粉塵檢測與翻車機底層灑水聯(lián)動系統(tǒng)設計與研究

胡佑兵

秦皇島港股份有限公司第六港務分公司 河北秦皇島 066000

煤 炭作為我國的主要能源，在我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。由于煤炭資源和消費在空間上的差異化分布，目前我國基本形成“西煤東運、北煤南調(diào)”的格局，煤炭港口已基本形成以環(huán)渤海港口“秦皇島港、天津港、黃驊港、京唐港、曹妃甸港”為主，“青島港、日照港、連云港、營口港、錦州港、煙臺港”為輔的北煤下水體系。水路運輸憑借其便捷和經(jīng)濟的運輸優(yōu)勢，使煤炭港口得到快速發(fā)展，但同時也給沿海港口城市的大氣環(huán)境造成不同程度的污染[1]。

煤炭在港口要經(jīng)過翻 (卸) 車、輸送、堆垛、取料、輸送、裝船等多個環(huán)節(jié)，由于物料撞擊、落差以及氣流沖擊、設備攪動、振動等因素會產(chǎn)生大量煤塵，這些煤塵嚴重危害到人員健康和設備安全運轉(zhuǎn)。隨著人們的環(huán)保意識加強，目前各港口均采取了大量抑塵措施，環(huán)境污染問題得到明顯改善，但是對港口企業(yè)來說，如何能夠在抑塵的同時兼顧節(jié)能和煤質(zhì)，是一個重要的研究課題[2]。

帶式輸送機是港口輸煤系統(tǒng)的重要設備，其分布范圍最廣、線路最長，煤炭在帶式輸送機轉(zhuǎn)運過程中，由于輸送帶振動、落料沖擊、煤炭濕度小等原因，極易產(chǎn)生揚塵，而灑水是最直接有效的抑塵手段。水能夠使干燥細小的煤塵顆粒粘連成較大顆粒，從而使顆粒增大，不易飛揚，因此分布在帶式輸送機沿線的灑水除塵設備最多。但就目前實施效果來說，主要問題有 2 點：①灑水只作用于煤炭表面，導致只有一小部分煤炭濕潤，大部分煤炭仍然干燥的情況，抑塵效果不好；② 灑水設備不能根據(jù)是否起塵、起塵量多少進行灑水量調(diào)節(jié)，只是跟隨流程啟停，這樣就會不可避免地存在灑水過投現(xiàn)象，不僅浪費水電，對煤炭熱值也會產(chǎn)生影響。只有在煤炭落至輸送帶之前減少煤塵，才能將灑水設備減投甚至停用，從而降低成本。針對第 1 點問題，目前翻堆作業(yè)線上較為先進的辦法是，在帶式輸送機的源頭即翻車機底層給料器里進行灑水，在給料下煤過程中讓所有煤炭得到充分濕潤，使煤炭在帶式輸送機轉(zhuǎn)運過程中不再起塵，達到一次灑水全流程無塵的效果。但如何解決第 2 點問題，即何時投入灑水、投灑多少量的水，在環(huán)保抑塵的前提下，節(jié)水節(jié)能的同時還能降低灑水對煤炭熱值的影響，目前各煤炭港口都在積極探索。筆者以秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線煤塵治理為例，詳細地論述了一種新型的灑水系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過粉塵檢測裝置調(diào)控底層灑水，有效地實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的目的。

1 可行性分析

要想改變?yōu)⑺{(diào)控模式，讓環(huán)保設備不再簡單地跟隨流程啟停，而是依據(jù)翻堆作業(yè)線帶式輸送機起塵情況決定灑水投用量，就需要對起塵情況進行定量分析。事實上最簡單粗獷的方法是目測，起塵時就將灑水投入，起塵量大時就多投灑，但操作工不可能持續(xù)盯著帶式輸送機沿線起塵情況來手動調(diào)節(jié)灑水量，因此，需要使用設備檢測代替人工目測。用設備檢測起塵情況，就需要有一個衡量標準，用于判定起塵大小。雖然煤炭的含水率、煤化程度、粒度等因素對煤炭起塵都會產(chǎn)生影響，但卻不能根據(jù)這些因素判定起塵多少，因為同一煤種在不同作業(yè)環(huán)境、不同天氣下的起塵情況不同，起塵大小是由單位體積內(nèi)煤塵數(shù)量決定的，即其質(zhì)量濃度。粉塵質(zhì)量濃度是反映起塵大小的最直觀數(shù)據(jù)，因此無需考慮煤炭自身狀況如何，只需找到一種粉塵質(zhì)量濃度檢測設備用于判定輸煤帶式輸送機起塵大小，再用檢測數(shù)據(jù)指導灑水設備的投用情況，進而設計一種快速有效的控制算法，就能夠很好地解決第 2 點問題。

2 粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置

2.1 安裝位置的選擇

為了能夠確保翻堆作業(yè)一次灑水全流程不起塵，粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置應當安裝在輸煤帶式輸送機起塵最大位置，該位置通常為 1 號轉(zhuǎn)接塔導料槽處。此處煤炭落差大，受沖擊性氣流影響，起塵最大，且導料槽為半封閉空間，檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。煤炭在翻車機底層被灑水后，轉(zhuǎn)運到轉(zhuǎn)接塔導料槽處，如果不起塵，說明底層的灑水是有效的，帶式輸送機沿線其他地方也不會起塵。

2.2 粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置設計

目前并未有適用輸煤帶式輸送機的長時在線粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置，筆者選用了一種靜電式粉塵質(zhì)量濃度檢測儀。該檢測儀的原理是，當管道內(nèi)含有粉塵顆粒的氣流經(jīng)過一個固定的傳感器時，粉塵顆粒在運動中所產(chǎn)生的微弱電流被傳感器采集并傳送至變送器，經(jīng)變送器過濾、放大，處理成為一個與粉塵質(zhì)量深度成線性關(guān)系的標準輸出值。該檢測儀主要用于管道粉塵檢測，要求最低需在 80 cm 長的金屬管道中使用，且風速不能低于 3 m/s。為使其能夠應用于輸煤帶式輸送機沿線上，設計了一段送風集塵管道 (見圖1)，以滿足其使用條件。該管道由 3 段組成，呈門字形，兩端各裝 1 個風機，左側(cè)風機將煤塵從導料槽中抽入管道，右側(cè)風機將煤塵從管道中送回導料槽，煤塵得以在管道中流動。導料槽內(nèi)起塵大小不一，風機單位時間內(nèi)抽到的煤塵量自然不同，則該檢測儀檢測到的煤塵質(zhì)量濃度就有差異，這種差異反映了煤塵大小，用于指導底層電動閥開度調(diào)節(jié)。

圖1 粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置Fig. 1 Dust mass concentration detection device

3 灑水管路布置

在翻堆作業(yè)線要想達到一次灑水全流程無塵的效果，目前最先進的辦法就是在翻車機底層給料器里灑水，但各煤炭港口設備情況不同，管路布置方案自然會略有差異。秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線共有 2 臺翻車機、2 臺堆料機、4 個轉(zhuǎn)接塔和 7 條帶式輸送機，每臺翻車機底層有 6 個給料器，煤炭在帶式輸送機沿線上的轉(zhuǎn)運流程起始位置是翻車機底層?；谠摲炎鳂I(yè)線設計的粉塵檢測與翻車機底層灑水聯(lián)動系統(tǒng)如圖 2 所示。在翻車機底層給料器布置灑水管路，包括1 根主供水路和 6 根分支水路，在主供水路設置手輪式蝶閥、電動閥和流量計，6 根分支水路分別進入給料器，分支水路末端安裝霧化噴頭，在煤炭經(jīng)給料器落料過程中，水霧與煤炭充分混合。由于 6 臺給料器是同時落料，且下方輸送帶又在不停運轉(zhuǎn)，因此落至輸送帶上的煤炭呈多層分布，且每一層煤炭均得到濕潤，因此只要灑水量適當，無論煤炭在帶式輸送機沿線如何振動、翻轉(zhuǎn)、受落料沖擊，都不會起塵[3]。

圖2 粉塵檢測與翻車機底層灑水聯(lián)動系統(tǒng)示意Fig. 2 Sketch of linkage system of dust detection and sprinkler at bottom of car dumper

4 控制方案

4.1 控制系統(tǒng)

如圖 3 所示，控制系統(tǒng)由上位機、可編程邏輯控制器 (PLC)、粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置、電動閥、流量計及手輪式蝶閥等組成。手輪式蝶閥控制水流量上限，電動閥調(diào)節(jié)瞬時流量，流量計反饋瞬時流量，粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置實時檢測煤塵質(zhì)量濃度。電動閥開度調(diào)節(jié)信號和反饋信號、流量計反饋信號及粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置信號均引入 PLC，系統(tǒng)通過 PLC 程序快速有效地自主尋找到最少灑水量。上位機用于系統(tǒng)的手自動調(diào)節(jié)，以及瞬時流量、累計流量、電動閥開度的顯示。

圖3 控制算法原理Fig. 3 Sketch of control algorithm

4.2 標定煤炭起塵閾值

為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動灑水調(diào)節(jié)，需要確定煤炭起塵的閾值，即粉塵質(zhì)量濃度小于多少時沒有可見揚塵。關(guān)閉帶式輸送機沿線上所有除塵設備，安排人員對帶式輸送機沿線起塵情況進行觀測，重點是粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置所在轉(zhuǎn)接塔處的煤塵情況。帶式輸送機作業(yè)時，手動調(diào)節(jié)翻車機底層灑水，逐漸加大灑水量，直至起塵消失，記錄消失時的煤塵質(zhì)量濃度，如此對多列火車多個煤種進行多次標定，即可確定煤炭在翻堆帶式輸送機沿線上的起塵閾值。秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線上的起塵閾值標定值為 8 mg/m3，在線標定記錄如表 1 所列。

表1 煤炭起塵閾值在線標定記錄Tab.1 Online calibration record of coal dusting threshold

4.3 控制算法

控制算法的核心思路是，依據(jù)粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置檢測值與起塵閾值比對結(jié)果，利用 PLC 給予電動閥控制信號動態(tài)調(diào)整其開度，直至煤塵質(zhì)量濃度略低于起塵閾值，此時電動閥開度最佳，抑塵所用灑水量最少。由于灑水管路在翻車機底層，而粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置在 1 號轉(zhuǎn)接塔，即檢測點滯后于灑水點，當檢測到煤塵質(zhì)量濃度高時，調(diào)節(jié)底層灑水量后，需要間隔一定時間才能檢驗灑水效果。如果按照通常的反饋調(diào)節(jié)思路，檢測值與閾值比較一次，調(diào)節(jié)一次灑水，那么想要找到最少灑水量，就需要反復檢測和調(diào)節(jié)電動閥，系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期會很長，期間會存在長時間揚塵或過量灑水，這與系統(tǒng)設計初衷相悖。

為了快速尋找到最少灑水量并抑制住煤塵，需要縮短檢測周期?？刂扑惴ㄔ砣鐖D 3 所示，帶式輸送機上料啟動后，采用前饋控制方法，在 BF 帶式輸送機 (見圖 2) 第 1 個單程長度 250 m 內(nèi)，電動閥開度直接由 100% 開到 0，預灑 1 遍，以便從中找出最合適的灑水量。電動閥開度之所以由最大逐步關(guān)閉，是為了盡可能消除粉塵在檢測點累積的影響。BF 帶式輸送機重載帶速為 4.6 m/s，運行 250 m 的時間約為54 s，電動閥在此期間由最大開度逐步關(guān)閉，其控制信號由 20 mA 減小至 4 mA，則每 1 mA 對應的時長約為 3.2 s，灑水長度約為 14.7 m，這樣就得到了 17個 (250÷14.7) 煤炭灑水樣本。這 17 個樣本的灑水量依次遞減，樣本經(jīng) 1 號轉(zhuǎn)接塔落料至 BH 帶式輸送機(見圖 2)，由粉塵質(zhì)量濃度檢測儀依次檢測。對每個樣本均采樣 4 次，求平均值后與起塵閾值比對，判斷哪個樣本的煤塵質(zhì)量濃度低于起塵閾值 0.5 mg/m3，系統(tǒng)就認為該樣本的灑水量能夠有效抑制帶式輸送機沿線起塵，電動閥維持該樣本所對應的開度。在取得煤炭灑水樣本后，未找到合適灑水量之前，電動閥維持最大開度，以確保粉塵質(zhì)量濃度檢測儀檢測期間帶式輸送機沿線不起塵。選定電動閥開度之后，再采用反饋控制方法，粉塵質(zhì)量濃度檢測儀繼續(xù)實時檢測煤塵質(zhì)量濃度，若煤塵質(zhì)量濃度變化，則電動閥相應地減小或增大開度，但通常情況下，單次作業(yè)煤塵質(zhì)量濃度變化不大。

4.4 灑水精度的控制

由前文可知，抑塵的標準就是要把煤塵質(zhì)量濃度檢測值降低到閾值以下，但若檢測值遠低于閾值，那說明電動閥開度非常大，灑水存在過投情況，因此越接近閾值，系統(tǒng)的節(jié)水作用就越明顯，而只有精準地控制灑水量，才能讓煤塵質(zhì)量濃度檢測值不斷接近閾值。該系統(tǒng)的灑水精度由電動閥步幅和管內(nèi)流量上限調(diào)整，電動閥步幅和流量上限越小，電動閥每次步進所釋放的水流量就越小。流量上限可以由手輪式蝶閥控制，電動閥的步幅計算如下。

假定一級帶式輸送機輸送長度為L，重載速度為v，電動閥控制信號量程長度為R，粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置響應時間為t。樣本經(jīng)過檢測裝置處的時間不能小于該響應時間，則樣本最小長度為vt，樣本最大數(shù)量Nmax=L/vt，則電動閥最小步幅Imin=R/Nmax=Rvt/L。依據(jù)實際情況，合理選擇電動閥步幅，即可實現(xiàn)系統(tǒng)對灑水的精準控制。

5 系統(tǒng)特點

該粉塵檢測與翻車機底層灑水聯(lián)動系統(tǒng)具有以下特點：

(1) 實現(xiàn)了對煤炭的分層灑水，煤炭與水霧充分混合；

(2) 灑水在給料器內(nèi)部，空間相對密閉，水資源利用率高；

(3) 灑水管路在翻車機底層、地面 17 m 以下，冬季不結(jié)冰，無需伴熱系統(tǒng)，節(jié)約電能；

(4) 一次灑水即可達到全流程煤塵零排放；

(5) 系統(tǒng)能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機械振動等因素影響，全程無需人工干預。

6 結(jié)語

設計實施的粉塵檢測與翻車機底層灑水聯(lián)動系統(tǒng)能夠解決港口翻堆作業(yè)線輸煤帶式輸送機煤塵的控制問題，通過定量分析帶式輸送機的起塵情況，并據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)翻車機底層灑水，達到單點灑水全流程無塵的效果，進而實現(xiàn)關(guān)停帶式輸送機沿線其他灑水裝置的目的，節(jié)水節(jié)能效果明顯。經(jīng)測算，該系統(tǒng)應用后較原灑水系統(tǒng)水電費用節(jié)約 30% 左右。該系統(tǒng)能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機械振動等因素影響，全程無需人工干預，真正做到了“按需除塵”，在環(huán)保的同時兼顧節(jié)能和煤質(zhì)，取得良好的經(jīng)濟和環(huán)保效益，在港口同類行業(yè)中極具推廣價值。