微米級干霧抑塵裝置的研究及工業應用

趙環帥，尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術研究中心；2.唐山杰斯德科技有限公司，河北 唐山 063020)

目前，我國在能源格局上進行了重大調整，將煤炭清潔及高效開發利用作為能源轉型發展的首要任務與立足點，為煤炭行業轉變發展方式、實現清潔高效發展創造了有利條件。傳統產業與現代計算機信息技術深度融合，又為煤炭行業轉換發展動力、提升競爭力帶來了新的機遇。與此同時，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要2006—2020年》中指出，要促進煤炭的清潔高效利用，降低環境污染；《中國制造2025》提出加快發展智能制造裝備和產品，推進制造過程智能化；《新一代人工智能發展規劃》提出人工智能成為經濟發展的新引擎，在制造重點行業和領域開展人工智能應用試點示范，推動人工智能規模化應用，全面提升產業發展智能化水平。在國內市場環境及國家政策的雙重影響下，節能環保與智能化逐漸成為未來我國煤炭行業的發展趨勢。今后在選煤廠設計或設備的采用時，注重節能環保與智能化理念，可以有效促進選煤廠在降噪、節能、節水、防塵與循環經濟方面的發展。

1 項目研發的必要性

工業粉塵是指在工業生產過程中產生并懸浮在勞動生產場所空氣中各類粉塵的總稱，其粒徑通常在0.1～100 μm，尤其粒徑小于10 μm的粉塵，可長時間在空氣中漂浮[1]。工業粉塵不僅嚴重影響生產者的身心健康，且具有易爆性，威脅生產安全。為了治理粉塵污染，通過對選煤廠、選礦廠、采礦區、水泥廠、火電廠及物料轉運存儲等各行業中容易存在粉塵區域的粉塵運動特性進行調研分析，結果如表1。

表1 各粒度級粉塵運動特性

由表1可知，在各粒度級粉塵中，150 μm 以下的粉塵顆粒是粉塵處理的主要目標。尤其直徑為5 μm 以下的可吸入粉塵顆粒是造成塵肺病等職業病的主要根源，嚴重威脅著人類的健康和生命。其主要特點是：化學活性、吸附能力強，極易吸附一氧化碳、氮氧化合物等有毒有害污染物，長期浮游在空氣中四處飄散，且粒徑小，相對表面積大，對生態環境產生了嚴重污染。而傳統的干式除塵與濕式除塵裝置對這些粉塵目前無有效的治理辦法。因此，為了確保工作人員的身體健康和安全文明生產，研究一種微米級干霧抑塵裝置，對各種粉塵污染進行有效治理，具有非常重要的現實意義，亦是目前亟待解決的問題。

2 干霧抑塵裝置工作原理

一般而言，所謂干霧是指通過采用各種技術，把水霧轉化成直徑在10 μm 以下的超細霧滴。干霧抑塵是21世紀以來在國內外推廣應用的具有先進水平的濕式除塵技術，其原理主要來源于歐美研究理論—— “水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時吸附、過濾、凝結的幾率最大”。干霧抑塵主要利用干霧噴霧器產生微細水霧顆粒，使粉塵顆粒能相互粘結或聚結增大，最終在自身重力作用下沉降(圖1)。粉塵顆粒在粘結或聚結增大的過程中，只有當加入化學劑(如表面活性劑)減小水的表面張力或水滴很小(如干霧)時，最細小的粉塵顆粒才會聚結成團[2-3]。

圖1 干霧抑塵原理示意

根據水霧顆粒與粉塵顆粒的大小，抑塵效果主要分為以下幾種情況：

(1)水霧顆粒直徑大于粉塵顆粒時，粉塵隨水霧顆粒周圍氣流而運動，水霧顆粒和粉塵顆粒接觸很少或沒有機會接觸，從而達不到抑塵作用；

(2)水霧顆粒與粉塵顆粒直徑接近，粉塵顆粒隨氣流運動，通過與水霧顆粒碰撞、接觸而粘結一起。

(3)水霧顆粒直徑越小，聚結機會就越大，隨著聚結粉塵團變大加重，很容易沉降，形成了水霧對粉塵的“過濾”作用[4-6]。

微米級干霧抑塵裝置以粉塵凝結等現代抑塵技術為核心，引進國外先進抑塵理論，大膽突破了末端治理的常規思維，采用從污染源頭進行治理的開創性思路。其主要原理為：采用壓縮空氣驅動聲波振蕩器，通過高頻聲波將水高度霧化成水霧顆粒(1～10 μm)，然后在壓縮氣流作用下，通過噴頭共振室將水霧顆粒以低速、柔軟的霧狀方式噴射到粉塵處，對懸浮在空氣中的粉塵，尤其是直徑在5 μm以下的可吸入粉塵進行有效吸附，使粉塵凝聚后在自身重力作用下沉降，從而達到抑塵作用。

3 干霧抑塵系統流程

微米級干霧抑塵裝置流程如圖2所示。當需要抑塵時，微米級干霧抑塵裝置提前或者同步工作，使氣源、水源經過微米級干霧抑塵裝置，進入噴霧器組件(水氣分配器)，進而實現噴霧。

圖2 噴霧抑塵系統流程示意

4 干霧抑塵裝置結構特點

微米級干霧抑塵裝置采用模塊化設計，主要由微米級干霧機、儲氣罐、配電箱、螺桿式空氣壓縮機、水氣分配器與萬向節噴霧器總成、水氣連接管線、電伴熱帶和控制信號線組成，如圖3所示。其主要結構特點為：

圖3 微米級干霧抑塵裝置

(1)微米級干霧機。干霧機由多個系統組成：電控系統、流量控制系統、多功能控制系統等。在面板上安裝有電控系統按鈕，內部安裝集成化編程的電控模塊，從而實現自動控制。機體為碳鋼噴塑，防護等級為IP65標準。

(2)儲氣罐。當空氣壓縮機的排氣量不能滿足干霧機瞬時排量要求時，儲氣罐先儲存螺桿式空氣壓縮機排出的壓縮空氣，以滿足干霧抑塵裝置瞬時用氣量的需要。

(3)配電箱。配電箱是整個微米級干霧抑塵裝置的配電系統。根據用電功率的要求，配電箱稍有區別。

(4)螺桿式空氣壓縮機。主要為微米級干霧抑塵裝置提供符合標準要求的氣源。

(5)水氣分配箱與萬向節噴霧器總成。主要用于接收由干霧抑塵機輸送的氣、水，且將其轉化為直徑為10 μm 以下的微細水霧顆粒，然后根據干霧抑塵機控制系統的指令噴向抑塵點。

(6)水氣連接管線。指采用不同管徑的熱浸鋅鋼管，將干霧抑塵機、噴霧器總成、壓縮空氣儲氣罐、螺桿式空氣壓縮機及水源等按設計要求進行連接。

(7)電伴熱帶和控制信號線組成。電伴熱系統主要布置在干霧抑塵機、噴霧器總成及水、氣管路上。當周圍環境溫度低于5 ℃時，可手動啟動。控制信號線用于干霧抑塵機的控制系統。

5 干霧抑塵裝置主要技術參數

(1)空氣壓縮機電源：交流三相380V/50Hz。

(2)控制系統電源：交流220V/50Hz。

(3)電伴熱帶電源：交流220V/50Hz，功率：根據實際使用設定。

(4)設備供水要求：壓力0.3～0.6 MPa，硬度不大于450 mg/L，pH值6.5～8.5，懸浮物不大于50 mg/L，氯化物不大于250 mg/L。

(5)設備供氣要求：固體顆粒最大直徑不大于1 μm，空氣中所含的灰塵量不大于1.0 mg/m3，含油率不大于3×10-6。

(6)設備供氣壓力0.6～0.8 MPa，具體壓力值需根據實際使用情況設定。

(7)設備供水壓力0.3～0.6 MPa，具體壓力值需根據實際使用情況設定(要求不大于0.6 MPa)。

(8)每個噴頭噴霧耗氣量：0.115 m3/min(隨實際氣壓值變化)。

(9)每個噴頭噴霧耗水量：7.1 L/h(隨實際水壓值變化)。

(10)干霧霧珠直徑不大于10 μm。

6 干霧抑塵裝置使用方法

6.1 控制界面

干霧抑塵裝置控制系統界面如圖4所示。

(1)當旋鈕旋轉至“手動”位置時，可以通過操作界面的各個按鍵實現各水氣分配器的手動噴霧。

(2)當旋鈕旋轉至“自動”位置時，直接按下“運行”鍵，所有水氣分配器同時噴霧。

(3)水壓欠壓、氣壓欠壓、自清洗過濾器超壓時報警燈會亮，此時需對相應的壓力進行調節。

圖4 控制界面示意

6.2 手動操作

(1)將旋鈕旋轉至“手動”位置，可以通過操作界面的各個按鍵實現手動控制。

(2)按下“清洗”鍵，對自清洗過濾器進行清洗；排完臟水后再次按下“清洗”鍵，則關閉清洗。

(3)“1號～8號噴霧”按鍵控制不同起塵點的水氣分配器，根據需要抑塵的起塵點按下對應的水氣分配器控制按鍵，實現對各個起塵點的獨立控制。

(4)按下“停止”鍵，設備停止噴霧。

(5)設備停止噴霧后，按下“吹掃”鍵，則自動吹掃水氣管路及干霧機內的水，避免冬季結冰堵塞管路。

6.3 自動操作

(1)將旋鈕旋轉至“自動”位置，可以實現設備的全自動控制。

(2)自動模式下按下“運行”鍵，所有水汽分配器打開，進行噴霧。

(3)當自清洗過濾器壓力值超過設定值時，過濾器進行自清洗。

(4)自動模式下按下“停止”鍵，所有水汽分配器關閉，停止噴霧并吹掃管路與干霧機內的水。

7 工業應用效果

圖5 微米級干霧抑塵裝置在輸送機上的應用

在各種工業現場中，粉塵處理的主要對象是無組織排放的150 μm以下粒級粉塵顆粒，尤其是可吸入性直徑5 μm以下粒級的粉塵顆粒，對人體易造成不可恢復性傷害，是目前造成塵肺病等職業病的主要根源。在選煤廠中，粉塵來源主要有煤炭的破碎、篩分及運輸環節，以某選煤廠為例(圖5和圖6)，應用效果表明：微米級干霧抑塵裝置大大降低了粉塵對大氣的污染，在破碎、篩分、輸送、裝卸等無組織排放源封閉及半封閉場所粉塵污染區域，綜合抑塵效果達到95%以上；對10 μm 以下粒級可吸入性粉塵治理效果高達96%以上；改善了現場工作人員的勞動環境與施工現場的環境，避免或減少了塵肺病等職業病的危害或發生。該除塵裝置耗水量小，物料濕度增加重量比為0.02%～0.05%，無二次污染。另外，使用該除塵裝置還具有以下優勢：減少了煤炭損失量，煤炭熱值損失量減少(相對噴淋除塵)；全自動控制、操作方便、占地面積小；設備資金投入少，運行與維護成本較低；適用于污染源頭為無組織排放，密閉或半密閉空間；大幅度減少粉塵爆炸幾率，節約了消防設備投入。

圖6 微米級干霧抑塵裝置在破碎機上的應用

8 結 語

微米級干霧抑塵是目前國際上最先進的抑塵技術，具有抑塵能力較大、耗水量小、無二次污染、節能環保、占地面積少、全自動控制、操作方便、運行和維護費用低等特點，同時也可減少煤炭損失量，避免塵肺病危害，降低作業場所粉塵爆炸幾率，減少生產設備及消防設備投入。隨著未來我國節能環保與智能化趨勢的發展，該技術的推廣與應用，將大大促進選煤廠等企業的安全生產，保障現場工作人員的身心健康，提高企業的環保、經濟與社會效益。