火電廠輸煤系統粉塵治理技術措施

余斌

(國能神華九江發電有限責任公司 江西九江 332500)

火電廠輸煤系統是其工作設備之一，一般包括燃料運輸、卸煤機械、受煤裝置、煤場設施、輸煤設備、煤量計量裝置、篩分破碎裝置、集中控制和自動化裝置、輔助設備等。在火電廠生產作業過程中，輸煤系統作用突出，工作內容的特殊性也使其作業過程存在一定的安全隱患，輸煤系統產生的粉塵有可能引發火災、爆炸，危及生產者健康。近年來，雖然得到一定控制，但仍有必要進一步降低粉塵的影響，提升生產效益[1]。我國以《電力安全生產監督管理辦法》（2015 年2 月17日國家發展改革委令第21號）等文件指導火電廠的管理活動，并要求從技術層面控制生產過程，提升安全性和工作效益。在此背景下，為進一步發揮技術優勢，保證火電廠工作質量，就火電廠輸煤系統粉塵治理技術思路和方法進行分析，具有一定的現實意義。

1 火電廠輸煤系統粉塵成因與危害

1.1 火電廠輸煤系統粉塵成因

火電廠輸煤系統粉塵直接成因在于，燃煤輸送過程中的磕碰、撞擊以及主動加工，導致煤塊破碎，較小的煤渣可形成粉塵，在輸送過程中進一步受到風力和負壓因素影響，進入空氣和設備外的作業空間內。其間接原因則比較復雜，與設備老化、設計因素、管理因素均存在關聯。例如：老化的設備可能存在連接松動、封閉效果下降等問題，輸送燃煤的過程中，粉塵產生數量較大，進入空氣中的總量也較大[2]。設計不佳的輸送系統，可能出現較多的燃煤磕碰問題，產生粉塵。管理不當則主要牽涉到抑塵、除塵技術選用工作，可能因技術選用不合理，難以實現粉塵抑除。

1.2 火電廠輸煤系統粉塵危害

火電廠輸煤系統粉塵危害包括兩大類：一是可能導致人員身體健康問題；二是可能引發爆炸等嚴重事故。按現有研究，粉塵有可能導致呼吸系統疾病，粒徑較小的粉塵可進入呼吸系統，尤其是粒徑5 μm以下的粉塵，引發呼吸系統病變的可能性較高，包括塵肺、結節等。我國塵肺患者數目每年均有所增加，年增幅超過1.6萬例。此外，粉塵環境也可能誘發皮膚病變。我國對作業環境內粉塵濃度有明確要求，人員工作環境內其濃度應在3.5 mg/m3以下，非人員工作環境也不能高于10 mg/m3[3]。由于燃煤粉塵具有可燃性，其積累到一定程度時可能誘發爆炸事故，在密閉空間內，如果粉塵濃度達到20 g/m3以上，遇明火極有可能發生爆炸，即便非完全密閉的空間，粉塵濃度達到60 g/m3以上時也有爆炸風險。

2 火電廠輸煤系統粉塵治理技術思路

2.1 多技術聯用

思路上看，火電廠輸煤系統粉塵治理重視多技術并用，包括一些得到應用且被證明有效的抑塵、除塵技術，也包括仍處于研究階段的新技術。前者如灑水降塵、通風除塵等，后者如智能技術、設計技術等。原則上可通過應用多種技術的方式提升治理粉塵的效果，改善作業安全性。

2.2 技術應因地制宜

目前，可用于火電廠輸煤系統粉塵治理的技術較多，但適用性各有不同，并非所有技術均可普適于所有作業環境。具體工作中主張根據各廠需要、各輸煤系統特點，選取合適的技術方法，以最大限度地保證粉塵控制效果。例如：智能技術下的除塵手段，不能用于強電磁干擾環境，尤其是發電機組附近，灑水除塵模式則應遠離機電一體化設備、電源區域[4]。

2.3 技術的易用性

在組織火電廠輸煤系統粉塵治理時，應盡量少采用或不采用復雜技術，一方面，此類技術應用成本高、難度大，增加了火電廠管理成本；另一方面，復雜技術的運維也需要投入更多精力，難以大范圍推廣。未來工作中主張根據技術特點，在條件允許的情況下以易用技術服務火電廠輸煤系統粉塵治理活動。以物理降塵抑塵工作技術等[5]。

2.4 技術的可優化性

火電廠輸煤系統粉塵治理工作具有長期性，在借助技術手段組織治理時，還應考慮技術發展帶來的積極影響，適當提升技術的可優化性。尤其是各類借助計算機技術開展降塵、除塵作業的系統，應關注其在技術上的可優化、可拓展價值，也滿足長期治理火電廠輸煤系統粉塵的需求。

3 火電廠輸煤系統粉塵治理技術方法

3.1 改善設備設計

火電廠輸煤系統粉塵成因復雜，設備設計不當是直接原因之一，未來可從設備設計角度出發嘗試控制，主要包括兩個方面技術措施：一是皮帶機設計；二是落煤管緩沖設計。

皮帶機設計方面，可在現有設備基礎上對皮帶機漏斗進行改善，其柵格式導流板可予以撤出，以集流導流裝置作為替代，此模式下煤塊的運輸過程更具可控性，使其對皮帶機頭部漏斗部位的沖擊力度得到控制，能夠在集流導流裝置作用下匯集后緩落，進而減少沖擊產生的粉塵量，也能控制誘導風對設備內外風壓影響，避免粉塵大量涌入設備外空間[6]。落煤管緩沖設計方面，可根據力學原則，采用流線型設計思路，實現煤塊、煤流下落過程中的流暢化，減少落煤管各處直角或角度偏大的彎曲道設計。在此基礎上，對落煤管內部進行設計調整，使用具有一定形變自恢復能力的合金材料作為內襯，如圖1 所示，在煤塊、煤流下落時落煤管的內襯出現形變后可恢復，減少剛性沖擊導致的煤塊破碎、沖擊問題，進而減少產生的粉塵量。設備設計技術的應用條件低，適用性廣，是火電廠輸煤系統粉塵治理的首選技術之一。

圖1 落煤管緩沖設計（含內襯）

3.2 更換老舊部件

輸煤系統需要持續向工作機組（即火電廠的發電機組）提供燃煤，持續工作時間較長、設備老舊的情況下，粉塵的產生量也會增加。從技術角度出發，可采用定位分析的方式，了解設備各結構的工作負荷差異，在此基礎上通過模擬或數據分析的方式，了解不同結構的老化速度區別，在各結構嚴重老化、導致粉塵量大量增加前，對其進行預處理，更換設備，從而減少粉塵量。

以模擬研究為例，可對輸煤系統可能產生粉塵的各部分進行獨立分析，輸入計算機中建立二維或三維模型。之后采用參數變更（加速模擬）的方式，不斷調整模擬參數，模擬長時間工作狀態下輸煤系統各部位的老化情況。通常篩分破碎裝置等裝置老化速度較快，也更容易產生粉塵，通過模擬記錄其老化的速率，以及嚴重老化、不能繼續使用的時間，并以該參數為管理依據。當實際工作中輸煤系統的篩分破碎裝置達到、接近該參數指定時間后，可提前著手更換，使設備老化導致的粉塵量增加問題得到解決。更換老舊部件以模擬技術、數據分析技術為依據，具有科學性高、客觀性強的優勢，在火電廠輸煤系統粉塵治理中適用性較為廣泛，技術的應用要求也相對不高。

3.3 智能灑水除塵技術

灑水除塵技術在火電廠輸煤系統粉塵治理活動中比較常見，但現有技術對人工操作的依賴性依然較高，不能充分實現粉塵控制，未來工作中可借助智能技術進一步提升灑水除塵工作質量。智能技術主要采用感應模式，借助傳感器對空氣中的粉塵信息進行收集，其后對智能模塊進行評估，決定是否進行灑水降塵。該技術下的工作系統設計如圖2所示。

圖2 智能灑水除塵技術的工作模式

根據圖2 所示模式，傳感器對工作區域內的信息進行收集，傳輸至智能分析模塊，后者分析當前作業區域內的粉塵濃度，當粉塵濃度過高時，由智能模塊下達指令，啟動灑水裝置進行降塵；反之，當工作區域內的粉塵濃度無異常（如休息時間），系統不投入作業，繼續進行空氣信息的收集、分析。原則上工作日內傳感器的工作是實時、持續進行的。具體工作中，為保證系統工作的靈敏性，可對工作區域內粉塵濃度的變化情況進行收集，由于火電廠工作負荷、燃煤運輸的速率、設備老化情況各有不同，實際工作中工作區域粉塵濃度也是不同的，默認其平均濃度為QX，則實際粉塵濃度的變化總是圍繞QX上下波動的，帶有模糊的線性變化特征，以Q表達工作區域粉塵濃度值，獲取一個非等差數列如下：

Q=[Qmix;A8;WF8;QX;0H7;G9;G3S;Qmax]

數列中，Qmix代表工作區域粉塵濃度的最低值，其極限值為0，通常不會達到此水平，Qmax代表工作區域粉塵濃度的最大值，可根據工作管理需要設定該數值標準，為保證工作人員安全，可設定為3.5 mg/m3。在智能灑水工作系統啟動后，傳感器實時收集工作區域內的粉塵濃度，當其濃度達到3.5 mg/m3時默認濃度過高，系統啟動灑水裝置進行降塵，全過程以智能設備予以控制，效率和效果均比較理想。

此外，考慮到灑水除塵活動中，霧化的水珠吸附力比較有限，可采用捕捉劑進行灑水系統性能的優化。該技術下，主要強調進一步提升水霧對粉塵的吸附能力，應對燃煤粉塵疏水性特征。工作人員可將揚塵捕捉劑融入灑水系統的蓄水池中，以改善水霧（實際上為霧化的小水珠）表面理化性能，提升張力，增加其對粉塵的吸附效果。已有研究表明：單純利用水霧進行降塵，除塵率在30%～35%之間，加入揚塵捕捉劑后，除塵效果可改善為50%～55%，火電廠輸煤系統粉塵治理的效果更突出。

3.4 干霧除塵技術

干霧除塵技術，主要強調在火電廠輸煤系統工作區域設置干霧抑塵設備，利用該設備控制工作區域的粉塵量。目前，該設備的應用已經比較普遍，但與灑水除塵技術相似，存在應用智能水平不高、依賴人員的情況，不能最大化發揮粉塵控制作用。未來可采用智能技術加以優化，技術原理與上文所述的智能灑水除塵模式相同，但管控的單元為干霧抑塵設備的作業閥門。

火電廠輸煤系統常規作業過程中，干霧抑塵設備也持續投入工作，并以固定角度控制閥門的作業參數，投放的干霧除塵劑總量、單次用量不做調整。以智能技術為依托，可借助傳感器了解本階段火電廠輸煤系統工作區域的粉塵量，根據該數值進行干霧抑塵設備工作閥門角度調整，當工作區域內的粉塵量較大時，閥門的開啟角度也對應增加，投入較多的抑塵劑，降低工作區域內粉塵濃度，當工作區域內的粉塵濃度較小時，閥門的開啟角度對應縮小，以較少的干霧抑塵劑控制輸煤系統作業區域內的粉塵濃度。值得注意的是，由于干霧抑塵設備的最大作用半徑有限，如果區域內輸煤系統較大、工作區域較寬闊，應適當增加干霧抑塵設備的數目，并均衡配置在輸煤系統周邊區域，實現針對性抑塵。

3.5 無動力除塵技術

無動力除塵技術，是一種基于發電廠輸煤系統設計改造的工作方式，以多技術聯用為理念，在不增加工作能耗的基礎上，僅以物理方法減少輸煤系統產生的粉塵，其特點在于應用難度低，易于維護管理，缺點在于除塵效果不能達到最佳水平，因此大多作為輔助技術加以運用。

具體工作中，可先對輸煤系統的工作結構進行拆分，對可能產生粉塵的各部分結構進行外圍改造，增加可拆卸薄殼，如薄鐵皮金屬外殼等，使設備作業過程中產生的粉塵不會在內部動力作用下涌入工作區。薄殼內可設置小功率電扇，并在設備尾端放置除塵袋，電扇隨設備工作啟動，由于粉塵的重量較輕、粒徑較小，電扇持續作業過程中改變了輸煤系統內的空氣流動方向，使粉塵在風力作用下能夠進入設備尾端的除塵袋中，工作人員以固定間隔進行除塵袋的清理、更換，以此降低粉塵進入生產區域、設備縫隙中的可能，改善治理效果。

4 計算機模擬分析

4.1 實驗條件

為了解不同技術的除塵效果，通過計算機建立模擬實驗組織分析。實驗主要采用參數調整、加速模擬的方式，對常規工作模式、設備設計改善模式、智能灑水工作技術、干霧除塵技術、無動力除塵技術的除塵能力進行分析。采用開放實驗形式，加速參數為1∶1 000（即以1 min 模擬設備工作1 000 min）。觀察指標包括工作區域粉塵濃度、惡性事故發生率，其中惡性事故為粉塵濃度過高引發的爆炸事故，默認爆炸濃度標準為20 g/m3。

4.2 過程與結果

實驗采用分組進行的模式，共設定6個小組，即常規工作模式組、設備設計改善模式組、智能灑水工作技術組、干霧除塵技術組、無動力除塵技術組以及綜合技術組，其中，綜合技術組包括設備設計改善、智能灑水工作技術、干霧除塵技術和無動力除塵技術，以評估其聯用效果。每組實驗均進行10 min 模擬，在10 min 內隨機選取10 個時間點，統計空氣中的粉塵濃度、求取平均值，記錄出現惡性事故的可能，出現惡性事故后終止實驗，記錄時間使用情況，剩余時間重新啟動實驗，觀察是否出現惡性事故，反復進行記錄。6 個小組的實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果匯總

結合實驗結果可知，常規工作模式下，火電廠輸煤系統粉塵控制效果相對較差，粉塵濃度平均為2.95 mg/m3，共發生1次惡性事故。對設備進行設計優化的情況下，技術優化得到發揮，粉塵濃度均值降低為2.36 mg/m3，未發生惡性事故。智能灑水工作技術支持下，粉塵濃度均值降低為1.06 mg/m3，該組也未發生惡性事故。利用干霧除塵技術控制火電廠輸煤系統粉塵濃度，10個樣本的均值水平為1.33 mg/m3，未發生惡性事故。無動力除塵技術模式下，工作區域粉塵濃度均值為1.27 mg/m3，未發生惡性事故。聯用多種技術，粉塵濃度控制效果最佳，均值水平為0.59 mg/m3，未發生惡性事故。

上述結果表明：各類除塵技術均可以降低火電廠輸煤系統粉塵濃度，具有積極的治理價值，其中多技術聯用的效果最理想，但該模式的實現難度較大，成本偏高，且實驗室環境忽略了一些客觀限制性因素，不能完全有效代表技術價值，其真實應用優勢仍有待進一步探索。

5 結語

綜上所述，火電廠輸煤系統粉塵治理是必要的，也具有可行性。從成因上看，設備因素、管理因素均可能導致輸煤系統出現較多粉塵，有可能危及人員身體健康，也有可能形成火災甚至爆炸等事故，需要加強處理。從技術思路上看，應強調多技術聯用，保證技術易用、可優化，且做到因地制宜地選用有關技術。從方法上看，可先對設備的設計進行調整優化，更換老舊部件，在此基礎上，重視新技術的運用，包括智能灑水除塵、干霧除塵以及無動力除塵技術等，并結合計算機模擬實驗，可知上述技術均可有效降低火電廠輸煤系統產生的粉塵量，也能控制事故發生率，提升生產活動的總體效益。