能相互粘結(jié)或聚結(jié)增大，最終在自身重力作用下沉降(圖1)。粉塵顆粒在粘結(jié)或聚結(jié)增大的過(guò)程中，只有當(dāng)加入化學(xué)劑(如表面活性劑)減小水的表面張力或水滴很小(如干霧)時(shí)，最細(xì)小的粉塵顆粒才會(huì)聚結(jié)成團(tuán)[2-3]。

圖1 干霧抑塵原理示意

根據(jù)水霧顆粒與粉塵顆粒的大小，抑塵效果主要分為以下幾種情況：

(1)水霧顆粒直徑大于粉塵顆粒時(shí)，粉塵隨水霧顆粒周?chē)鷼饬鞫\(yùn)動(dòng)，水霧顆粒和粉塵顆粒接觸很少或沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸，從而達(dá)不到抑塵作用；

(2)水霧顆粒與粉塵顆粒直徑接近，粉塵顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)與水霧顆粒碰撞、接觸而粘結(jié)一起。

(3)水霧顆粒直徑越小，聚結(jié)機(jī)會(huì)就越大，隨著聚結(jié)粉塵團(tuán)變大加重，很容易沉降，形成了水霧對(duì)粉塵的“過(guò)濾”作用[4-6]。

微米級(jí)干霧抑塵裝置以粉塵凝結(jié)等現(xiàn)代抑塵技術(shù)為核心，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)抑塵理論，大膽突破了末端治理的常規(guī)思維，采用從污染源頭進(jìn)行治理的開(kāi)創(chuàng)性思路。其主要原理為：采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)聲波振蕩器，通過(guò)高頻聲波將水高度霧化成水霧顆粒(1～10 μm)，然后在壓縮氣流作用下，通過(guò)噴頭共振室將水霧顆粒以低速、柔軟的霧狀方式噴射到粉塵處，對(duì)懸浮在空氣中的粉塵，尤其是直徑在5 μm以下的可吸入粉塵進(jìn)行有效吸附，使粉塵凝聚后在自身重力作用下沉降，從而達(dá)到抑塵作用。

3 干霧抑塵系統(tǒng)流程

微米級(jí)干霧抑塵裝置流程如圖2所示。當(dāng)需要抑塵時(shí)，微米級(jí)干霧抑塵裝置提前或者同步工作，使氣源、水源經(jīng)過(guò)微米級(jí)干霧抑塵裝置，進(jìn)入噴霧器組件(水氣分配器)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴霧。

圖2 噴霧抑塵系統(tǒng)流程示意

4 干霧抑塵裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

微米級(jí)干霧抑塵裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由微米級(jí)干霧機(jī)、儲(chǔ)氣罐、配電箱、螺桿式空氣壓縮機(jī)、水氣分配器與萬(wàn)向節(jié)噴霧器總成、水氣連接管線、電伴熱帶和控制信號(hào)線組成，如圖3所示。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

圖3 微米級(jí)干霧抑塵裝置

(1)微米級(jí)干霧機(jī)。干霧機(jī)由多個(gè)系統(tǒng)組成：電控系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、多功能控制系統(tǒng)等。在面板上安裝有電控系統(tǒng)按鈕，內(nèi)部安裝集成化編程的電控模塊，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。機(jī)體為碳鋼噴塑，防護(hù)等級(jí)為IP65標(biāo)準(zhǔn)。

(2)儲(chǔ)氣罐。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的排氣量不能滿(mǎn)足干霧機(jī)瞬時(shí)排量要求時(shí)，儲(chǔ)氣罐先儲(chǔ)存螺桿式空氣壓縮機(jī)排出的壓縮空氣，以滿(mǎn)足干霧抑塵裝置瞬時(shí)用氣量的需要。

(3)配電箱。配電箱是整個(gè)微米級(jí)干霧抑塵裝置的配電系統(tǒng)。根據(jù)用電功率的要求，配電箱稍有區(qū)別。

(4)螺桿式空氣壓縮機(jī)。主要為微米級(jí)干霧抑塵裝置提供符合標(biāo)準(zhǔn)要求的氣源。

(5)水氣分配箱與萬(wàn)向節(jié)噴霧器總成。主要用于接收由干霧抑塵機(jī)輸送的氣、水，且將其轉(zhuǎn)化為直徑為10 μm 以下的微細(xì)水霧顆粒，然后根據(jù)干霧抑塵機(jī)控制系統(tǒng)的指令噴向抑塵點(diǎn)。

(6)水氣連接管線。指采用不同管徑的熱浸鋅鋼管，將干霧抑塵機(jī)、噴霧器總成、壓縮空氣儲(chǔ)氣罐、螺桿式空氣壓縮機(jī)及水源等按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接。

(7)電伴熱帶和控制信號(hào)線組成。電伴熱系統(tǒng)主要布置在干霧抑塵機(jī)、噴霧器總成及水、氣管路上。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，可手動(dòng)啟動(dòng)?？刂菩盘?hào)線用于干霧抑塵機(jī)的控制系統(tǒng)。

5 干霧抑塵裝置主要技術(shù)參數(shù)

(1)空氣壓縮機(jī)電源：交流三相380V/50Hz。

(2)控制系統(tǒng)電源：交流220V/50Hz。

(3)電伴熱帶電源：交流220V/50Hz，功率：根據(jù)實(shí)際使用設(shè)定。

(4)設(shè)備供水要求：壓力0.3～0.6 MPa，硬度不大于450 mg/L，pH值6.5～8.5，懸浮物不大于50 mg/L，氯化物不大于250 mg/L。

(5)設(shè)備供氣要求：固體顆粒最大直徑不大于1 μm，空氣中所含的灰塵量不大于1.0 mg/m3，含油率不大于3×10-6。

(6)設(shè)備供氣壓力0.6～0.8 MPa，具體壓力值需根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)定。

(7)設(shè)備供水壓力0.3～0.6 MPa，具體壓力值需根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)定(要求不大于0.6 MPa)。

(8)每個(gè)噴頭噴霧耗氣量：0.115 m3/min(隨實(shí)際氣壓值變化)。

(9)每個(gè)噴頭噴霧耗水量：7.1 L/h(隨實(shí)際水壓值變化)。

(10)干霧霧珠直徑不大于10 μm。

6 干霧抑塵裝置使用方法

6.1 控制界面

干霧抑塵裝置控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

(1)當(dāng)旋鈕旋轉(zhuǎn)至“手動(dòng)”位置時(shí)，可以通過(guò)操作界面的各個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)各水氣分配器的手動(dòng)噴霧。

(2)當(dāng)旋鈕旋轉(zhuǎn)至“自動(dòng)”位置時(shí)，直接按下“運(yùn)行”鍵，所有水氣分配器同時(shí)噴霧。

(3)水壓欠壓、氣壓欠壓、自清洗過(guò)濾器超壓時(shí)報(bào)警燈會(huì)亮，此時(shí)需對(duì)相應(yīng)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 控制界面示意

6.2 手動(dòng)操作

(1)將旋鈕旋轉(zhuǎn)至“手動(dòng)”位置，可以通過(guò)操作界面的各個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

(2)按下“清洗”鍵，對(duì)自清洗過(guò)濾器進(jìn)行清洗；排完臟水后再次按下“清洗”鍵，則關(guān)閉清洗。

(3)“1號(hào)～8號(hào)噴霧”按鍵控制不同起塵點(diǎn)的水氣分配器，根據(jù)需要抑塵的起塵點(diǎn)按下對(duì)應(yīng)的水氣分配器控制按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)起塵點(diǎn)的獨(dú)立控制。

(4)按下“停止”鍵，設(shè)備停止噴霧。

(5)設(shè)備停止噴霧后，按下“吹掃”鍵，則自動(dòng)吹掃水氣管路及干霧機(jī)內(nèi)的水，避免冬季結(jié)冰堵塞管路。

6.3 自動(dòng)操作

(1)將旋鈕旋轉(zhuǎn)至“自動(dòng)”位置，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全自動(dòng)控制。

(2)自動(dòng)模式下按下“運(yùn)行”鍵，所有水汽分配器打開(kāi)，進(jìn)行噴霧。

(3)當(dāng)自清洗過(guò)濾器壓力值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，過(guò)濾器進(jìn)行自清洗。

(4)自動(dòng)模式下按下“停止”鍵，所有水汽分配器關(guān)閉，停止噴霧并吹掃管路與干霧機(jī)內(nèi)的水。

7 工業(yè)應(yīng)用效果

圖5 微米級(jí)干霧抑塵裝置在輸送機(jī)上的應(yīng)用

在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，粉塵處理的主要對(duì)象是無(wú)組織排放的150 μm以下粒級(jí)粉塵顆粒，尤其是可吸入性直徑5 μm以下粒級(jí)的粉塵顆粒，對(duì)人體易造成不可恢復(fù)性傷害，是目前造成塵肺病等職業(yè)病的主要根源。在選煤廠中，粉塵來(lái)源主要有煤炭的破碎、篩分及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，以某選煤廠為例(圖5和圖6)，應(yīng)用效果表明：微米級(jí)干霧抑塵裝置大大降低了粉塵對(duì)大氣的污染，在破碎、篩分、輸送、裝卸等無(wú)組織排放源封閉及半封閉場(chǎng)所粉塵污染區(qū)域，綜合抑塵效果達(dá)到95%以上；對(duì)10 μm 以下粒級(jí)可吸入性粉塵治理效果高達(dá)96%以上；改善了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)環(huán)境與施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，避免或減少了塵肺病等職業(yè)病的危害或發(fā)生。該除塵裝置耗水量小，物料濕度增加重量比為0.02%～0.05%，無(wú)二次污染。另外，使用該除塵裝置還具有以下優(yōu)勢(shì)：減少了煤炭損失量，煤炭熱值損失量減少(相對(duì)噴淋除塵)；全自動(dòng)控制、操作方便、占地面積??；設(shè)備資金投入少，運(yùn)行與維護(hù)成本較低；適用于污染源頭為無(wú)組織排放，密閉或半密閉空間；大幅度減少粉塵爆炸幾率，節(jié)約了消防設(shè)備投入。

圖6 微米級(jí)干霧抑塵裝置在破碎機(jī)上的應(yīng)用

8 結(jié) 語(yǔ)

微米級(jí)干霧抑塵是目前國(guó)際上最先進(jìn)的抑塵技術(shù)，具有抑塵能力較大、耗水量小、無(wú)二次污染、節(jié)能環(huán)保、占地面積少、全自動(dòng)控制、操作方便、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，同時(shí)也可減少煤炭損失量，避免塵肺病危害，降低作業(yè)場(chǎng)所粉塵爆炸幾率，減少生產(chǎn)設(shè)備及消防設(shè)備投入。隨著未來(lái)我國(guó)節(jié)能環(huán)保與智能化趨勢(shì)的發(fā)展，該技術(shù)的推廣與應(yīng)用，將大大促進(jìn)選煤廠等企業(yè)的安全生產(chǎn)，保障現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身心健康，提高企業(yè)的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。