高杆喷雾抑尘技术在煤炭矿石堆场的应用研究

武守元，王广成

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

港口煤炭矿石堆场在装卸和堆存过程中，有多种扬尘因素，且各因素间相互交织[1-2]，总体表现为面污染源。高杆喷雾抑尘技术不仅可实现对点和面污染源的抑尘还可有效抑制外溢粉尘，将是未来煤炭矿石堆场广泛采用的防尘抑尘技术。但目前散货码头堆场的喷（水）雾抑尘技术（高杆喷雾装置）应用较少，只有加拿大西部港口、国内湛江港和上海罗泾港设置了高杆喷雾装置。为了推广应用投资少、效果好、运行费用低的粉尘防治技术，本文对高杆喷雾抑尘技术在散货码头防尘、抑尘方面的应用原理、方法和关键应用技术进行了探索，为其在国内散货码头防尘、抑尘方面的推广应用提供指导。

1 高杆喷雾防尘抑尘机理和控制范围

1.1 高杆喷雾防尘抑尘机理和工作方式

高杆喷雾防尘抑尘机理是将防风抑尘网的减风抑尘原理与湿法除尘原理集成，利用风能将雾化后的水珠颗粒传送的更远，让雾化的小颗粒更好的覆盖整个料场。小颗粒水雾在飘散一定距离后，在重力的作用下下落，与现场扬起的少量粉尘结合后重量增加，可有效沉降，在下降过程中又可以捕获更多上扬的物料颗粒，从而达到抑尘的目的。

减风抑尘网的工作原理（如图1所示），通过设置防风抑尘网，在防护区域内最大限度地降低风能，消灭涡旋气流，遏制扬尘，达到治理粉尘污染的目的。网后方（下游）形成风力微弱、均匀、平直、稳定的流动，因而不会造成强涡流和垂直气流扰动而产生的颗粒物起尘、上扬。由于影响料场起尘的因素不仅仅是风能，还包括空气湿度、物料种类等。在采用挡风抑尘网有效减小风能的基础上，在挡风抑尘网上方安装喷头，再采用喷雾的方式对空气进行加湿来更好地抑制堆场扬尘。

图1 防尘抑尘网工作原理

为了确定加设喷（水）雾喷头的高度位置，对挡风抑尘网不同高度时的风速分布情况进行了实验，如图2所示。

图2 挡风抑尘网不同高度时的风速分布

实验结果表明，在挡风抑尘网高3 m左右风速将达到增加风速的极限，为原有风速的120 %。风速越大，风能越大，造成的起尘量越大，在抑尘网上方高约3 m处风能将增加为原有风能的1.44倍。如果在此高度范围内加设喷（水）雾喷头，才能将减风抑尘和湿法除尘的结合达到最佳。

1.2 高杆喷雾防尘抑尘的控制距离分析

风速取临界起尘速度5.5 m/s，在 20℃的环境下，假设煤堆高度20 m，高杆喷雾杆顶高40 m，高差20 m。喷头预选流量2.4 t/h，平均雾粒150～670 μm，7个喷头，每小时水量16.8 t，计算高杆喷雾作用距离。

1）煤堆起尘量的计算

煤堆起尘量按式（1）计算：

式中：Qm为煤堆起尘量，mg/s；U为临界起尘风速，U≥5.5 m/s；S为煤堆表面积，m2，假设表面积为100 m2；ω为空气相对湿度，取60 %；W为煤物料湿度，取6 %。

计算结果表明，在 5.5 m/s风速时起尘量为4.46 t/h。

2）高杆喷雾作用距离的估算

根据计算条件，分别计算150～670 μm颗粒的雷诺数K。

式中：dp为颗粒直径，取670 μm；pρ为颗粒物密度，水密度取1 000 kg/m3；ρ为介质密度，20℃时空气密度为1.205 kg/m3；μ为介质粘度，20℃时空气粘度 1.18×105Pa·s。

670 μm 颗粒的雷诺数K=4.8×105＞3.3×105，说明其流动处于湍流区，按式（2）计算沉降速度。经计算得Ut＝4.1 m/s，说明20 m高度下落需4.9 s，在5.5 m/s风速作用下4.9 s的水平距离为27 m。

150 μm 颗粒的雷诺数K=2.4×105＜3.3×105，说明其流动处于过渡区，沉降速度按式（3）计算，经计算得Ut＝0.57 m/s。说明 20 m 高度下落需35.1 s，在5.5 m/s风速作用下4.9 s的水平距离为193 m。因此，当高差20 m时，在煤堆最小扬尘临界风速时，高杆喷雾可在下风侧190 m范围起到抑尘作用，如图3所示。

图3 高杆喷雾防尘抑尘的控制距离

根据图2的柔性抑尘网的风速分布，一个15 m高的防风墙能产生大约75 m的缓风区。从75 m到150 m的范围，风速将回升到上游风速的 50 %。150 m以外，风速将迅速回升。可见高杆喷雾和抑尘网的结合可以将控制距离由原来的90 m增加到190 m。

2 高杆喷雾抑尘应用的关键技术

2.1 高杆喷雾装置的布置原则

根据高杆喷雾防尘抑尘的工作原理和工作方式，并结合防风抑尘网支撑结构，高杆喷雾装置间距一般与防风抑尘网支撑间距相同，但不应小于18 m。高杆喷雾装置的布置高度应位于防风抑尘网上方3 m左右，每组单排横向布置7只喷头，间距0.5 m，横杆总宽度3 m。

2.2 喷头、加压泵的选型

喷头以轻便为宜，材质以耐腐蚀为宜，喷射的平均雾粒直径 300～700 μm。

根据喷头的额定工作压力及管路损失选用加压泵，多级离心泵为首选，也可与堆场其它供水洒水的供水泵合用。

2.3 管路

每组高杆喷雾装置的供水支管应沿防风抑尘网结构柱架设，可选用高压软管，方便维修拆装。管路最低点设置手动阀及自动泄水阀，冬季可实现自动泄水。

2.4 供电控制

每组高杆喷雾装置的供水管均设置电动阀，并由中控室集中控制，可根据现场气象条件开启上风高杆喷雾装置，从而达到抑尘效果，喷洒时间可根据现场情况自由确定。

3 高杆喷雾防尘抑尘应用的实验验证

3.1 实验设备

实验设备包括：1）杆高24 m，横杆3 m均布的7只喷头；2）喷头为3/4BD-SS25空心锥，平均雾粒直径300～700 μm；3）不锈钢立式多级离心泵2×7.5 kW，流量12 m3/2 MPa；4）高压软管50 m。

3.2 实验配置流程

根据如图4所示的高杆喷雾配置方式和配置流程，24 m高杆采用桁架结构，由四段连接而成，两段之间以法兰方式用螺栓拼接。水泵使用立式多级离心泵 CDLF8_18，为满足喷头水量要求，采用双泵并联的方式供水。

图4 高杆喷雾配置流程

3.3 实验结果

实验结果表明，在风速大于5 m/s时，水雾的作用范围约为120～160 m；考虑风速加强后，水雾的作用范围为172～230 m。考虑到现实中水份蒸发及“壁效应”的影响，300～700 μm雾粒直径的漂浮距离实验值比理论计算值小 1/4。由此推算，若选用雾粒直径在100～500 μm的喷头，其最大有效范围预计在180～200 m。验证了高杆喷雾装置在防尘抑尘方面的有效性。

4 结 语

通过对高杆喷雾防尘抑尘机理和控制范围的理论和实验研究，确立了对设有防风抑尘网的散货堆场，应利用防风抑尘网的支撑结构布置高杆喷雾系统，间距应不小于18 m，在防风抑尘网上方3 m处设喷雾装置，利用风能将雾化后的水珠颗粒传送的更远，使雾化的小颗粒更好地覆盖料场。水雾颗粒与现场扬起的粉尘颗粒凝结，在重力作用下下落，在下降过程中又可以捕获更多上扬的粉尘颗粒，从而达到抑尘的目的。高杆喷雾抑尘技术在煤炭矿石堆场的应用研究成果，可推广在港口或相关行业应用，实现港口节能减排和环境保护的目标。