煤場揚塵污染機理及治理技術研究

摘 要：由于煤炭擁有顆粒細小且松散的物理特性，在煤場儲存使用的過程中會產生大量揚塵，因此，為減少對環(huán)境的影響，保護生態(tài)環(huán)境，本文對煤場揚塵污染機理及治理技術進行研究。在深入分析煤場揚塵污染的物理和化學機理的基礎上，設計了噴灑納米纖維素抑塵劑治理煤場揚塵污染的方法，該方法通過設計PLC控制程序，控制安裝的灑水噴淋設備向煤場均勻噴灑混合納米纖維素抑塵劑，以完成煤場揚塵污染治理工作。結果表明，經過治理后，揚塵濃度最大為70μg/m3，符合國家環(huán)保標準，說明該研究可顯著降低空氣中的顆粒物含量，改善煤場的環(huán)境污染。

關鍵詞：煤場；揚塵污染；污染機理；污染治理；PLC控制；納米纖維素

中圖分類號：X 513" " 文獻標志碼：A

煤場在煤炭的儲存、轉運和裝卸過程中，往往會產生大量的揚塵，這些揚塵不僅影響了煤場的正常運營，也對周邊環(huán)境和人體健康造成了嚴重的危害[1]。因此，深入研究煤場揚塵污染機理及治理技術，對改善環(huán)境質量、保障人民健康具有重要意義。針對煤場揚塵污染問題，國內外學者已經開展了大量的研究工作，并提出了多種治理技術和方法。崔婷婷[2]通過建立擋風抑塵墻來治理煤場揚塵污染。該方法不僅可以顯著降低煤場產生的粉塵污染，而且有效改善周邊地區(qū)的空氣質量，還能美化周邊地區(qū)的景觀效果，提升整體環(huán)境品質。但防風抑塵墻的建設需要投入一定的資金，一些小型煤場難以承擔較高的初始投資。龍軍等[3]使用防風抑塵網治理煤場揚塵污染。防風抑塵網通常由耐候性好的材料制成，能夠抵抗風吹日曬和雨淋等自然因素的侵蝕，具有較長的使用壽命。但其效果受到風向和風速的影響。在風力較大的情況下，部分粉塵仍然可能從網眼中逸散出來。

因此，基于上述研究，綜合考慮煤場的環(huán)境條件、煤炭的物理特性以及治理技術的經濟性和可行性等因素，展開煤場揚塵污染機理及治理技術研究。

1 煤場揚塵污染機理分析

1.1 物理機理

物理機理作為煤場揚塵污染的主要機理，主要分為動態(tài)揚塵和靜態(tài)揚塵[4-5]。動態(tài)揚塵主要發(fā)生在煤炭的裝卸和運輸過程中，鏟車、輸送帶等機械設備的運動會強烈擾動煤堆，導致煤堆表面的煤塵顆粒被揚起。尤其是在機械設備與煤堆表面直接接觸的過程中，強烈的沖擊和振動會使煤塵顆粒更容易脫離煤堆，形成揚塵。

靜態(tài)揚塵的產生受煤堆表面干燥程度、顆粒大小和形狀等物理特性的影響，這些特性會在風速增大到一定程度時，使煤堆表面的煤塵顆粒脫離煤堆，進而形成揚塵。由于風力是煤場靜態(tài)揚塵污染的主要驅動力，風速的大小直接決定了揚塵的強度和范圍，在分析煤場揚塵污染物理機理的過程中，需要對起塵強度A和環(huán)境風速之間的關系進行計算，如公式（1）所示。

A=?（b-b0）c （1）

式中：?為與粒度分布有關的系數(shù)；c為大于1.2的指數(shù)；b和b0分別為環(huán)境風速和揚塵顆粒的起動風速。

根據(jù)公式（1）可以看出，煤堆起塵強度與環(huán)境風速之間成正比，風速越大，煤塵顆粒受到的向上遷移的動力也越大，更容易克服顆粒自身的重力、顆粒之間的摩擦力和其他阻礙顆粒遷移的外力，導致更多的煤塵顆粒被揚起，形成更大的起塵強度。

1.2 化學機理

雖然煤場揚塵污染主要受到物理因素的影響，但在部分情況中，化學機理也影響了煤場的揚塵污染程度。煤塵顆粒中含有多種化學物質，例如硫、氮、重金屬等，這些物質在空氣中會發(fā)生化學反應，形成二次污染物[6]。將煤場揚塵污染中主要化學組分及其可能的化學反應和潛在影響進行整理，見表1。

2 煤場揚塵污染治理設計

基于上述煤場揚塵污染機理分析，綜合考慮煤場的環(huán)境條件、煤炭的物理特性以及治理技術的經濟性和可行性等因素，本文采用納米纖維素抑塵劑治理煤場揚塵污染，在解決上述成本高、環(huán)境影響大和移動困難等問題的基礎上，快速降低空氣中的粉塵濃度，實現(xiàn)了煤場揚塵污染的有效控制和治理。同時，該方法具有良好的生物相容性和可降解性，不會對環(huán)境造成二次污染?；旌霞{米纖維素抑塵劑形成的保護膜具有一定的持久性，能夠長時間保持其抑塵效果，在噴灑一次后，可以持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的時間，有效地減少頻繁噴灑的需求和成本，長期內實現(xiàn)提高成本效益的目標。與此同時，在實現(xiàn)的過程中，設計PLC控制程序，控制安裝的灑水噴淋設備向煤場均勻噴灑混合納米纖維素抑塵劑，以此完成煤場揚塵污染治理工作。其中，PLC（可編程邏輯控制器）控制技術的應用，使灑水噴淋設備的操作更智能化和精準化。通過設計特定的控制程序，PLC能夠精確控制每個噴灑水槍頭的開關，實現(xiàn)均勻噴灑，確保抑塵劑在煤場上的均勻分布，進一步提高抑塵效果。且結合PLC控制技術的灑水噴淋設備，能夠實現(xiàn)自動化、智能化的操作，減少人工干預，提高工作效率。同時，這種操作模式還能夠根據(jù)煤場揚塵的實際情況，靈活調整噴灑參數(shù)，實現(xiàn)更精準的揚塵控制效果。

2.1 制備混合納米纖維素抑塵劑

本文在煤場揚塵污染治理設計中選擇了噴灑混合納米纖維素抑塵劑治理的方法，該方法的混合納米纖維素抑塵劑制備主要材料為白果。將白果剝皮去肉后，留下白果果核，并使用JK-88型號的數(shù)控超聲波清洗器對其進行清洗。同時準備氫氧化鈉溶液、無水乙醇和硝酸溶液等化學純級別的實驗試劑，借助HJ-A4型號的溫水浴鍋和KLG-9020A型號的電熱恒溫鼓風干燥箱等機械設備對清洗后的白果果核的纖維素進行熱處理，使其結構發(fā)生變化，提高纖維素的結晶度和穩(wěn)定性，以此完成白果殼纖維素的鈍化。完成鈍化后，需要通過球磨機械將其轉化為納米級顆粒。為了確保抑塵劑的性能穩(wěn)定且符合使用要求，需要將聚丙烯酰胺、氯化鈣、穩(wěn)定劑、分散劑和白果殼纖維素以1∶1.5∶0.8∶1.5∶7的比例混合調配成混合納米纖維素抑塵劑。

調配好的納米纖維素抑塵劑灌裝包裝后，需要進行必要的檢測，以確保質量。采集煤場的土壤作為檢測土壤，并將其放置在恒溫恒濕保溫箱中，調整保濕箱濕度為50%。將調配好的納米纖維素抑塵劑噴灑在檢測土壤上，每隔2h進行一次稱重，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算土壤的保水率D，如公式（2）所示。

式中：lt、l0和l1分別為在t時刻、噴灑納米纖維素抑塵劑前、后的土體質量。

經過測試后，當納米纖維素抑塵劑的保水率超過80%時，納米纖維素抑塵劑的揚塵污染治理效果可以得到充分保障[7]，此時的抑制劑可以運輸?shù)矫簣鲞M行大面積的噴灑作業(yè)。

2.2 設計PLC自動噴灑控制程序

為了滿足煤場揚塵污染治理的智能噴灑需求，本文設計了PLC自動噴灑控制程序，通過傳感器實時監(jiān)測煤場現(xiàn)場的揚塵情況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調整噴灑策略，從而實現(xiàn)更高效、更精確的揚塵治理。PLC自動控制噴淋系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行降噪、濾波處理后，輸入PLC自動控制噴淋系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)會根據(jù)顆粒物濃度、風速、風向等參數(shù)，評估當前煤場的揚塵等級和擴散趨勢，并根據(jù)揚塵監(jiān)測結果自動制定噴灑策略。一旦PLC系統(tǒng)分析信號發(fā)現(xiàn)煤場揚塵濃度有增高跡象，會迅速控制噴灑泵啟動，并控制噴淋。

在噴灑作業(yè)中，噴嘴的高度和角度是影響噴灑效果的關鍵因素。如果噴嘴的高度和角度設置不當，就可能會導致噴灑不均勻，甚至無法覆蓋到揚塵的主要來源[8]。為了解決這一問題，PLC自動控制系統(tǒng)會根據(jù)實時監(jiān)測的揚塵情況，自動計算最佳的噴嘴高度和角度。此時PLC自動控制系統(tǒng)會通過變頻器控制升降電動機，使噴嘴上升到合適的高度，同時PLC還會通過電磁閥控制旋轉電動機，使噴嘴旋轉到預定的角度，以此保證噴灑過程中確保均勻覆蓋。

2.3 安裝使用噴淋設備

完成混合納米纖維素抑塵劑制備和PLC控制程序設計后，需要在煤場安裝噴淋設備。根據(jù)圖紙要求，將刷過一遍防銹漆的型鋼和板材在工廠進行機械切割，確保切割面平整、光滑，沒有毛刺和裂縫，同時在此過程中需要保證切割區(qū)域表面的鐵銹、污物等已經清除清除干凈。

噴淋設備安裝定位需要考慮煤場的取煤方式、供水管路的布局以及周邊環(huán)境等因素，確保在取煤過程中煤堆能夠得到均勻的噴淋。同時保證供水管路的壓力、流量等參數(shù)可以支持噴淋設備正常工作。

將預制的支架運輸?shù)浆F(xiàn)場，按照設計的設備定位安裝干管、立管、分層干支管。同時，為了保證管道系統(tǒng)的完整性和可靠性，需要對管道進行試壓和沖洗。按照設計要求進行壓力測試，確保管道無泄漏并使用清水沖洗至管道內無雜質后，居中安裝噴頭。

噴頭安裝完成后，需要進行通水調試，檢查噴頭是否噴水均勻，有無堵塞、滲漏現(xiàn)象。確保設備工作無誤后，即可利用預先設計好的PLC控制程序，實現(xiàn)對灑水噴淋設備的精確操控。通過智能化的控制，均勻、有效地噴灑混合納米纖維素抑塵劑，從而達到煤場揚塵污染治理的目標。

3 實例分析

3.1 工程概況

本次煤場揚塵污染機理及治理技術研究選擇某省K煤礦有限責任公司的露天式儲煤場作為實例。該煤場距離高速公路8km，大致呈長方形布局，長260m，寬120m，總面積約31200m2。煤場中心橫貫1條輸煤皮帶，用于煤炭的傳輸。煤場的東側設有1條寬度約8m的運煤通道，供煤炭運輸車輛進出。此外，煤礦的煤倉和輸煤走廊位于煤場的南部，為煤炭的存儲和運輸提供了便利。煤場內煤堆的最高高度達到了約10m，該廠原煤每年可處理150萬t氣煤，其煤質特性表現(xiàn)為灰分含量為30%～50%，而硫分含量則嚴格控制在2.0%以下。

在煤場的煤堆頂部、煤堆周邊、運輸通道處分別布置2個檢測點。每天08：00使用顆粒物濃度監(jiān)測儀對各個監(jiān)測點的揚塵濃度進行一次檢測，并計算平均值。持續(xù)監(jiān)測一周，同時記錄風速、風向等氣象數(shù)據(jù)，具體測試使用儀器參數(shù)和揚塵濃度、氣象數(shù)據(jù)結果見表2和表3。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，該煤場在治理前揚塵污染嚴重，且在無降水的情況下，揚塵量和風速成正比。根據(jù)現(xiàn)場情況，對煤場進行納米纖維素抑塵劑治理，使用和治理前相同的檢測工具，每天08：00對各個監(jiān)測點的揚塵濃度進行一次測試，并計算平均值，同樣持續(xù)測試一周。

3.2 煤場揚塵污染治理效果分析

治理后的露天式儲煤場揚塵濃度以及氣象數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)表4可知，經過納米纖維素抑塵劑噴灑治理后的露天式儲煤場治理后揚塵濃度明顯降低。根據(jù)國家標準，煤場粉塵濃度不得超過75μg/m3，經過治理后，揚塵濃度最大為70μg/m3，符合國家環(huán)保標準。證明納米纖維素抑塵劑能夠有效地吸附和固定空氣中的顆粒物，從而降低揚塵濃度，顯著改善空氣質量。從環(huán)境保護的角度來看，治理后的煤場減少了空氣中的顆粒物含量，提升了空氣質量，周邊居民的生活環(huán)境將得到顯著改善，減少因空氣污染導致的健康問題。同時，通過降低揚塵濃度，可以減少因揚塵污染而引發(fā)的環(huán)境罰款和賠償費用，降低企業(yè)的運營成本，提高企業(yè)形象和品牌價值，增強企業(yè)的市場競爭力。

基于上述測試，為進一步驗證所提方法的應用效果，對其治理的效率進行測試。在此過程中，記錄開始運行到治理結束的時間。統(tǒng)計整個治理過程的耗時，見表5。

根據(jù)表5可知，采用所提方法進行煤場揚塵污染治理時，可有效縮短治理耗時，提高煤場揚塵污染治理效率。在5種場景下，所提方法的治理時長均比預期治理耗時短，在50min以下。由此可說明，所提方法具有較高的治理效率，可加快煤場揚塵污染治理速度。所提方法在治理的過程中結合了PLC控制技術，PLC控制技術以其高度的自動化和智能化特性使灑水噴淋設備能夠按照預設的程序進行精確操作，無須過多人工干預。不僅提高了工作效率，還確保了治理過程的穩(wěn)定性和可靠性。綜上所述，所提方法通過結合納米纖維素抑塵劑和PLC控制技術，實現(xiàn)了對煤場揚塵污染進行高效治理的目標。不僅在治理效果上表現(xiàn)出色，而且在治理耗時上也展現(xiàn)出了極高的效率。

4 結語

對煤場揚塵污染機理及治理技術的研究顯著減少了空氣中的粉塵濃度，減少土壤和水源的污染，降低對環(huán)境的污染程度。解決了制約煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的原因之一，提高了煤炭資源的利用率，降低生產成本，促進煤炭行業(yè)的健康發(fā)展。在未來的煤場揚塵治理研究中，將通過物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等技術，配合更多具有更好防塵效果、更低環(huán)境影響的碳纖維復合材料、生物基材料等新型環(huán)保材料，用于煤場的防塵和抑塵，實現(xiàn)對煤場揚塵的實時監(jiān)測和預警，根據(jù)實時數(shù)據(jù)自動調整防塵措施。

參考文獻

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