渣土車噴霧除塵裝置方案設計分析

陸洪杰 孟憲春

（1、秦皇島北方管業有限公司,河北 秦皇島 066000 2、河北省波紋膨脹節與金屬軟管技術創新中心,河北 秦皇島 066000）

渣土車又稱泥頭車,渣土清運車,多以自卸車型為主,頻繁出現在工地和城市之間,運輸過程中灑落物料,嚴重影響城市環境。隨著國家對環境保護相關政策的出臺,促進渣土車向智能化、綠色化發展。目前新型綠色環保渣土車結構優化主要是渣土車車廂的自動封閉設計,解決了運輸途中物料灑落問題,但對于裝車、卸車過程中產生的大量粉塵缺少有效除塵措施,造成大量粉塵飄散到空氣中,給人們身體健康帶來危害,污染環境。針對渣土車裝卸料過程中產生的大量粉塵的排放特點,屬于無組織排放粉塵,目前先進的無組織排放粉塵抑塵技術為濕式除塵。而濕式除塵主要有三種技術：干霧除塵技術、射霧器和高壓水射流除塵技術。本文根據三種除塵技術系統特點和結構組成,與渣土車箱體結構進行結合設計,為渣土車除塵技術提供新思路,也為廣大工程技術人員提供參考思路。

1 無組織排放粉塵除塵技術簡介

粉塵是大氣污染物的重要組成部分,可分為有組織和無組織兩種排放方式。根據《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）的定義,無組織排放粉塵是指不經過排氣筒的無規則排放的粉塵。無組織排放粉塵的粒徑范圍分布很廣,擴散作用強,影響范圍廣。無組織排放粉塵廣泛存在于人們的生產,生活中。據統計,工業生產（礦山、鋼鐵、電廠、冶金）和建筑工地為無組織排放粉塵的主要來源。粒徑小于5μm的無組織排放的呼吸性粉塵不但容易吸附CO、氮氧化物等有毒有害污染物,導致矽肺、塵肺病的發生,對人體造成危害,而且還會降低粉塵的濕潤與凝聚性能,加之受作業環境風流及各種攪動因素的影響,將長期浮游在空氣中四處飄散。目前針對無組織排放粉塵常用的除塵技術是空氣輔助動力的干霧抑塵技術和射霧器,還有高壓水射流除塵技術。

1.1 干霧抑塵技術

干霧抑塵技術基于空氣動力學、云物理學、斯蒂芬流的輸送等多種機理的研究理論：“當水霧顆粒與粉塵顆粒大小相近時,它們吸附、過濾、凝結的機率最大”。對懸浮在空氣中的粉塵進行有效的捕捉吸附而凝結成團,受重力作用而沉降,從而達到抑塵作用。

干霧抑塵裝置采用的是超聲波霧化噴嘴,其造霧原理是利用高速氣流撞擊機械振子,使得機械振子產生高頻振蕩,強化霧化效果。由于需要壓縮空氣,是一種加強型空氣霧化噴嘴。因此干霧抑塵系統的配置主要包括空氣壓縮機,低壓供水泵,儲氣罐,儲水罐,噴霧終端,超聲波霧化噴嘴及水氣連接管線等(見圖1)。干霧抑塵裝置是將水、氣過濾后,以設定的水氣壓力及流量,經管道輸送到噴霧終端噴嘴中去,實現噴霧抑塵,霧粒直徑10 微米以下。

圖1 干霧抑塵系統簡圖

干霧抑塵技術的優點是霧粒直徑小,粒徑10 微米以下；噴嘴出口水、氣壓力小；耗水量少,不產生積水；水沖擊力強。

干霧抑塵技術的缺點是噴嘴直徑小,需要精密過濾,易堵噴嘴；射程不遠：1-6 米；耗氣量大,需要的空氣壓縮機外形尺寸大；配套設備種類多,需較大安裝空間；噴頭精密,價格貴,設備投資成本高。

1.2 高壓水射流除塵技術

高壓水射流除塵裝置采用的是單流體霧化噴嘴——細水霧化噴嘴或者撞針式霧化噴嘴。細水霧化噴嘴的造霧原理是利用帶有一定壓力的水通過內部鑲嵌有特殊結構的噴嘴芯,以極高的速度流動,沖擊在倒流葉片上形成了一個離心漩渦,從噴嘴口噴出空心式霧粒,整個精細霧化過程完成。撞針式霧化噴嘴內部結構簡單,在噴嘴出口處的正上方有一個彎構型撞針。撞針式霧化噴嘴的造霧原理是通過帶有較高壓力的水通過細小的噴嘴口高速射出,與噴嘴出口處的彎鉤型撞針碰撞,從而破碎成細小霧滴。兩種噴嘴都是單流體噴嘴,決定了高壓水射流系統配置主要包括高壓泵,儲水罐,噴霧終端及高壓水射流噴嘴,系統結構較為簡單(見圖2)。高壓水射流除塵裝置的工作原理是利用高壓泵將水加壓到4MPa 以上,經特殊結構的噴嘴噴出,噴射出的水霧顆粒與空氣高速摩擦,當水的粘滯性不夠時,霧滴會進一步破碎,形成100μm以下霧滴,可以有效抑制粉塵。

圖2 高壓水射流系統簡圖

高壓水射流除塵技術的優點：由于要求供水壓力高,水流量較大,因此射程較遠,當提供的水壓壓力達到4MPa 以上時,噴嘴射程可達8 米以上；水沖擊力大；噴嘴直徑較大,不易堵塞；霧粒直徑較小,100 微米以下；配套設備少。

高壓水射流除塵技術的缺點：耗水量較多,配套的水泵設備功率較大,當噴霧終端需要多路時,提供高壓水源的泵組功率和外形尺寸都加大。

1.3 射霧器原理及系統簡介

射霧器主要包括風筒,風機,高壓泵,水平回轉、俯仰驅動電機及機構,噴霧終端及細水霧化噴頭,水電連接管線等(見圖3)。射霧器的風筒前端環形噴頭座上布置幾十個甚至上百個霧化噴嘴,風筒后端配置由電機帶動的一個大型扇葉。整個風筒通過回轉支撐固定在底座上,可以做水平旋轉運動,風筒下部與俯仰驅動電機連接在底座上,可以做俯仰運動,實現了大范圍定點或者追蹤噴霧除塵。用其工作原理是根據空氣動力學原理,經過加壓的水通過霧化噴嘴后被霧化成與粉塵顆粒大小相當的50 微米以下水霧顆粒,再依靠風機作為輸送動力源,將霧化的水霧顆粒噴射到起塵點,射程遠,覆蓋范圍廣。

圖3 射霧器系統簡圖

射霧器除塵技術優點：霧粒直徑較小,50 微米以下；當射程遠,覆蓋范圍廣；配套設備整合在一起,設備一體化程度高。

缺點：體積大,設備重；耗水量大；噴嘴直徑小,易堵塞。

2 除塵設備技術方案設計

渣土車裝卸物料過程中,在車廂和車廂尾部產生大量粉塵,根據產塵位置,將除塵設備的噴霧終端設置在渣土車車廂頂部和尾部車廂門兩側（見圖4）。下文中除塵設備技術方案是針對現常用車型的車廂尺寸為5600×2300×1150mm（長×寬×高）為例進行設計。根據車廂尺寸,要求車廂頂部布置噴嘴射程6 米以上,尾部車廂門兩側噴嘴射程2 米以上。噴嘴數量根據不同噴嘴參數進行合理配置。

圖4 渣土車車廂除塵設備噴霧終端布置示意圖

2.1 方案一：干霧抑塵技術方案設計

根據干霧抑塵技術原理,需要配置氣泵,儲氣罐,增壓水泵及儲水罐,干霧抑塵裝置常用噴嘴為超聲波霧化噴嘴（見圖5）,其技術參數見表1。

表1 超聲波霧化噴嘴技術參數

圖5 超聲波霧化噴嘴

根據車廂上部開口尺寸：5600×2300mm,沿2300mm方向均勻布置2#噴嘴6 個,車廂門高1150mm,沿1150mm 布置1#噴嘴3 個,兩側共計6 個。計算耗氣量和耗水量如下：

（1）耗氣量：Q氣=0.24m3/min×6+0.21m3/min×6=2.7 m3/min

（2）耗水量：Q水=40L/h×6+30L/h×6=420L/h=7L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗氣量和總耗水量如下：

（1）總耗氣量：Q總氣=2.7 m3/min×6min=16.2 m3

（2）總耗水量：Q總水= =7L/min×6min=42L

常用渣土車剎車動力是氣動剎車,剎車系統主要由氣泵、氣包、制動閥、制動室等組成。根據干霧抑塵裝置技術原理,可以借用渣土車本身自帶的氣泵和儲氣罐,節省空間和設備購置成本。

渣土車底盤氣動剎車氣泵585cc/r ,發動機額定轉速1900r/min, 供氣量為585ml/r×1900r/min≈1.12 m3/min,直接供氣不能滿足供氣量,需增加儲氣罐,最小的儲氣罐容積為（2.7 m3/min -1.12 m3/min）×6min =1.58 m3/min×6min=9.48m3,儲氣罐體積很大。車廂底盤沒有此空間,所以利用渣土車底盤氣動剎車氣泵或外加氣泵都不能與渣土車結構合適配置,所以干霧除塵技術在渣土車上使用不可行。

2.2 方案二：高壓水射流除塵裝置技術設計方案

根據高壓水射流除塵裝置技術原理,需要配置6MPa高壓水泵及儲水罐,噴嘴采用兩種形式——細水霧化噴嘴和撞針式霧化噴嘴（見圖6,其技術參數見表2）,車廂頂部布置6 個細水霧化噴嘴,車廂門兩側布置各3 個撞針式噴嘴。計算耗水量如下：

表2 高壓水射流噴嘴技術參數

圖6 細水霧噴嘴（左）、撞針式噴嘴（右）

耗水量：Q水=2.5L/min×6 +1.1L/min×6=21.6L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗水量如下：

總耗水量：Q總水= =21.6L/min×6min=129.6L

若考慮渣土車底盤尺寸與空間,將儲水罐按照方形設計,截面為500*500mm,長度為1.5 米時,儲水量為375L,375L÷129.6L/次=2.89 次。若要使用次數多,需要增加儲水罐數量。

此方案中,水泵壓力6MPa,水流量21.6L/min,需要水泵功率4KW,此柱塞泵體積較大,需要占用底盤較大空間。因此,此方案在滿足較少次數噴霧的要求,通過合理布置設備安裝位置,可以實現。

2.3 方案三：射霧器式除塵裝置技術方案

根據射霧器除塵裝置技術原理,在渣土車上需要安裝高壓水泵,儲水箱,微型管道風機、風管及高壓水管線。經工程實踐,當水壓4MPa 以上,用風量500m3/h 以上管道風機吹送高壓水,可實現小水量,遠距離噴霧。車廂頂部布置6個噴嘴,車廂門兩側布置各3 個噴嘴。噴嘴均采用小流量的撞針式噴嘴,頂部布置噴嘴需要使用微型管道風機進行吹送,將噴霧距離達到6 米以上。

計算耗水量如下：

耗水量：Q水=1.1L/min×12=13.2L/min

按照每次卸車時間為6 分鐘,卸車過程中噴霧,則計算出每次卸車所用總耗水量如下：

總耗水量：Q總水=13.2L/min×6min=79.2L

考慮渣土車底盤尺寸與空間,將儲水罐按照方形設計,截面為500*500mm,長度為1.5 米時,儲水量為375L,375L÷79.2L/次=4.7 次。此方案中,水泵壓力4MPa,水流量13.5L/min,需要水泵功率2KW,此柱塞泵體積小,底盤方便布置。此方案可滿足多次噴霧,不需頻繁補水。

3 方案對比分析

通過三種方案設計數據,對比分析優缺點總結歸納列于表3,得出如下結論：高壓水射流除塵裝置系統最為簡單,但是耗水量大,需要大體積的儲水箱,對渣土車空間利用要求較高；干霧抑塵技術方案形成水霧顆粒直徑最小,但是整體系統復雜,設備體積大,渣土車空間有限,安裝困難；三種方案中,射霧器式除塵設備體積小,與渣土車融合性最好,可實現一次補水多次噴霧,提高工作效率。

表3 三種噴霧除塵裝置方案設計對比分析

4 結論

對于渣土車與噴霧除塵設備結合設計,作出合理的設計方案,首先要對現有除塵技術造霧原理,噴嘴結構特點,除塵系統組成、性能參數等進行深入學習、了解。在此基礎上,還要對渣土車結構、參數等進行全面的研究,先確定車型的整體配置參數,如車廂尺寸、可直接利用的動力源、底盤空間結構等,再結合選擇適合車型的噴霧除塵裝置,再進行初步設計計算,確定配套設備型號、外形尺寸,與渣土車結構配套設計,達到最佳設計效果。