渣土車噴霧除塵裝置方案設(shè)計分析

陸洪杰 孟憲春

（1、秦皇島北方管業(yè)有限公司,河北 秦皇島 066000 2、河北省波紋膨脹節(jié)與金屬軟管技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 秦皇島 066000）

渣土車又稱泥頭車,渣土清運(yùn)車,多以自卸車型為主,頻繁出現(xiàn)在工地和城市之間,運(yùn)輸過程中灑落物料,嚴(yán)重影響城市環(huán)境。隨著國家對環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策的出臺,促進(jìn)渣土車向智能化、綠色化發(fā)展。目前新型綠色環(huán)保渣土車結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是渣土車車廂的自動封閉設(shè)計,解決了運(yùn)輸途中物料灑落問題,但對于裝車、卸車過程中產(chǎn)生的大量粉塵缺少有效除塵措施,造成大量粉塵飄散到空氣中,給人們身體健康帶來危害,污染環(huán)境。針對渣土車裝卸料過程中產(chǎn)生的大量粉塵的排放特點(diǎn),屬于無組織排放粉塵,目前先進(jìn)的無組織排放粉塵抑塵技術(shù)為濕式除塵。而濕式除塵主要有三種技術(shù)：干霧除塵技術(shù)、射霧器和高壓水射流除塵技術(shù)。本文根據(jù)三種除塵技術(shù)系統(tǒng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)組成,與渣土車箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合設(shè)計,為渣土車除塵技術(shù)提供新思路,也為廣大工程技術(shù)人員提供參考思路。

1 無組織排放粉塵除塵技術(shù)簡介

粉塵是大氣污染物的重要組成部分,可分為有組織和無組織兩種排放方式。根據(jù)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297-1996）的定義,無組織排放粉塵是指不經(jīng)過排氣筒的無規(guī)則排放的粉塵。無組織排放粉塵的粒徑范圍分布很廣,擴(kuò)散作用強(qiáng),影響范圍廣。無組織排放粉塵廣泛存在于人們的生產(chǎn),生活中。據(jù)統(tǒng)計,工業(yè)生產(chǎn)（礦山、鋼鐵、電廠、冶金）和建筑工地為無組織排放粉塵的主要來源。粒徑小于5μm的無組織排放的呼吸性粉塵不但容易吸附CO、氮氧化物等有毒有害污染物,導(dǎo)致矽肺、塵肺病的發(fā)生,對人體造成危害,而且還會降低粉塵的濕潤與凝聚性能,加之受作業(yè)環(huán)境風(fēng)流及各種攪動因素的影響,將長期浮游在空氣中四處飄散。目前針對無組織排放粉塵常用的除塵技術(shù)是空氣輔助動力的干霧抑塵技術(shù)和射霧器,還有高壓水射流除塵技術(shù)。

1.1 干霧抑塵技術(shù)

干霧抑塵技術(shù)基于空氣動力學(xué)、云物理學(xué)、斯蒂芬流的輸送等多種機(jī)理的研究理論：“當(dāng)水霧顆粒與粉塵顆粒大小相近時,它們吸附、過濾、凝結(jié)的機(jī)率最大”。對懸浮在空氣中的粉塵進(jìn)行有效的捕捉吸附而凝結(jié)成團(tuán),受重力作用而沉降,從而達(dá)到抑塵作用。

干霧抑塵裝置采用的是超聲波霧化噴嘴,其造霧原理是利用高速氣流撞擊機(jī)械振子,使得機(jī)械振子產(chǎn)生高頻振蕩,強(qiáng)化霧化效果。由于需要壓縮空氣,是一種加強(qiáng)型空氣霧化噴嘴。因此干霧抑塵系統(tǒng)的配置主要包括空氣壓縮機(jī),低壓供水泵,儲氣罐,儲水罐,噴霧終端,超聲波霧化噴嘴及水氣連接管線等(見圖1)。干霧抑塵裝置是將水、氣過濾后,以設(shè)定的水氣壓力及流量,經(jīng)管道輸送到噴霧終端噴嘴中去,實現(xiàn)噴霧抑塵,霧粒直徑10 微米以下。

圖1 干霧抑塵系統(tǒng)簡圖

干霧抑塵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是霧粒直徑小,粒徑10 微米以下；噴嘴出口水、氣壓力??；耗水量少,不產(chǎn)生積水；水沖擊力強(qiáng)。

干霧抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)是噴嘴直徑小,需要精密過濾,易堵噴嘴；射程不遠(yuǎn)：1-6 米；耗氣量大,需要的空氣壓縮機(jī)外形尺寸大；配套設(shè)備種類多,需較大安裝空間；噴頭精密,價格貴,設(shè)備投資成本高。

1.2 高壓水射流除塵技術(shù)

高壓水射流除塵裝置采用的是單流體霧化噴嘴——細(xì)水霧化噴嘴或者撞針式霧化噴嘴。細(xì)水霧化噴嘴的造霧原理是利用帶有一定壓力的水通過內(nèi)部鑲嵌有特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴芯,以極高的速度流動,沖擊在倒流葉片上形成了一個離心漩渦,從噴嘴口噴出空心式霧粒,整個精細(xì)霧化過程完成。撞針式霧化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,在噴嘴出口處的正上方有一個彎構(gòu)型撞針。撞針式霧化噴嘴的造霧原理是通過帶有較高壓力的水通過細(xì)小的噴嘴口高速射出,與噴嘴出口處的彎鉤型撞針碰撞,從而破碎成細(xì)小霧滴。兩種噴嘴都是單流體噴嘴,決定了高壓水射流系統(tǒng)配置主要包括高壓泵,儲水罐,噴霧終端及高壓水射流噴嘴,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單(見圖2)。高壓水射流除塵裝置的工作原理是利用高壓泵將水加壓到4MPa 以上,經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴噴出,噴射出的水霧顆粒與空氣高速摩擦,當(dāng)水的粘滯性不夠時,霧滴會進(jìn)一步破碎,形成100μm以下霧滴,可以有效抑制粉塵。

圖2 高壓水射流系統(tǒng)簡圖

高壓水射流除塵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：由于要求供水壓力高,水流量較大,因此射程較遠(yuǎn),當(dāng)提供的水壓壓力達(dá)到4MPa 以上時,噴嘴射程可達(dá)8 米以上；水沖擊力大；噴嘴直徑較大,不易堵塞；霧粒直徑較小,100 微米以下；配套設(shè)備少。

高壓水射流除塵技術(shù)的缺點(diǎn)：耗水量較多,配套的水泵設(shè)備功率較大,當(dāng)噴霧終端需要多路時,提供高壓水源的泵組功率和外形尺寸都加大。

1.3 射霧器原理及系統(tǒng)簡介

射霧器主要包括風(fēng)筒,風(fēng)機(jī),高壓泵,水平回轉(zhuǎn)、俯仰驅(qū)動電機(jī)及機(jī)構(gòu),噴霧終端及細(xì)水霧化噴頭,水電連接管線等(見圖3)。射霧器的風(fēng)筒前端環(huán)形噴頭座上布置幾十個甚至上百個霧化噴嘴,風(fēng)筒后端配置由電機(jī)帶動的一個大型扇葉。整個風(fēng)筒通過回轉(zhuǎn)支撐固定在底座上,可以做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,風(fēng)筒下部與俯仰驅(qū)動電機(jī)連接在底座上,可以做俯仰運(yùn)動,實現(xiàn)了大范圍定點(diǎn)或者追蹤噴霧除塵。用其工作原理是根據(jù)空氣動力學(xué)原理,經(jīng)過加壓的水通過霧化噴嘴后被霧化成與粉塵顆粒大小相當(dāng)?shù)?0 微米以下水霧顆粒,再依靠風(fēng)機(jī)作為輸送動力源,將霧化的水霧顆粒噴射到起塵點(diǎn),射程遠(yuǎn),覆蓋范圍廣。

圖3 射霧器系統(tǒng)簡圖

射霧器除塵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：霧粒直徑較小,50 微米以下；當(dāng)射程遠(yuǎn),覆蓋范圍廣；配套設(shè)備整合在一起,設(shè)備一體化程度高。

缺點(diǎn)：體積大,設(shè)備重；耗水量大；噴嘴直徑小,易堵塞。

2 除塵設(shè)備技術(shù)方案設(shè)計

渣土車裝卸物料過程中,在車廂和車廂尾部產(chǎn)生大量粉塵,根據(jù)產(chǎn)塵位置,將除塵設(shè)備的噴霧終端設(shè)置在渣土車車廂頂部和尾部車廂門兩側(cè)（見圖4）。下文中除塵設(shè)備技術(shù)方案是針對現(xiàn)常用車型的車廂尺寸為5600×2300×1150mm（長×寬×高）為例進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)車廂尺寸,要求車廂頂部布置噴嘴射程6 米以上,尾部車廂門兩側(cè)噴嘴射程2 米以上。噴嘴數(shù)量根據(jù)不同噴嘴參數(shù)進(jìn)行合理配置。

圖4 渣土車車廂除塵設(shè)備噴霧終端布置示意圖

2.1 方案一：干霧抑塵技術(shù)方案設(shè)計

根據(jù)干霧抑塵技術(shù)原理,需要配置氣泵,儲氣罐,增壓水泵及儲水罐,干霧抑塵裝置常用噴嘴為超聲波霧化噴嘴（見圖5）,其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 超聲波霧化噴嘴技術(shù)參數(shù)

圖5 超聲波霧化噴嘴

根據(jù)車廂上部開口尺寸：5600×2300mm,沿2300mm方向均勻布置2#噴嘴6 個,車廂門高1150mm,沿1150mm 布置1#噴嘴3 個,兩側(cè)共計6 個。計算耗氣量和耗水量如下：

（1）耗氣量：Q氣=0.24m3/min×6+0.21m3/min×6=2.7 m3/min

（2）耗水量：Q水=40L/h×6+30L/h×6=420L/h=7L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗氣量和總耗水量如下：

（1）總耗氣量：Q總氣=2.7 m3/min×6min=16.2 m3

（2）總耗水量：Q總水= =7L/min×6min=42L

常用渣土車剎車動力是氣動剎車,剎車系統(tǒng)主要由氣泵、氣包、制動閥、制動室等組成。根據(jù)干霧抑塵裝置技術(shù)原理,可以借用渣土車本身自帶的氣泵和儲氣罐,節(jié)省空間和設(shè)備購置成本。

渣土車底盤氣動剎車氣泵585cc/r ,發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1900r/min, 供氣量為585ml/r×1900r/min≈1.12 m3/min,直接供氣不能滿足供氣量,需增加儲氣罐,最小的儲氣罐容積為（2.7 m3/min -1.12 m3/min）×6min =1.58 m3/min×6min=9.48m3,儲氣罐體積很大。車廂底盤沒有此空間,所以利用渣土車底盤氣動剎車氣泵或外加氣泵都不能與渣土車結(jié)構(gòu)合適配置,所以干霧除塵技術(shù)在渣土車上使用不可行。

2.2 方案二：高壓水射流除塵裝置技術(shù)設(shè)計方案

根據(jù)高壓水射流除塵裝置技術(shù)原理,需要配置6MPa高壓水泵及儲水罐,噴嘴采用兩種形式——細(xì)水霧化噴嘴和撞針式霧化噴嘴（見圖6,其技術(shù)參數(shù)見表2）,車廂頂部布置6 個細(xì)水霧化噴嘴,車廂門兩側(cè)布置各3 個撞針式噴嘴。計算耗水量如下：

表2 高壓水射流噴嘴技術(shù)參數(shù)

圖6 細(xì)水霧噴嘴（左）、撞針式噴嘴（右）

耗水量：Q水=2.5L/min×6 +1.1L/min×6=21.6L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗水量如下：

總耗水量：Q總水= =21.6L/min×6min=129.6L

若考慮渣土車底盤尺寸與空間,將儲水罐按照方形設(shè)計,截面為500*500mm,長度為1.5 米時,儲水量為375L,375L÷129.6L/次=2.89 次。若要使用次數(shù)多,需要增加儲水罐數(shù)量。

此方案中,水泵壓力6MPa,水流量21.6L/min,需要水泵功率4KW,此柱塞泵體積較大,需要占用底盤較大空間。因此,此方案在滿足較少次數(shù)噴霧的要求,通過合理布置設(shè)備安裝位置,可以實現(xiàn)。

2.3 方案三：射霧器式除塵裝置技術(shù)方案

根據(jù)射霧器除塵裝置技術(shù)原理,在渣土車上需要安裝高壓水泵,儲水箱,微型管道風(fēng)機(jī)、風(fēng)管及高壓水管線。經(jīng)工程實踐,當(dāng)水壓4MPa 以上,用風(fēng)量500m3/h 以上管道風(fēng)機(jī)吹送高壓水,可實現(xiàn)小水量,遠(yuǎn)距離噴霧。車廂頂部布置6個噴嘴,車廂門兩側(cè)布置各3 個噴嘴。噴嘴均采用小流量的撞針式噴嘴,頂部布置噴嘴需要使用微型管道風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹送,將噴霧距離達(dá)到6 米以上。

計算耗水量如下：

耗水量：Q水=1.1L/min×12=13.2L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗水量如下：

總耗水量：Q總水=13.2L/min×6min=79.2L

考慮渣土車底盤尺寸與空間,將儲水罐按照方形設(shè)計,截面為500*500mm,長度為1.5 米時,儲水量為375L,375L÷79.2L/次=4.7 次。此方案中,水泵壓力4MPa,水流量13.5L/min,需要水泵功率2KW,此柱塞泵體積小,底盤方便布置。此方案可滿足多次噴霧,不需頻繁補(bǔ)水。

3 方案對比分析

通過三種方案設(shè)計數(shù)據(jù),對比分析優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)歸納列于表3,得出如下結(jié)論：高壓水射流除塵裝置系統(tǒng)最為簡單,但是耗水量大,需要大體積的儲水箱,對渣土車空間利用要求較高；干霧抑塵技術(shù)方案形成水霧顆粒直徑最小,但是整體系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備體積大,渣土車空間有限,安裝困難；三種方案中,射霧器式除塵設(shè)備體積小,與渣土車融合性最好,可實現(xiàn)一次補(bǔ)水多次噴霧,提高工作效率。

表3 三種噴霧除塵裝置方案設(shè)計對比分析

4 結(jié)論

對于渣土車與噴霧除塵設(shè)備結(jié)合設(shè)計,作出合理的設(shè)計方案,首先要對現(xiàn)有除塵技術(shù)造霧原理,噴嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn),除塵系統(tǒng)組成、性能參數(shù)等進(jìn)行深入學(xué)習(xí)、了解。在此基礎(chǔ)上,還要對渣土車結(jié)構(gòu)、參數(shù)等進(jìn)行全面的研究,先確定車型的整體配置參數(shù),如車廂尺寸、可直接利用的動力源、底盤空間結(jié)構(gòu)等,再結(jié)合選擇適合車型的噴霧除塵裝置,再進(jìn)行初步設(shè)計計算,確定配套設(shè)備型號、外形尺寸,與渣土車結(jié)構(gòu)配套設(shè)計,達(dá)到最佳設(shè)計效果。