哈爾烏素露天煤礦運輸?shù)缆贩蹓m抑制技術

馬 鵬

（神華準格爾能源有限責任公司哈爾烏素露天礦,內蒙古鄂爾多斯 017000）

粉塵抑制劑具有用量小、效果好，有效期長、適應性強的特點，所以國內外相關研究單位致力于研發(fā)高效的化學抑塵劑[1]。北京科技大學、武漢理工大學等高校對化學抑塵劑的中試驗進行了探討[2]。國外研究主要研究抑塵劑的抑塵機理，開發(fā)高效、環(huán)保、經(jīng)濟的新型化學抑塵劑[3]。關于化學抑塵劑在煤礦現(xiàn)場應用的研究較少。由于不同煤礦的氣候、地質、工藝等條件的不同，導致化學抑塵劑的抑塵效果有所差異[4]，為促進化學抑塵劑的應用、提高抑塵效果，有必要對其實際運行進行研究。

1 研究必要性

哈爾烏素露天煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗東部，礦區(qū)面積67 km2，原煤儲量17.3億t，是世界單坑產能最大的露天煤礦之一[5]。哈爾烏素露天煤礦的開發(fā)利用使當?shù)亟?jīng)濟上升到一個新的增長極，但粗放的開采運輸方式所引發(fā)的揚塵一直以來是該礦迫切想解決的問題之一。據(jù)報道，露天煤礦的日均粉塵濃度為5～ 15 mg/m3，超過國家排放標準數(shù)百倍。汽車運輸過程是粉塵產生的主要環(huán)節(jié)，其粉塵產量占全礦總產塵量的70%～ 90%[6]，且瞬時粉塵濃度高達200～ 500 mg/m3，嚴重影響生產作業(yè)、運輸安全和工人身體健康[7-8]。因此，采用科學手段抑制運輸?shù)缆窊P塵，最大限度控制揚塵污染迫在眉睫。

2 防塵實驗及抑塵機理

2.1 實驗材料和實驗方案

1）實驗材料。Resinator 化學抑制劑主要由表面活性劑、合成樹脂、木質素聚合物和水組成，Resinator 化學抑制劑主要化學成分見表1。實驗所用水為黃河水，均取自哈爾烏素煤礦給水站，無需進一步凈化。

2）實驗方案。用5 臺灑水車進行30 km 路面抑塵實驗，其中部分道路（18 km 重載路段）噴灑抑塵劑，其余道路（12 km 非重載路段）加大灑水車密度，使道路粉塵濃度達到或接近國家規(guī)定粉塵標準小于等于4 mg/m3。對4 種不同抑塵劑濃度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）方案進行比較，找出技術可行、經(jīng)濟最佳的方案。根據(jù)現(xiàn)場道路情況，制訂多種不同施工方案。對實施不同抑塵劑濃度比例（1∶23、1∶18、1∶14、1：12）、不同噴灑工藝（方案A：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水6 次；方案B：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水9 次；方案C：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水12次；方案D：重載道路和每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水1 次）、不同施工道路（重載路面、非重載路面）進行比較。充分利用現(xiàn)有的5 輛水車能力（不新增水車），在重載道路（18 km）噴灑抑塵劑，非重載道路（12 km）加大灑水車密度，使道路粉塵濃度達到或接近國家規(guī)定粉塵標準≤4 mg/m3。每桶抑制劑單價為3.3 萬元，分別核算4 種方案抑制劑年總費用，找出經(jīng)濟可行的方案。

表1 Resinator 化學抑制劑主要化學成分

2.2 Resinator 抑塵機理

抑制劑的抑塵機理主要分為黏結、聚集、網(wǎng)捕、保水4 個步驟，Resinator 化學抑制劑抑塵機理示意圖如圖1。

圖1 Resinator 化學抑制劑抑塵機理示意圖

首先粉塵顆粒與水通過抑塵劑中的表面活性劑和聚合物發(fā)生黏結。如圖1（a），未加抑制劑時粉塵表面呈疏水性，在疏水作用和靜電排斥作用下粉塵與水滴難以黏粘。加入抑制劑后（圖1（b）），由于抑制劑中表面活性劑具有兩親性，有效改變了粉塵表面的疏水性，使粉塵和水珠容易黏結在一起。此外，抑制劑中的合成樹脂和木質素等聚合物可以顯著增加抑制劑溶液的表觀黏度，使水珠更容易黏附在粉塵表面，發(fā)生聚集行為。在此過程中，合成樹脂具有橋連作用，使水珠牢牢固定在粉塵表面，形成粉塵-水珠聚集體，其示意圖如圖1（c）。粉塵-水珠聚集體一方面可以固定水分，起保水作用；另一方面可以通過網(wǎng)捕作用進一步捕集粉塵。抑制劑中的合成樹脂和木質素有效增強了粉塵-水珠聚集體的機械性強度，使其在輪胎摩擦過程中不易破碎，因此，抑制劑可有效增長抑塵效果的持續(xù)時間。

3 抑塵影響因子

為篩選出技術可行、經(jīng)濟最佳的粉塵抑制方案，分別研究了噴灑量、抑制劑濃度、道路類型和噴灑工藝對抑塵效果和抑塵持續(xù)時間的影響。

3.1 道路類型

每次分別噴灑30、50、70、90、110 t 濃度為1∶18的抑制劑溶液，考察噴灑量對粉塵抑制效果持續(xù)時間的影響，抑制劑溶液噴灑量對抑塵效果持續(xù)時間的影響如圖2。

圖2 抑制劑溶液噴灑量對抑塵效果持續(xù)時間的影響

當噴灑量低于70 t/次時，重載道路抑塵效果持續(xù)時間隨噴灑量增加而增加；當噴灑量高于70 t/次時，重載道路抑塵效果持續(xù)時間為7 h 且隨噴灑量繼續(xù)增加幾乎保持不變。噴灑量較低（低于70 t/次）時，水分大量蒸發(fā)，抑制劑滲入路面的深度較淺，對路面粉塵的黏附性較弱，在車輪碾壓的情況下易失效，因此抑塵效果保持時間較短[9]。隨著噴灑量的逐漸增加，抑制劑滲入路面的深度隨之增加，對路面粉塵的黏附性增強，因此抑塵效果保持時間隨之增加。對于非重載道路，其粉塵抑制效果持續(xù)時間隨噴灑量的變化趨勢與重載道路一樣，但由于非重載道路受輪胎摩擦和碾壓作用較弱，所以抑塵效果保持時間明顯大于重載路面。綜合考慮抑塵效果和運行成本，選取70 t/次為最佳噴灑。

3.2 抑制劑濃度

固定噴灑量為70 t/次，考察不同抑制劑濃度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）對抑塵效果持續(xù)時間的影響，抑制劑濃度對t 重載道路和非重載道路抑塵效果持續(xù)時間的影響如圖3。

圖3 抑制劑濃度對t 重載道路和非重載道路抑塵效果持續(xù)時間的影響

相比于水的抑塵效果，加入抑制劑后抑塵效果持續(xù)時間明顯增長。重載道路的抑塵效果持續(xù)時間隨抑制劑濃度增加而增加，當抑制劑濃度為1∶23時，抑塵效果持續(xù)時間約為3.5 h；而當抑制劑濃度為1∶12 時，其抑塵效果持續(xù)時間約為5.0 h。抑制劑濃度增加約1 倍，而抑塵效果持續(xù)時間增加明顯小于1 倍，所以，低抑制劑濃度更有利于抑塵效果。對于低濃度抑制劑（1∶23），其黏度較小，更易滲入路面使粉塵聚集成塊；而對于高濃度抑制劑（1∶12），雖然其對粉塵的黏附聚集能力增加，但由于其黏度較大，不易滲入路面，因此對粉塵的固定深度較淺。所以，低濃度抑制劑對粉塵抑制的效率更高。對于非重載道路，抑制劑濃度對抑塵效果保持時間影響不大，較低的抑制劑濃度（1∶23）就可以使粉塵抑制效果持續(xù)時間達到24 h。所以，綜合考慮抑制劑成本和效率，選取抑制劑濃度為1∶23 為最佳濃度。

3.3 運行方式

固定噴灑量為70 t/次，選取抑制劑濃度為1∶23，考察運行方案A～D 方案對實際抑塵率的影響，運行方案對粉塵去除率的影響如圖4。

圖4 運行方案對粉塵去除率的影響

方案A～D 方案對重載道路均有較好的抑塵效果，這主要歸因于重載道路噴灑低濃度（1∶23）抑制劑抑塵。對于非重載道路，抑塵效果與水的噴灑量呈正相關，當水的噴灑量為每天6 次時，抑塵效果達到100%。綜合比較4 種方案，只有方案C 和方案D 可以滿足抑塵要求。方案D 的優(yōu)勢在于，對于非重載道路每天只需噴灑1 次低濃度抑制劑溶液，可以有效降低噴灑頻率。但是抑制劑費用較大，所以，需要核算方案C 和方案D 的運行成本。

4 經(jīng)濟技術可行性分析

基于上述研究結果，發(fā)現(xiàn)只有運行方案C 和方案D 滿足抑塵要求，所以僅需核算C 和方案D 的運行成本即可。按照抑制劑濃度為1∶23，，則重載道路的抑制劑消耗量為每天0.5 桶/km，若抑塵效果持續(xù)3.5 h，則每天噴灑7 次；非重載道路的抑制劑消耗量為每天0.062 5 桶/km，若抑塵效果持續(xù)24 h，則每天噴灑1 次。水費為6.5 元/t；油費為800 元/次。車輛和設備折舊費和維修費為1 600 元/次。運行方案成本核算見表2。

方案C 運行成本為351 245 元/d，方案D 運行成本為344 590 元/d。因此，方案D 運行成本較低，再考慮到實際工作強度和實施難度，方案D 更具有優(yōu)勢。

表2 運行方案成本核算

5 結語

化學抑制劑對哈爾烏素露天煤礦道路揚塵具有極好的抑制效果。研究結果表明：低濃度抑制劑（濃度為1∶23）更有利于抑制劑滲入地面進行抑塵；抑制劑溶液噴灑量為70 t/次時具有最佳的抑塵效果持續(xù)時間。結合成本分析和實施難度，重載道路和非重載道路均采取化學抑塵具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。