碼頭散貨堆場的噴霧機降塵技術與工程應用

黃露溪

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

揚塵是空氣污染的典型表現形式，其形成原因主要是風力、人為及其他因素將地面上的塵土帶動飛揚進入大氣，是一種開放性污染源引起的總懸浮顆粒物類污染。區域揚塵現象嚴重，短期內就會對附近居民的健康產生直接影響。同時，揚塵的無序排放，也會直接影響區域環境[1]。現有常用防治措施在經濟性、環保性和適用性等方面均有缺陷。

隨著經濟的發展，港口貨物吞吐量持續增加，碼頭散貨堆場的揚塵防治已經成為港口污染治理的一項重要而艱巨的工作。已經有學者對碼頭散貨堆場揚塵污染防控評價指標體系進行了深入研究[2]。研究結果表明，當前碼頭散貨堆場的揚塵防治仍應以末端治理為主。因此，研究一種經濟、適用、高效和環保的揚塵防治技術，并提出其工程設計方法應用具有重要意義。

1 現有粉塵防治措施優劣分析

根據相關規范，風速和顆粒含水率是碼頭散貨堆場揚塵量的主要影響因素。碼頭散貨堆場的揚塵量與風速成正比，與顆粒含水率成反比。因此，碼頭散貨堆場粉塵防治的方法主要有兩種。

(1)方法1：通過設置風障降低來流速度，進而減少起塵量。對應的防塵措施有防風抑塵網、防風林、風障裝置、覆蓋壓實和集塵裝置等。

(2)方法2：通過降水等手段來保證粉塵顆粒表面濕潤，提高粉塵顆粒間的粘結力，進而提高揚塵的起動風速，降低起塵量。對應的防塵措施有定點噴灑、流動噴灑和抑塵劑等。

各類常用粉塵防治措施效果對比如表1所示[3-5]。根據表1所示，各種粉塵防治措施在適用范圍、可操作性和防塵效率等方面均有優劣。其中，噴灑及其相關措施因其起效快、降塵作用大和操作簡單在實際工程中應用最多。但也存在缺點：(1)噴灑措施所需用水量大，易造成二次污染；(2)噴灑水柱產生的下落水滴顆粒與粉塵顆粒粒徑相差懸殊，兩者難以相互充分吸附、融合，綜合治理效率低[6-7]。

表1 散貨堆場粉塵防治措施效果對比表

2 噴霧機降塵的可行性分析

2.1 噴霧降塵的原理

微細水霧除塵技術是利用水滴粘結粉塵，形成大顆粒下沉的除塵技術。粉塵顆粒可以通過與水粘結而聚結增大的原理，讓細小的粉塵通過等徑水滴(如風送水霧顆粒)或加入化學劑(如表面活性劑)的相互作用，減小水表面的張力，使粉塵顆粒與水霧聚結成團，在重力作用下，最后沉降到地面，達到增加空氣濕度、降低空氣中塵埃等有害物質濃度、美化環境的目的[8]。

2.2 水霧粒徑的選擇

倪俊[9]和馬素平等[10]研究發現，水霧降塵效率與噴嘴壓力、水霧粒徑和粉塵粒徑間具有相關性。

(1)

式中：η——降塵效率(%)；

Ud——霧滴運動速度(m/s)；

Ug——粉塵隨空氣流動速度(m/s)；

Q——霧滴體積流量(m3/s)；

Dc——霧滴粒徑(m)；

β——坎寧漢滑動修正系數；

dp——粉塵粒徑(m)；

ρp——粉塵密度(kg/m3)；

μg——氣體黏度(Pa·s)。

通過分析式(1)可知，噴嘴壓力的大小和水霧粒徑的大小直接關系到噴霧機降塵的效果，水霧粒徑越小降塵效率越高，這一結論也得到了多個研究的證實[11-12]。

如水霧顆粒直徑大于粉塵顆粒(<1 MPa的低壓水噴射)：粉塵將伴隨水霧周圍氣流運動，水霧顆粒和粉塵顆粒接觸很少或者根本沒有機會接觸，達不到抑塵作用。

如水霧顆粒過小或遠低于粉塵顆粒大小(干霧、微霧)：粉塵與水聚結概率更大，但粉塵要有足夠的時間才能變大加重，最后降落，此時由于水霧的顆粒太小，有些水霧已經粘結了部分小的粉塵，受現場風力、氣壓等影響大部分已經漂移到非作業區域，或者更遠的地方，反而對塵源起到了擴大的作用，不利于環境的改善，治理效果不理想。

如水霧顆粒與粉塵顆粒大小接近(細水霧)：根據物質“相似相容”的特性，粉塵顆粒運動時就會與水霧顆粒碰撞、接觸而粘結一起，并因重力作用很快沉降到地面，此時降塵效果最好。

經對比得出結論：當水霧的顆粒與粉塵顆粒大小接近時，降塵效果最好。

2.3 噴霧降塵工具的選擇

噴霧降塵工具分為固定式噴霧機系統和移動式噴霧機系統兩種。固定式噴霧機系統一般由水泵、管網和噴霧機組成，實現固定區域的噴霧降塵；移動式噴霧機系統是一種移動式的單點噴霧降塵設備，方便靈活，但需要人工操作，不適合大面積的堆場區域。

噴霧機通過管道，由噴頭擴壓將水高度霧化，從而形成30～250μm大小的水霧顆粒，水霧顆粒大小與粉塵顆粒大小一致，使粉塵顆粒迅速粘結、聚結增大，并在自身重力作用下沉降。

3 噴霧機降塵工程應用實例

3.1 工程概況

欽州港大欖坪南作業區北1#～3#泊位新增貨種項目后方陸域改造工程為改建項目，在不改擴建碼頭區域、岸線，不增加水工結構，不改變泊位設計吞吐量的情況下，在現有工程基礎上完善安全、環保、消防、應急設施，新增礦石、煤炭、糧食等貨種裝卸、堆存作業區，新增堆場風蝕揚塵、卸船揚塵、裝車揚塵、裝堆揚塵、取料揚塵等處理設施。

揚塵排放主要參數如下：

污染物名稱：顆粒物；

預計產生量(t/a)：26.320 9；

準許排放量(t/a)：2.925 7。

揚塵主要來源與粒徑如表2所示。

表2 散貨堆場揚塵主要來源與粒徑一覽表

3.2 布設方案設計

噴霧面積是噴霧機布設的重要參數。許漢萍等[13]采用Design Modeler 建立了三維研究模型，對不同季節溫度和噴霧角度條件下噴霧機的工作性能進行了模擬計算。研究結果表明，外界環境溫度對噴霧覆蓋面積的影響可忽略不計，而噴霧角度對噴霧覆蓋面積的影響較大。當噴霧角度為15°時，噴霧覆蓋面積最大。

本設計方案采用遠程噴霧系統，將遠程噴霧機安裝在揚塵點附近，通過控制噴霧機的俯仰、回轉角度和遠射程噴射，對目標區域進行立體覆蓋，從而達到降塵抑塵的治理目的。工程以降低耗水量和提高降塵效率為目標，進一步優化了噴霧機布置方式。

3.2.1 噴霧機參數選擇

噴霧機參數如下：

流量：8～10 m3/h；

液泵壓力：0.5～1.0 MPa；

霧滴顆粒：30～250μm；

水平最大射程：120 m；

俯仰角度：-10°～40°；

水平旋轉角度：0°～320°；

控制范圍：水平旋轉范圍為0°～320°(可設定)；

俯仰角度：-10°～40°；

控制方式：手動控制、遙控控制(≤100 m)、自動化控制、手機終端控制。

噴霧機外形如圖1所示。

圖1 噴霧機外形示意圖(mm)

3.2.2 噴霧機平面布置設計

為提升效率，噴霧機一般噴霧角度為15°。單個噴霧機最大覆蓋面積可達到15 972 m2。考慮到不同貨物堆放高度和降塵效率等因素，對噴霧機的布置方式進行了模擬計算，其布置原則如下：

(1)噴霧機和給水管道盡量沿著堆場邊緣和已建的電纜溝布置。

(2)噴霧桶中軸離地≥6.5 m。

(3)單點噴霧機覆蓋率宜≤2臺。

根據以上原則，欽州港大欖坪南作業區北1#～3#泊位后方陸域布設了17臺噴霧機，具體布設如圖2所示(圓圈為單臺噴霧機的覆蓋范圍)。

圖2 北1#～3#泊位后方陸域散貨堆場噴霧機平面布置圖

如圖2所示，北1#～3#泊位后方陸域堆場在1#～17#位置布設了17座鋼構塔架。為了不影響作業車操作，所有塔架均布置在堆場邊上，塔架高度暫定為5 m，然后在塔架上安裝17臺分體式噴霧機。該設計經濟性最優，但造成堆場內部有某些空白區域，對于這些空白區域或者噴霧機無法覆蓋的死角，本項目配置了2臺多功能抑塵車，作為應急措施。

3.2.3 水源設計方案

本項目噴灑抑塵水水源為污水處理站處理合格后的回用水，補充水水源為生活水。回用水管網為新建管網，補充水接自項目已建的生活消防水水管。生活消防水水管的水量水壓滿足本項目噴灑抑塵補充水的要求。

噴灑抑塵給水系統干管管徑為dn250 mm，配水管網呈枝狀布置。系統用水由污水處理站清水回用泵加壓供給。

港區給水管埋地管管徑≥dn50 mm采用鋼絲網骨架塑料(聚乙烯)復合管, 管徑

4 結語

(1)噴霧機可用于碼頭散貨堆場揚塵防治。噴霧機降塵具有耗水量少、降塵效果好和無二次污染等優點。

(2)噴霧機用于降塵宜制造與粉塵顆粒大小接近的細水霧，噴霧角度宜設置為15°左右。

(3)噴霧機降塵的設計要點主要為噴霧面積的優化設計。