港口煤翻车机房粉尘污染捕集的设计与应用.pdf

烟 气 污 染 治 理 港口煤翻车机房粉尘污染捕集的设计与应用 * 李庆 1 欧阳莹 1 李涛 2 李文昭 1 丁倩 1 甘罕 1 孟姜山 1 1． 河北大学静电研究所， 河北 保定 071002; 2. 武汉理工大学能源与动力工程学院， 武汉 430070 摘要 对煤翻车机房煤尘的污染现状进行了实际测量与数据分析， 得到煤尘上扬的数学模型， 设计了翻车机房扬尘的 捕集系统， 并对系统内各个装置的功能进行了分析。采用吹、 吸互补并利用导流板的捕尘方式， 使无序飞扬的粉尘变 成了有序的流动， 该方法解决了大区域、 复杂工况环境捕集粉尘的问题。 关键词 翻车机房; 煤尘捕集系统; 吹、 吸互补; 导流板 DESIGN AND APPLICATION OF DUST CAPTURE IN COAL OVERTURNED ROOM OF PORT Li Qing1Ouyang Ying1Li Tao2Li Wenzhao1Ding Qian1Gan Han1Meng Jiangshan1 1． Electrostatic Institute， Hebei University， Baoding 071002， China; 2． School of Energy and Power Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China AbstractIt is carried out that some practical measurements and data analysis with coal dust pollution situation of coal overturned room，and received the mathematical model of coal dust rise． It is designed a capture system of dust in coal overturned room，and analysed each device in this system． The capture way of blow-suck complementary and guide plate are used to make disordered dust become the ordered flow． This way can solve the problem of dust capture in large area and complex operation． Keywordscoal overturned room;coal dust capture system;blow-suck complementary;guide plate * 河北省自然科学基金项目 A2010000182 ; 河北省科技支撑项目 09276712D ; 河北大学博士基金项目 2009- 178 。 0引言 我国是煤炭开采和消费大国， 煤炭占国内能源总 消耗量的 60 ～ 70 ［1］。由于我国的煤炭产地和能 源消耗区域不均衡， 因此， 原煤的长途运输不可避免。 在大量煤炭运输的过程中， 翻车机房是运输过程中一 个重要的环节， 煤炭在翻车机房卸载的过程中将产生 高浓度的扬尘， 如果不对该部位的扬尘进行处理， 不 但会对周围的大气环境产生严重的污染， 而且还有可 能影响翻车机房内设备的正常运行和工作人员的身 体健康。因此对翻车机房内部进行煤尘产生机理、 治 理方法的研究具有重要的实际意义。 1翻车机房污染现状调查 针对秦皇岛港的某一翻车机房的污染状况进行 现场调查。在港口的煤炭转运过程中， 产生大量煤尘 污染的区域主要包括 翻车机房、 皮袋转运点、 堆料 机、 煤堆场、 取料机和装船机。根据现场调查， 各环节 的扬尘量与所占总扬尘量的比例如表 1 所示。翻车 机房是外运煤到港口的第 1 个转运点， 是产生煤尘的 源头， 该点尘量较大而且相对集中。针对相关资料的 分析， 翻车机房在卸煤时， 约有 70 的煤尘 TSP 扬 起。从表 1 可知 翻车机房内产生的煤尘量占总扬尘 量的 12. 7 ， 其扬尘部位较煤堆场等环节相对集中， 合理的设计治理方案将会达到很好的治理效果， 并且 能够减少后续环节粉尘污染的治理压力 ［2］。因此把 翻车机房作为治理对象可以从源头上基本解决煤尘 污染的难题。 表 1各环节的煤尘排放量及占总排放量的比例 项目 翻车 机房 皮袋转 运点 堆料机煤堆场取料机装船机 扬尘量 / t a － 19 372. 6 10 7017 675. 2 30 848. 49 9632 287. 8 扬尘比例 /12. 710. 441. 8 13. 53. 114. 5 1. 1翻车机房内各区域的污染现状调查 采用立体网格布点法 ［3］对翻车机房的上、 中、 下 74 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 层中 TSP 煤尘分布进行采样分析。立体网点的布设 见图 1。本研究选用原四、 山优、 山末 3 种煤粉在同 等条件下进行测量， 采集的数据为扬尘中的 TSP 值， 所测数据均在单侧翻车情况下取得， 结果表明原四煤 产生煤尘的浓度较小， 山优次之， 山末最高。 图 1翻车机房立面结构 具体各部位的扬尘测试数据如下 1 下层给料器机房， 在高度 1. 5 m 时， 空间分布 浓度为 330 mg/m3， 其平均值为 280 mg/m3 图 1 中 A 点 ， 给料器处最高浓度为 4 200 ～ 5 060 mg/m3 图 1 中 B 点 。在高度为 2. 8 m 时， 最高浓度为 410 ～ 1 827 mg/m3， 给料器四周的平均浓度为 630 mg/m3。 2 地面上层风向为西风， 在风速 2 ～ 3 m/s， 湿度 为 50 ， 温度为 15 ℃ 时， 距翻车机房出口 8 m 处， 最 高浓度为 5 220 mg/m3， 最低为 1 440 mg/m3， 平均浓 度为 1 730 ～ 2 270 mg/m3。 3 走廊处风向为西风， 在风速 3 ～ 5 m/s， 湿度为 50 ， 温度为 15 ℃ ， 工况为喷水时， 走廊中央处最高 浓度为 4 450 mg/m3， 最低浓度为 4 030 mg/m3， 平均 值为 4 230 mg/m3。 4 司 机 室 处 在 未 翻 车 的 情 况 下，在 风 速 为 5 ～ 7 m/s， 湿度为 31 ， 温度为 13 ℃ 时，其最高浓度 为 36. 5 mg/m3， 最低浓度为 18. 9 mg/m3， 平均浓度为 28. 9 mg/m3。 5 在翻车机房出口侧距离为 40 m 远处的工作人 员休息室中， 当风速为 2 ～ 3 m/s 时， 煤尘浓度最高为 12 mg/m3; 当风速达 3 ～ 5 m/s 时， 煤尘浓度最高为 28 mg/m3。 1. 2翻车机房煤尘扩散时空分布分析 翻车机房内粉尘的时空分布如图 2 所示。从 图 2中可以看出 翻车过程中， 扬尘是一个周期变化 的过程， 在 120 s 的翻车过程中污染超标时间为 50 s， 占总翻车时间的 42 。 图 2翻车机房内粉尘的时空分布 煤尘空间分布为确定捕尘罩的位置提供依据， 时间分布图说明捕尘管道内的粉尘浓度将随时间 产生周期变化。利用这一变化， 合理的设定净化系 统的运行参数， 将可以最大限度的捕集扬尘， 并降 低净化过程 中 的 能 源 消耗， 达到节能减 排 的 双 重 目的。 1. 3扬尘机理分析 煤尘上扬的原因有以下 3 种 1 煤从车箱翻卸至给料器漏斗中时， 因漏斗出 口较小， 不能及时把煤卸下， 将在给料器漏斗区形成 一个压缩空气区， 压缩空气作用在粒径较小的煤尘 TSP 上， 使这些煤尘从空隙中射出， 导致煤尘上扬， 其情况类似于气体沿压缩箱的小孔喷出。 2 煤在下落时， 引起周围空气扰动， 煤尘随空气 扰动飞扬。 3 煤下卸时， 煤落在铁箅子及其他阻隔物上， 因 碰撞引起煤尘飞扬。 其中， 第 1 种情况是主要的。针对煤尘形成的主 要原因， 作如下假设 ①由于煤尘粒径及密度较小， 与 空气混合运动时， 可以作为流体处理， 其整体运动用 近似流体力学中的伯努利方程及连续性方程 即质 量守恒 来描述 ［4］; ②将单个煤尘作为质点， 其运动 规律符合牛顿第二定律及动量、 能量守恒定律; ③压 缩空气反冲作用下的煤尘飞扬运动将受到一定阻力， 其运动应遵守斯托克斯定律 ［5］。根据上述假设建立 公式 1 的数学模型 m d2y dt2 － 6phr dy dt － mg f引导力 0 1 式中 y 为垂直地面方向; m 为煤尘质量; r 为煤尘半 径; p 为空气黏滞系数; h 为扬尘高度。 根据公式 1 可知， 适当的引导力可以将扬尘有 84 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 效的捕集。 2翻车机房治理方案设计 2. 1系统流程设计 由于秦皇岛风向多变， 敞开式翻车机房不利于粉 尘的集中捕集， 所以将翻车机房封闭， 这样使粉尘集 中在有限空间， 减少了外界无组织气流的侵入及翻车 机房内煤尘外逸 ［6］， 以维持工作区稳定的环境条件。 系统流程设计见图 3。 图 3系统流程设计 2. 2捕尘系统的设计 捕尘的设计思路如下 1 将翻车机房封闭， 减少外部环境气流的扰动， 使扬尘集中在相对有限的空间内， 降低收集能耗。 2 在扬尘作业面加设导流装置及吹吸捕集设 备， 使无序飞扬的粉尘有序流动， 将含尘气流输送到 集尘罩进行有效地收捕， 为了提高收捕效率及降低能 耗， 导流装置使含尘气流在捕集罩口形成环流。 3 合理布置输尘管道及捕尘罩口位置。在不影 响作业和现有设备运行维修的前提下， 捕尘罩口布置 在煤尘浓度较大区域。 从实测得出， 煤尘上扬速度较快， 如果简单使用 水雾抑制的方法， 很难在翻车机房内部达到抑制扬尘 的目的。因此， 应该考虑把粉尘从翻车机房内部引 出， 然后收集。引出的一般措施是定向引导， 基于翻 车机房的实际情况 煤尘浓度大、 相对集中、 上扬速 度快等 ， 采用的原则应该是把粉尘的无序运动变成 有序的定向移动， 一是采用吹吸互补的形式， 二是加装 导流板。吹吸互补使粉尘产生定向运动， 导流板可以 减少捕尘时的能耗， 当然也起到一定的引导粉尘运动 轨迹的作用。根据公式 1 求解 f引导力， 然后根据该力 的大小来确定引风机、 吹风机的风量及导流板的形状。 粉尘从翻车机房抽出后， 可以使用多种方法进行收集， 例如， 布袋除尘器、 湿式除尘器和静电除尘器 ［7］等。 根据扬尘规律、 现场粉尘分布等数据分析， 具体 设计方法是将翻车机房气流组织分成两大部分考虑 图 4 。重点治理中层扬尘最大处及下层给料器区 域， 改善上层和下层空间内的环境。 图 4翻车机房捕尘设备示意 如图 4 所示， 在给料器上方设置吸尘罩， 具体位 置在图中 A 点， 给料器为密闭装置， 该部位的粉尘捕 集相对容易， 也是目前翻车机房粉尘处理的常规设 计。为了达到改善上部空间作业环境的目的， 目前常 规设计是在 B 点实施水雾抑尘 ［8］的方法。该方法抑 尘效果虽然很好， 但是也有致命的缺点 ①大量水资源 的浪费 ［9］; ②对于北方港口在冬季使用水雾抑尘将造 成煤炭板结和传送带打滑， 从而影响设备的正常运转， 影响生产效率; ③目前中层扬尘的常规设计是使用水 雾抑尘法配合下层的布袋除尘方法， 这样湿润的煤尘 进入布袋除尘器后将使布袋板结而失去除尘效果 ［10］。 鉴于上述原因， 本设计将使用在中层导流板处加 装捕尘管道的方法进行扬尘捕集， 具体形式与位置如 图 4 中 B 点所示。C 点处安装补风装置， 补风气流的 方向指向 B 点设置的吸风口。导流板、 吸尘管路、 补 风装置共同组成了中层扬尘的捕集系统， 吸尘管路的 作用是吸入粉尘并将粉尘传输到除尘装置里， 导流板 的作用是利用扬尘的上升动力在导流板处形成环流， 环流速度的切线方向指向吸尘管路的捕尘罩口， 这样 利用扬尘的自身动力达到降低捕尘能耗的目的。根 据吹、 吸罩口不同的气流运动规律， 比如吸、 吹气流量 和气流速度的关系可知 ［11］， 在同样动力输出的情况 下， 吹出气流的作用范围远大于吸入气流， 因此补风 装置一方面可以使脱离导流板和捕尘管路束缚的粉 尘回到捕尘区; 另一方面， 在不影响作业面的情况下， 扩大了捕尘系统对扬尘的控制区， 使无序飞扬的粉尘 形成有序流动的可控制粉尘。 设计捕尘管道系统的目的是要合理组织含尘气 94 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 流的流动。根据上述设计理念并针对翻车机房扬尘 的具体情况， 自下而上设计两层吸风口， 下层吸风口 为常规设计， 本文不作讨论。针对中层 也是本设计 的创新部分 设置 16 个风口， 风口处负压值设定为 60 Pa， 吸风速度设为 4 m/s， 分支管路风速为 15 m/s， 总管路风速为 17 m/s。中层引风量为卸煤冲击引起 的空气外溢量和卸煤引起的诱导空气量之和， 根据公 式 1计 算 为 37 500 m3/h， 管 路 压 力 总 损 失 为 1 650 Pa。 C 点的补风量按照引风量的 75 计算， 剩 余的 25 以自然补风的形式进行补充， 因此， 补风量 为 28 175 m3/h， 风速为 4 m/s。吸风口采用矩形侧 吸收尘罩， 罩口四边加装法兰， 以提高吸风的作用 距离。 3应用效果分析 根据研究结果设计的静电除尘自动运行装置在 秦皇岛港煤二期翻车机房进行了现场应用， 经环保部 门测试， 静电除尘器效率达 99. 1 。经检测， 除尘器 出口煤粉尘排放浓度在 12. 3 ～ 15. 2 mg/m3， 远远低 于国家标准。针对翻车机房内的大气环境， 环保部门 也进行了测试， 表 2、 表 3 为捕尘系统工作前后机房 内扬尘量的比较， 对比结果说明了该捕尘系统设计合 理、 捕集效率高。 表 2净化前翻车机房内 TSP 浓度监测 mg/m3 测试点位西北角西南角东南角东北角 11 2864 5902 5101 125 21 0145 2202 6301 653 39574 8102 4801 578 均值1 0864 8732 5402 119 表 3净化后翻车机房内 TSP 浓度监测 mg/m3 测试点位西北角西南角东南角东北角 11. 0000. 8331. 0831. 000 21. 0831. 0001. 1661. 333 31. 2501. 0001. 2501. 667 41. 0000. 8331. 1661. 707 均值1. 0830. 9171. 1661. 427 4结论 1 翻车机房扬尘为冲击型周期性扬尘， 针对大 区域、 复杂工况环境捕集粉尘的问题， 采用吹、 吸互补 捕尘方式是可行的。 2 在捕尘罩口上方加设导流板， 利用冲击扬尘 的上升动力可以使部分无序流动的粉尘形成有序的 环流运动， 从而降低捕集系统的动力消耗。 3 根据实际情况， 对捕尘风量大小、 导流板形 状、 捕尘口形状位置等参数的优化设计使捕尘效果明 显， 可以有效地改善翻车机房内的工作环境。 参考文献 ［1］高连芬， 刘桂建， Chou Chen-Lin， 等． 中国煤中硫的地球化学研 究［J］． 矿物岩石地球化学通报， 2005， 24 1 79- 87． ［2］傅贵， 张江石， 潘结南， 等． 工作面粉尘污染状况研究［J］． 煤炭 学报， 2006， 31 63- 66． ［3］奚旦立， 孙裕生， 刘秀英． 环境监测［M］． 北京 高等教育出版 社， 2004 153． ［4］周光坰， 严宗毅， 徐世雄， 等． 流体力学 上册 ［M］． 北京 高等 教育出版社， 2000 165、 179． ［5］郝吉明， 马广大． 大气污染控制工程［M］． 北京 高等教育出版 社， 2002 146 ． ［6］郭静， 阮宜纶． 大气污染控制工程［M］． 北京 化学工业出版社， 2001 3- 6、 66- 107． ［7］蒋展鹏． 环境工程学［M］． 北京 高等教育出版社， 2005 348． ［8］庞东旭． 静电水雾复合除尘在翻车机中的应用研究［J］． 设备 设施， 2010， 32 7 132- 133． ［9］邵薇薇， 杨大文． 水贫乏指数的概念及其在中国主要流域的初 步应用［J］． 水利学报， 2007， 38 7 866- 872． ［ 10］韩小林． 选煤厂车间粉尘治理设计［J］． 能源环境保护， 2006， 20 5 45- 46． ［ 11］孙一坚． 工业通风［M］． 北京 中国建筑工业出版社， 1985 53． 作者通信处李庆071002河北省保定市五四东路 180 号河北大 学静电研究所 电话 0312 5079419 E- mailliqing hbu． edu． cn 2011 － 11 － 17 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 46 页 ［4］陆贤， 李燕， 郭方峥． IC-A /O-Fenton 氧化工艺处理废纸造纸废 水的中试试验研究［J］． 湖北造纸， 2010 4 19- 22． ［5］陈志强． IC 厌氧反应器在制浆造纸废水处理中的应用［J］． 中 国造纸， 2004， 23 3 37- 39． ［6］蒋健翔， 次新波， 万先凯， 等． 厌氧内循环工艺在废纸造纸废水 处理中的应用［J］． 工业水处理， 2010， 30 11 89- 92． ［7］贺延龄． 废水厌氧处理技术的新进展-IC 反应器在造纸工业上 的应用［J］． 纸和造纸， 2001 6 45- 48． 作者通信处张鹏娟450000河南省郑州市科学大道 100 号 郑州 大学新校区水利与环境学院环境工程专业 2010 级研究生 电话 0371 60209031 E- mailzpj1268 126． com 2011 － 08 － 26 收稿 05 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期