鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵劑性狀測(cè)試分析及 應(yīng)用建議

趙澤亞，劉 珺，李建國(guó)，鄭林青

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，甘肅 蘭州 730000)

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，且預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年煤炭的主導(dǎo)作用不會(huì)改變[1]。我國(guó)煤炭資源分布廣闊，煤炭作為我國(guó)貨物運(yùn)輸最主要的貨物品類，往往需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸[2]。煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中，由于風(fēng)力和風(fēng)向的作用，加之目前部分運(yùn)煤列車沒(méi)有專用的篷布遮蓋，在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵[3]?！笆奈濉币?guī)劃要求深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，對(duì)顆粒物狀污染物控制提出嚴(yán)格的治理要求。國(guó)家和地方政策對(duì)粉塵污染控制要求加高，煤炭多為粉末狀，在鐵路運(yùn)輸裝卸和貯存的過(guò)程中起塵量大，環(huán)境污染明顯，應(yīng)加強(qiáng)鐵路煤炭運(yùn)輸過(guò)程的粉塵控制。抑塵劑目前在煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、堆存等過(guò)程得到廣泛的應(yīng)用[4]，鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵是中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”)貫徹落實(shí)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)戰(zhàn)略的重要舉措[5]，有必要進(jìn)一步研究煤炭抑塵劑性狀，提升其應(yīng)用效果。

1 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵主要方法

鐵路運(yùn)輸粉狀貨物過(guò)程中，產(chǎn)生散落和揚(yáng)塵的原因主要是顛簸作用和風(fēng)力作用，且以風(fēng)力作用為主，目前鐵路煤炭運(yùn)輸過(guò)程使用的抑塵方法有灑水降塵法、覆蓋法(采用篷布或防塵網(wǎng)等抑塵工具)、封閉運(yùn)輸法、噴灑抑塵劑法等，主要抑塵方法具體情況如下。

（1）灑水降塵法。該方法比較具有普適性，普遍用于鐵路煤炭運(yùn)輸各個(gè)工作過(guò)程的起塵點(diǎn)，其缺點(diǎn)是水資源與電力資源消耗量比較大，還會(huì)消耗一定量的人力資源，對(duì)資源緊缺的地區(qū)來(lái)說(shuō)負(fù)擔(dān)較重，而且在水自然蒸發(fā)之后，粉狀貨物的濕度急劇下降，抑塵能力隨之失效，僅適用于作業(yè)點(diǎn)的臨時(shí)揚(yáng)塵控制，不適用于長(zhǎng)距離的運(yùn)輸抑塵作業(yè)。

（2）覆蓋法。該方法采用篷布和防塵網(wǎng)等工具對(duì)散堆貨物或敞車車體進(jìn)行覆蓋，以控制揚(yáng)塵逸散。該方法耗費(fèi)大量的人力物力，物料破損會(huì)導(dǎo)致抑塵成本增加，且無(wú)法與當(dāng)前煤炭自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)完美結(jié)合，影響裝車卸車效率。

（3）封閉運(yùn)輸法。該方法可以將粉狀貨物與空氣隔絕，除泄漏之外基本不會(huì)產(chǎn)生粉塵，但是與當(dāng)前煤炭自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)不能完全匹配，并未得到大規(guī)模的推廣運(yùn)用。

（4）噴灑抑塵劑法。該方法是一種防止煤炭起塵的常用方法，不用增加篷布設(shè)施，節(jié)省物料成本，具有便捷高效的優(yōu)勢(shì)，且對(duì)目前煤炭自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)不存在干擾。噴灑抑塵劑的方法在鐵路煤炭運(yùn)輸過(guò)程廣泛應(yīng)用，其中液體抑塵劑多可以直接使用，但缺點(diǎn)為體積較大，運(yùn)輸不便；固體抑塵劑一般為粉末狀，需要現(xiàn)場(chǎng)配制成溶液后進(jìn)行噴灑，采用自動(dòng)溶液配制及噴灑裝置還可節(jié)省大量人力資源，使用方便。

在煤炭運(yùn)輸及堆存過(guò)程中，抑塵劑工作原理為表面黏結(jié)固定原理[4]。當(dāng)在煤炭表面噴灑了抑塵劑之后，細(xì)小粉塵顆粒會(huì)被黏結(jié)起來(lái)，煤炭表面會(huì)形成一層堅(jiān)硬且粘結(jié)性很強(qiáng)的固化層，固化層本身由于粘結(jié)作用難以逸散，下方煤炭由于固化層的覆蓋亦得到保護(hù)，從而達(dá)到抑塵效果。由于煤炭在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中通常采用敞車運(yùn)輸[6-7]，故抑塵劑抑塵法是一種極具前景的抑塵方式。

2 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵劑性狀測(cè)試分析

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵劑應(yīng)用廣泛，好的抑塵劑具有穩(wěn)定性強(qiáng)、適用性廣、對(duì)保護(hù)對(duì)象性能影響小、環(huán)境污染小、毒性小、刺激性小、腐蝕性低等特點(diǎn)。根據(jù)裝載方式的不同，鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵劑分為Ⅰ型抑塵劑和Ⅱ型抑塵劑，煤炭裝載不超出貨車端側(cè)墻高度時(shí)使用Ⅰ型抑塵劑，煤炭裝載超出貨車端側(cè)墻高度時(shí)使用Ⅱ型抑塵劑[8]。

國(guó)鐵集團(tuán)規(guī)定，所選用的抑塵劑產(chǎn)品應(yīng)符合行業(yè)及國(guó)鐵集團(tuán)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，并經(jīng)具有中國(guó)計(jì)量認(rèn)證(CMA)、中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)(CNAS)認(rèn)可等資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格。抑塵劑的風(fēng)蝕率、固化層厚度是評(píng)價(jià)抑塵效果的重要指標(biāo)，并且在使用抑塵劑過(guò)程中不可避免地會(huì)與工作人員接觸，須保障工作人員的身體健康，以及良好的工作環(huán)境與工作體驗(yàn)，故應(yīng)當(dāng)具有無(wú)毒無(wú)害、刺激性低的特點(diǎn)?；谏鲜隹紤]，需對(duì)抑塵劑的風(fēng)蝕率、固化層厚度、皮膚刺激性與急性經(jīng)口毒性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 風(fēng)蝕率與固化層厚度測(cè)試

根據(jù)《鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵技術(shù)條件第1部分：抑塵劑》(TB/T3210.1-2020)的要求，在進(jìn)行吹蝕試驗(yàn)之前，將煤試樣和托盤一起稱重，稱重后將試樣放入風(fēng)管中吹蝕5 min，吹蝕過(guò)程結(jié)束之后再次稱取試樣重量，吹蝕過(guò)后煤炭試樣損失的質(zhì)量除以吹蝕試驗(yàn)前原煤炭試樣的質(zhì)量即為風(fēng)蝕率。Ⅰ型抑塵劑風(fēng)蝕率檢測(cè)布置方式示意圖如圖1所示，圖中①為放在吹蝕工作臺(tái)上的試樣。Ⅱ型抑塵劑風(fēng)蝕率檢測(cè)布置方式示意圖如圖2所示，圖中①②③均為被試試樣。圖1和圖2中的2種布置方式，分別模擬了煤炭裝載不超出車廂廂體高度和超出車廂廂體高度2種不同的裝載方式下作業(yè)時(shí)抑塵劑的使用環(huán)境，當(dāng)堆積角為45°時(shí)，煤炭表面承受的風(fēng)壓載荷最大，此角度可以最大程度考核抑塵劑對(duì)煤炭的抑塵效果[9]。

圖1 Ⅰ型抑塵劑風(fēng)蝕率檢測(cè)布置方式示意圖 Fig.1 Layout of wind erosion rate detection of type I dust suppressant

圖2 Ⅱ型抑塵劑風(fēng)蝕率檢測(cè)布置方式示意圖 Fig.2 Layout of wind erosion rate detection of type II dust suppressant

固化層厚度檢測(cè)在進(jìn)行吹蝕試驗(yàn)后的試樣上進(jìn)行，分別在試樣中任意取4處固化層，測(cè)量厚度后取其算術(shù)平均值作為固化層厚度的檢測(cè)結(jié)果[8]，統(tǒng)計(jì)得到抑塵劑風(fēng)蝕率及固化層厚度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。檢測(cè)結(jié)果表明，2種抑塵劑的合格率差別不大，Ⅰ型抑塵劑風(fēng)蝕率的檢測(cè)結(jié)果介于0.1% ~ 31%之間，合格率為86.4%，Ⅱ型抑塵劑風(fēng)蝕率的檢測(cè)結(jié)果介于0.1% ~ 27%之間，合格率為85.0%。Ⅰ型抑塵劑固化層厚度介于8 ~ 15 mm之間(以11 ~ 12 mm居多)，合格率為95.5%，Ⅱ型抑塵劑固化層厚度介于9 ~ 15 mm 之間(以12 ~ 13 mm居多)，合格率為95.0%。

表1 抑塵劑風(fēng)蝕率及固化層厚度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of wind erosion rates and solidified layer thicknesses of dust suppressants

由表1可知，抑塵劑固化層厚度和風(fēng)蝕率的檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)比較大的相關(guān)性，風(fēng)蝕率較低的抑塵劑往往固化層厚度也比較厚，且固化層厚度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的抑塵劑風(fēng)蝕率也往往不合格。從單項(xiàng)指標(biāo)的合格率來(lái)看，固化層厚度指標(biāo)的合格率高于風(fēng)蝕率指標(biāo)。試驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)固化層厚度較厚而風(fēng)蝕率較高的現(xiàn)象往往是因?yàn)楣袒瘜颖砻娉霈F(xiàn)孔洞或者裂縫，在較大的風(fēng)速下煤塵損失現(xiàn)象比較嚴(yán)重，該現(xiàn)象在抑塵劑的研發(fā)與生產(chǎn)中值得關(guān)注。風(fēng)蝕率的檢測(cè)結(jié)果范圍波動(dòng)較大，尤其是不合格的抑塵劑，煤炭損失率可以高達(dá)30%，抑塵效果非常差。

2.2 刺激性與毒性測(cè)試

為掌握抑塵劑皮膚刺激性和急性經(jīng)口毒性，對(duì)54種抑塵劑進(jìn)行試驗(yàn)，其中Ⅰ型抑塵劑25種，Ⅱ型抑塵劑29種。

皮膚刺激性是用動(dòng)物進(jìn)行試驗(yàn)，選取4只白色家兔，對(duì)其脊柱兩側(cè)部分皮膚進(jìn)行脫毛處理，于其中一側(cè)的裸露皮膚上涂抹待測(cè)抑塵劑試樣，并用4層紗布敷于皮膚之上，用無(wú)刺激的繃帶固定紗布，于 4 h后移去紗布并對(duì)皮膚反應(yīng)進(jìn)行分級(jí)，并于除去抑塵劑試樣24 h，48 h，72 h之后分別對(duì)皮膚刺激性反應(yīng)進(jìn)行觀察并評(píng)分，根據(jù)24 h，48 h，72 h各觀察時(shí)點(diǎn)最高積分均值作為判定標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定皮膚刺激性試驗(yàn)評(píng)分如表2所示，皮膚刺激性評(píng)價(jià)規(guī)則如表3所示，皮膚刺激性試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表2 皮膚刺激性試驗(yàn)評(píng)分Tab.2 Skin irritation testing and scoring

表3 皮膚刺激性評(píng)價(jià)規(guī)則 Tab.3 Rules of skin irritation evaluation

表4 皮膚刺激性試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of skin irritation test results

急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)是檢測(cè)和評(píng)價(jià)試驗(yàn)物品毒性的一項(xiàng)試驗(yàn)，由試驗(yàn)人員一次性或24 h內(nèi)多次經(jīng)口給予試驗(yàn)動(dòng)物受試物后，在短期內(nèi)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生的毒性反應(yīng)進(jìn)行觀察，包括中毒體征和死亡，通常用半數(shù)致死量LD50來(lái)表示急性經(jīng)口毒性。急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

在檢測(cè)的54種抑塵劑中，其中有52種抑塵劑皮膚刺激反應(yīng)積分為0分，所對(duì)應(yīng)皮膚刺激性強(qiáng)度為無(wú)刺激；有1種抑塵劑皮膚刺激反應(yīng)積分為0.5分，所對(duì)應(yīng)皮膚刺激性強(qiáng)度為輕刺激性；有1種抑塵劑皮膚反應(yīng)積分為0.8分，對(duì)應(yīng)皮膚刺激性強(qiáng)度為輕刺激性。54種抑塵劑的急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)結(jié)果皆為L(zhǎng)D50＞ 5 000，表明抑塵劑為實(shí)際無(wú)毒。從皮膚刺激性和急性經(jīng)口毒性檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，檢測(cè)范圍內(nèi)的Ⅰ型和Ⅱ型抑塵劑在皮膚刺激性和急性經(jīng)口毒性方面表現(xiàn)相當(dāng)，均處于較低的水平。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)煤炭運(yùn)輸抑塵劑進(jìn)行檢測(cè)，表明其急性毒性和皮膚刺激性均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，固化層厚度和風(fēng)蝕率的檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)較大的相關(guān)性，固化層厚度較厚而風(fēng)蝕率較高的現(xiàn)象多是因?yàn)楣袒瘜颖砻娉霈F(xiàn)孔洞或者裂縫。抑塵劑的配制必須嚴(yán)格按照抑塵劑的使用說(shuō)明書(shū)來(lái)進(jìn)行，選取合適的噴灑方式與裝置對(duì)抑塵效果也至關(guān)重要[10]，根據(jù)上述結(jié)論，提出具體建議如下。

（1）在抑塵劑的研發(fā)過(guò)程中應(yīng)對(duì)固化層產(chǎn)生孔洞與裂縫的現(xiàn)象予以關(guān)注，可進(jìn)一步研究抑塵劑的膠結(jié)機(jī)理，減少孔洞和裂縫的產(chǎn)生，加強(qiáng)抑塵劑的抑塵效果。

（2）在抑塵劑的使用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)抑塵劑的種類、線路的類型選擇合適的噴灑方式，溶液應(yīng)均勻、足量噴灑，還應(yīng)根據(jù)噴灑方式控制列車或移動(dòng)噴灑裝置的行進(jìn)速度，列車恒定運(yùn)行的條件下，檢測(cè)噴灑量是否與速度相匹配。噴灑裝置應(yīng)及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，防止噴灑裝置出水口堵塞，影響噴灑作業(yè)的進(jìn)行。

（3）跟蹤抑塵劑的抑塵效果隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，可根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)間或者運(yùn)輸距離等因素及時(shí)補(bǔ)噴，確保抑塵劑可以保持較高的抑塵效果。

（4）鐵路行業(yè)在運(yùn)輸和堆放其他粉狀貨物時(shí)，并沒(méi)有針對(duì)性或者通用性較好的抑塵劑，尤其是近年來(lái)運(yùn)輸粉煤灰等固體廢物時(shí)，沒(méi)有較好的抑塵手段，可開(kāi)發(fā)相關(guān)抑塵劑產(chǎn)品加強(qiáng)對(duì)起塵現(xiàn)象的控制。