鉀肥噸包車間粉塵綜合治理研究與運用

摘要：鉀肥噸包車間輸送系統(tǒng)長期運行后，面臨設(shè)備老化、破損嚴重、粉塵濃度超標及車間能見度低等問題，導致鉀肥顯著損耗。針對此情況，文章以青海某鉀肥公司噸包車間為例，實地考察現(xiàn)場的物料特性以及設(shè)備的狀況、運行特點、效率、維護保養(yǎng)等情況，經(jīng)過深入的分析和研究，提出了一套粉塵綜合治理方案，旨在對原有氯化鉀輸送設(shè)備進行全面升級改造。經(jīng)過168 h的持續(xù)跟蹤與現(xiàn)場測量，設(shè)備運行穩(wěn)定且可靠，經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測，工作場所的總粉塵濃度性能指標均低于8 mg/m3，證實了粉塵綜合治理方案的可靠性和實用性。

關(guān)鍵詞：鉀肥噸包車間；粉塵治理；頭部漏斗；曲線落料管；組合清掃箱

中圖分類號：X703 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0073-05

0 引言

鉀肥公司采用反浮選—冷分解結(jié)晶工藝制取氯化鉀，精制后的鉀肥經(jīng)熱風干燥機處理后進入輸送系統(tǒng)，通過皮帶機轉(zhuǎn)運至成品車間打包銷售。然而，在皮帶機運輸過程中，皮帶產(chǎn)生的震動及空氣流動會導致鉀肥揚塵，特別是在鉀鹽經(jīng)過多級皮帶接替時，由于存在較大落差，會產(chǎn)生沖擊揚塵并伴隨誘導風的形成，進一步加劇了揚塵問題。此外，氯化鉀的親水性使其在轉(zhuǎn)運過程中吸收空氣中的水分后黏附于皮帶工作面，并在皮帶抖動及托輥接觸時脫落而形成揚塵。這些粉塵不僅影響作業(yè)環(huán)境，導致粉塵濃度高、車間能見度低，還會使設(shè)備與建筑內(nèi)外部黏結(jié)粉塵，車間部分位置因連通外界甚至會造成鉀肥流失。針對鉀肥生產(chǎn)輸送環(huán)節(jié)的粉塵治理難題，國內(nèi)外學者與技術(shù)專家進行了持續(xù)的嘗試與創(chuàng)新。許亞茹［1］分析了氯化鉀生產(chǎn)工藝中常用除塵措施的不足，并提出改進措施；陳美嶺等［2］探討了氯化鉀產(chǎn)品干燥的多種方法，重點介紹了新型除塵裝置的應(yīng)用；葉福春等［3］針對鉀肥行業(yè)傳統(tǒng)皮帶輸送系統(tǒng)中除塵設(shè)備壽命短、效果差等問題，采用無動力除塵技術(shù)優(yōu)化了粉塵治理效率。基于前人的研究和應(yīng)用，本文以青海某鉀肥公司噸包車間為例，深入開展了實地考察和細致的問題分析與系統(tǒng)研究，提出了一套針對鉀肥輸送車間的粉塵綜合治理方案，旨在全面升級和改進原有氯化鉀輸送設(shè)備，以期實現(xiàn)粉塵問題的有效控制。

1 輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀與問題分析

1.1 案例概況

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司鉀肥分公司，成立于2011年，坐落于青海省海西州格爾木市察爾汗鹽湖，其產(chǎn)品涵蓋氯化鉀、光鹵石及低鈉光鹵石。該公司擁有一套先進的反浮選氯化鈉—冷分解結(jié)晶氯化鉀工藝，其年產(chǎn)能達到50萬噸。該工藝流程包括通過氯化鈉浮選獲取低鈉光鹵石礦，再經(jīng)冷分解和再結(jié)晶工序制取氯化鉀，最后采用不超過110 ℃的熱風對氯化鉀進行低溫干燥處理。所生產(chǎn)的產(chǎn)品為細碎干燥的粉末顆粒，具有易于揚塵、易黏附輸送皮帶及易吸水結(jié)塊等特點［4］。鉀肥公司噸包車間輸送系統(tǒng)的設(shè)計存在技術(shù)局限性，并且系統(tǒng)運行時間較長，因此目前面臨嚴重的粉塵問題。帶式輸送機在運行中因震動產(chǎn)生的誘導風流會導致物料相互碰撞和翻轉(zhuǎn)，從而釋放出大量粉塵，不僅造成鉀肥大量損耗，還會頻繁引發(fā)設(shè)備問題，對工作環(huán)境及生產(chǎn)穩(wěn)定性構(gòu)成較大影響，既危害了員工的身體健康，也顯著降低了鉀肥車間的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。

1.2 設(shè)備運行狀態(tài)與故障分析

自2011年投產(chǎn)以來，鉀肥公司噸包車間的設(shè)備已出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象。當前，面臨的主要問題包括設(shè)備因破損而導致的密封性能下降、輸送管道因積料流而導致通性變差、清掃滾刷因機械損傷而導致清潔效率下降、滾筒因負載過重而導致產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差，行吊和三通推桿等電器元件故障頻發(fā)，以及托輥等傳動設(shè)備故障增多等。這些問題主要歸因于兩個方面：一是設(shè)備長期運行導致自然磨損及設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷；二是氯化鉀物料特性所致。氯化鉀粉末易揚塵、易吸水黏附且易溶、易導電，雖然本身無腐蝕性，但是吸水后形成的氯化沉積物電解后會腐蝕金屬表面，削弱材料的強度和延展性，增加設(shè)備裂紋和破損風險。沉積物長期堆積還會導致落料、接料、導料等管道的流通面積減小，嚴重時甚至會引發(fā)堵料。此外，鉀肥粉末黏附于機械傳動設(shè)備表面會造成以下危害：阻塞散熱通道，使設(shè)備因長期高溫運行而壽命縮短甚至損壞；粉塵侵入傳動件內(nèi)部導致傳動件卡頓乃至失效；引起拉電效應(yīng)，導致電氣設(shè)備故障或電路跳閘［5］。

1.3 生產(chǎn)現(xiàn)狀與現(xiàn)場環(huán)境分析

經(jīng)過對生產(chǎn)車間的實地考察，現(xiàn)場環(huán)境存在的問題如下：①C402噸包車間皮帶的尾部和中部密封效果不佳，導料槽出口密封不嚴，導致皮帶運行時噴粉現(xiàn)象嚴重，并且該區(qū)域與外界連通，高速氣流將車間內(nèi)的鉀肥揚起帶走，導致鉀鹽大量損耗。②皮帶工作面黏附粉料，加之設(shè)備老化引起皮帶跑偏，導致非工作面撒料嚴重，而清掃不徹底則進一步加劇了回程帶的撒料問題，造成鉀肥大量浪費。③揚塵附著于墻體、屋頂、地面、機架及設(shè)備處，需頻繁進行人工清理，增加了生產(chǎn)成本。④粉塵堆積導致落料管和下料斗堵塞以及滾筒打滑等故障頻發(fā)，生產(chǎn)因此多次中斷，直接經(jīng)濟損失嚴重。⑤犁料器下料斗缺乏密封處理，料流沖擊和誘導風反沖引發(fā)大量噴粉。⑥現(xiàn)場粉塵濃度高，不僅導致工作人員呼吸困難、視線受阻，嚴重影響操作，長期接觸還會刺激皮膚，引發(fā)干燥、疼痛和炎癥等癥狀，若過量吸入則可能引起呼吸困難、喉嚨疼痛和肺部損傷。⑦氯化鉀粉末具有易燃易爆性，在高粉塵濃度環(huán)境下，對現(xiàn)場人員和設(shè)備構(gòu)成了重大安全隱患。

2 粉塵綜合治理設(shè)計

鉀肥的物料性質(zhì)決定了其具有易揚塵、易黏附等特點，粉塵治理的關(guān)鍵在于從源頭減少揚塵并阻止粉塵擴散。針對鉀肥公司噸包車間存在的粉塵濃度高、鉀肥流失嚴重及設(shè)備故障頻發(fā)等問題，本文提出以下粉塵綜合防治方案：曲線緩沖控風、皮帶組合清掃、屏障阻尼抑塵、封閉式自降塵和緩沖泄壓除塵。組合方案的設(shè)計旨在全面優(yōu)化料流輸送的各個環(huán)節(jié)，有效防止氯化鉀粉末進入現(xiàn)場作業(yè)空間，確?！吧偕a(chǎn)、難飛揚、能自降”且不會擴散，從而實現(xiàn)清潔的生產(chǎn)環(huán)境。

2.1 曲線緩沖控風

鉀肥轉(zhuǎn)運過程中，物料通過多級皮帶承接輸送，主要以類平拋運動方式進入下級轉(zhuǎn)運皮帶。設(shè)計合理的空間曲線和異形截面頭部集流罩及落料管能有效匯集料流，使其以均勻速度沿既定軌跡滑落，并在出口處以接近帶速進行類平拋運動，緩沖過渡到下級皮帶。在此過程中，料流速度適中且沖擊力小，有效避免了快速沖擊引發(fā)的誘導風大量產(chǎn)生，同時降低了物料因沖擊破碎而揚塵的風險。

實現(xiàn)曲線緩沖控風的理論支撐是基于摩擦學原理和計算流體動力學的離散元素分析法；采用的技術(shù)手段融合了Solidworks三維設(shè)計和顆粒學仿真技術(shù)（EDEM）的三維流體控制技術(shù)（CFT）。設(shè)計成果包括基于CFT設(shè)計的3D曲線落料管、防堵頭部漏斗、防堵三通和曲線給料勺。其中，3D曲線落料管頭部設(shè)計具備曲線導流功能，料流以小于30°的切入角漸變沖刷斗壁，顯著減少了料流對設(shè)備的沖擊磨損。該落料管兼具集流與導料功能，能有效控制不規(guī)則散狀物料的落料全流程，大幅降低了料流沖擊產(chǎn)生的高壓誘導風險。曲線給料勺則起到集流和改向作用，確保物料以近似皮帶速度平行進入下級皮帶，減輕對皮帶的沖擊，同時保證落點與皮帶良好對中，提升皮帶的運行穩(wěn)定性與輸送效率［6］。基于CFT設(shè)計的曲線模擬示意圖見圖1。

2.2 封閉式自降塵

皮帶運動與鉀肥粉料的沖擊會產(chǎn)生誘導風與揚塵，這些粉塵極易在皮帶機作業(yè)空間四處擴散。為應(yīng)對這一問題，采用離散元方法，通過EDEM軟件進行模擬，計算固體物料通過導料槽時的速度；同時，利用Ansys-Fluent軟件進行耦合模擬分析，確定導料槽內(nèi)各點的風速?；谶@些分析結(jié)果，合理設(shè)計了封閉式結(jié)構(gòu)的無動力導料槽，并配備了密封裙板、阻尼簾及密封箱。這些組件共同在粉料卷揚區(qū)形成一個較大的密封空間，誘導風的能量在該空間內(nèi)循環(huán)耗散，其攜帶的粉料因動力衰減而逐漸沉降。此外，導料槽下方的皮帶支撐采用了托板裝置，實現(xiàn)了對皮帶的連續(xù)承托，有效防止了皮帶在承載物料時因“波浪形”變形而導致的密封性能下降［7］?；贔luent耦合模擬的導料槽內(nèi)部風速示意圖見圖2。

2.3 屏障阻尼抑塵

傳輸帶運動與料流沖擊在管道內(nèi)部會生成正壓誘導風。通過精心布置的多道抑塵裝置，利用誘導風定向運動形成的渦流消耗其部分能量，減緩誘導風速，促使粉塵相互碰撞、吸附并最終沉降。在導料槽內(nèi)風速較高的區(qū)域，集成了立體式控風降塵裝置。首先，高壓氣流通過矩陣式多邊形降風區(qū)的凹形截面擋簾，形成回流碰撞，產(chǎn)生強烈的紊流效應(yīng)；其次，紊亂氣流進入扁平狀高分子擋簾區(qū)，該區(qū)域的高分子擋簾因誘導風作用而輕微擺動，將風能轉(zhuǎn)化為機械能和熱能，顯著降低了氣流速度。最后，低速氣流進入濕潤圓柱形降塵區(qū)，該區(qū)域布滿圓形擋簾，擋簾占據(jù)了整個腔體70%的空間，擋簾縫隙能吸附含塵氣體中的粉塵，實現(xiàn)塵氣分離，從而達到降塵效果。圓形擋簾為高耐磨、柔性、耐高溫且抗老化的柔性耐磨特殊材質(zhì)，被制成密集的抑塵簾，不僅能有效吸附揚塵，還能提高系統(tǒng)內(nèi)部的風阻系數(shù)；同時，其輕細柔軟的特性避免了與料流撞擊產(chǎn)生二次揚塵。智能檢測區(qū)末端的粉塵濃度檢測裝置負責采集含塵氣流的粉塵數(shù)據(jù)，并據(jù)此對圓柱形擋簾的濕度進行負反饋調(diào)節(jié)，根據(jù)出口粉塵含量調(diào)控擋簾濕度，起到降低能耗的作用。屏障阻尼除塵布置與功能分區(qū)示意圖見圖3。

2.4 緩沖泄壓除塵

上下兩級皮帶的落料沖擊會在密封導料槽內(nèi)形成高正壓的含塵誘導風，如果不及時泄壓，粉塵將會伴隨高壓氣流逸出導料槽，造成環(huán)境污染。因此，針對存在較大落差的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，需在導料槽上方合理布置一定數(shù)量的緩沖泄壓器。這些緩沖泄壓裝置依據(jù)慣性除塵與空氣動力學原理進行設(shè)計，采用塵氣分離技術(shù)，有效釋放料槽內(nèi)部正壓，降低落料點附近密封空間的氣壓及誘導風速。內(nèi)置的旋風分離組件能提高粉塵的慣性沉降效率，而泄壓窗配備的新型濾網(wǎng)則能有效阻擋粉塵溢出，最大限度地防止粉塵擴散。緩沖泄壓器布置與原理示意圖見圖4。

2.5 皮帶組合清掃

吸收了空氣中水分的鉀肥粉料易黏附于皮帶表面。傳統(tǒng)皮帶機清掃器多布置在皮帶機頭部，受限于頭部空間及清掃器功能，清掃效果不理想。皮帶機運行時，回程段因皮帶跳動，導致廊道內(nèi)揚塵嚴重，不僅威脅安全生產(chǎn)，還會影響人員健康。同時，皮帶工作面及非工作面的物料殘留會導致皮帶驅(qū)動與拉緊期間粉塵濃度上升。皮帶含水量較高時，拉緊滾筒處易積料，清理難度大；若滾筒的物料帶入量過大，則可能導致皮帶跑偏。

為解決上述問題，在皮帶機頭部滾筒位置安裝智能組合清掃裝置，從源頭去除皮帶上的黏附物料，減少粉塵污染。該裝置結(jié)合了以下清掃方式：一是刮板式清掃，通過刮板與皮帶緊密貼合，阻擋并剝離黏附于皮帶表面的物料；二是滾刷式清掃，通過電機驅(qū)動滾刷旋轉(zhuǎn)，刷毛與皮帶接觸，掃除細碎粘料；三是風刀式清掃，利用鼓風機產(chǎn)生的高壓氣幕非接觸式地將皮帶表面黏附的物料帶走。組合清掃箱的清掃器按類型（包括多接觸類型和多刮料類型）進行順序排列，下方配置接料斗或回流管道，實現(xiàn)逐級高效清料與料流回收［8］。皮帶組合清掃方案布置與原理示意圖見圖5。

3 方案應(yīng)用及成效

針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運設(shè)備設(shè)計觀念陳舊、揚塵擴散嚴重等問題，設(shè)計方案采取了以下改進措施：將401AB頭部護罩升級為集流緩沖型，落料管改造成曲線形式，C402噸包車間導料槽升級為密封式無動力型，并配套了高效的阻尼抑塵簾與尾部密封箱。此外，在導料槽與犁料器漏斗處增設(shè)了緩沖泄壓器，皮帶滾筒處則安裝了組合清掃箱并搭配集料裝置。整體方案的設(shè)計基于兩個方向的仿真計算：料流運動軌跡與誘導風運動軌跡。通過探究氣固二相流的運動規(guī)律，識別出問題關(guān)鍵點，并據(jù)此進行了針對性的設(shè)計與改造。該設(shè)計與改造基于Edem離散元分析與Ansys有限元分析的CFT三維流體控制技術(shù)，同時結(jié)合了Solidworks三維制圖軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

3.1 設(shè)備狀態(tài)與環(huán)境檢測

經(jīng)過168 h的試運行及為期210 d的持續(xù)監(jiān)測，設(shè)備運行狀態(tài)良好，未發(fā)生堵料、帶料、撒料及噴粉現(xiàn)象。管道內(nèi)壁、密封裙板及清掃器刮刀等部件磨損輕微，無設(shè)備損壞情況發(fā)生。設(shè)備運行穩(wěn)定且可靠，粉塵控制效果良好。委托第三方檢測機構(gòu)在設(shè)備運行期間對各改造區(qū)域（頭部護罩、犁料器、導料槽頭尾部等）進行了定點檢測，粉塵治理改造實施前后的粉塵濃度對比結(jié)果見表1。表1中的數(shù)據(jù)顯示，改造后的粉塵濃度均低于8 mg/m3，符合技術(shù)要求，完全滿足生產(chǎn)與技術(shù)規(guī)范。

3.2 應(yīng)用效果與經(jīng)濟效益

圖6為 C402噸包車間改造實施前后的粉塵控制效果對比，圖7為犁料器實施前后的粉塵控制效果對比。噸包車間粉塵綜合治理改造的成效如下：①車間環(huán)境顯著改善，變得干凈整潔，粉塵濃度大幅下降，有效保障了現(xiàn)場員工的身心健康。②高效的密封設(shè)計有效遏制了粉塵的外溢與擴散，減輕了對大氣環(huán)境的污染。③合理的清掃與回流設(shè)計顯著提升了鉀肥的二次回收率，減少了鉀鹽的損耗與資源浪費。④多維度降塵設(shè)計有效防止了揚塵在車間內(nèi)的揚散與附著，降低了設(shè)備故障率。

粉塵綜合治理改造不僅切實維護了員工的身心健康，而且還帶來了顯著的經(jīng)濟效益，包括年鉀肥減損17.5萬元、設(shè)備運維成本降低4.1萬元、人工清理成本減少3萬元、節(jié)能降耗效益1.5萬元。同時，成功降低了鉀鹽轉(zhuǎn)運過程中的損耗，減輕了人工清理的工作量，改善了生產(chǎn)環(huán)境，提高了設(shè)備使用效率，更符合國家“節(jié)能環(huán)?！钡恼咭?。

4 總結(jié)

本文針對鉀肥公司噸包車間存在的粉塵大、撒料頻繁及黏料、堵料等問題進行一系列考察、分析與研究，提出了一套合理、高效的粉塵綜合治理方案。按照此方案進行升級改造后，現(xiàn)場粉塵濃度顯著降低，達到了預(yù)期技術(shù)要求及國家節(jié)能環(huán)保標準。噸包車間改造成功后，將該粉塵治理方案優(yōu)化應(yīng)用于加一車間、加三車間的多條皮帶輸送機，均取得了良好效果。預(yù)計每年可為鉀肥公司節(jié)約材料、設(shè)備和人工成本總計約261萬元。鉀肥公司在鉀鹽輸送環(huán)節(jié)粉塵治理的成功實踐，充分驗證了合理高效的粉塵治理設(shè)計在節(jié)能減排、降本增效及綠色環(huán)保方面的積極作用，為同行業(yè)提供了寶貴的參考方案。

5 參考文獻

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