煤炭港口粉塵產生原因及治理措施

馬 亮，李振朋

（國投曹妃甸港口有限公司，河北唐山 063210）

0 引言

目前我國面對的各類環境污染物質中，顆粒物污染是比較嚴重的污染類型之一，而源自于固體物料在研磨、粉碎或裝卸過程中產生的粉塵污染則屬于一種較為常見的顆粒污染物。其中顆粒度在10 μm 以下的粉塵可以被人吸進肺部，影響人的呼吸功能，嚴重的還會引起人體的各種疾病。我國沿海城市的空氣粉塵污染物主要來源是散貨港口的物料在堆存及裝卸過程中產生的粉塵并在大氣環境中的擴散和遷移，而煤炭港口的粉塵因其顆粒度小，若無控制的排放會造成嚴重的環境污染問題。從我國工業生產和居民生活的能源需求和相關能源政策來看，火力發電是能源安全的重要支柱，因此在今后的一段時間內，我國的能源的供給和消耗仍會以煤炭為主，因此煤炭港口的貨運量在未來仍會處于逐年上升趨勢，煤炭裝卸和儲存過程中產生的粉塵污染對環境的影響也會逐漸加大。

曹妃甸工業區六加煤碼頭是曹妃甸地區最大的煤炭專業碼頭，是國內第一家、也是最大一家連接大秦、蒙冀兩條國家能源運輸鐵路的煤炭下水港，配置8 條作業能力6000 t/h 以上的取裝作業系統。為確保國家經濟能源安全，穩定能源供給，該港每年煤炭運量特別巨大，基本在7000 萬噸以上，因此煤炭在港口堆存和裝卸運輸過程中產生的煤炭粉塵，會隨著風擴散到大氣之中，產生了大氣的粉塵顆粒污染，影響環渤海區域的空氣環境。為了更好地評價和治理港口煤炭粉塵的污染，保護港口及周邊區域的大氣環境，加強對于煤炭港口粉塵產生排放問題的測算有很大的理論和實踐意義。

1 煤炭港口粉塵排放的影響因素

1.1 氣象條件對粉塵排放的影響

氣象條件對粉塵排放的影響首先表現在風速與風向上。其中風速體現了污染物在大氣中的傳播速率；而風向則體現了污染物的傳播方向。一般來說，風速越小污染物的擴散速率越低，風速完全為零時由于沒有氣體的相對運動，空氣污染程度也較低。

其次溫度也是一個重要的氣象參數。但是單獨的溫度與粉塵污染濃度之間的關聯性并不強，只有當出現出持續高溫時，煤炭可能會出現自燃情況。煤炭燃燒時加熱周圍的空氣，使得熱空氣上升，外圍的冷空氣會進入這片區域，形成相對的空氣流動，制造出向上的風速，將煤炭料堆中粒度較小的粉塵顆粒帶入大氣環境中，并隨著空氣的流動而擴散污染。

最后，堆場區域大氣環境的穩定程度對粉塵的擴散也有一定的影響。一般情況下，所處區域的大氣環境越穩定，區域內空氣與煤炭料堆的相對運動速度越小，也就是風速越小，粉塵顆粒的擴散污染范圍越小。反之大氣越不穩定，大氣湍流就越強，粉塵稀釋擴散能力越強。

1.2 粉塵自身性質對粉塵排放的影響

影響粉塵排放的一個重要因素是粉塵表面的含水量，一般粉塵顆粒表面的含水量越大，其傳播的距離越小，粉塵濃度也就越小。當粉塵顆粒含水量增大到20%時，粉塵的濃度隨含水量的增加速度減慢的程度開始降低。根據經驗和通過在相關港口考察，煤炭的整體含水率在7%時起塵量較少。另外，粉塵的氧化程度也影響著煤炭粉塵的排放。一般是隨著煤炭氧化程度的提高，煤炭微粒間的機械強度會降低，較大的顆粒會破裂成粒度較小的顆粒，減少了粉塵顆粒運動能量的需求，其更易被擾動并擴散到空氣環境中，使得粉塵排放量加大。對于煤炭港口來說，煤炭的堆存期越長，物料與空氣中的氧氣接觸時間越長，范圍也越廣泛，其氧化程度就會越深，粉塵的排放量也就相對增大。

2 煤炭港口粉塵產生的機理

2.1 煤炭粉塵的受力分析

根據煤炭港口的一般情況，在堆場內露天貯存的煤炭，其粉塵排放是由外界的空氣流動引起，可視為空氣湍流對塵粒的輸送。在空氣湍流的狀態下，單顆煤炭粉塵受力主要為拖曳力、升力、阻力以及粉塵顆粒的自身重力。其中拖曳力主要由摩擦力和形狀阻力兩部分組成。其中摩擦力是由空氣的氣流與煤炭粉塵表面的摩擦而產生。粉塵顆粒在與空氣氣流接觸的過程中，只有其中部分的表面積與氣流接觸，所受力也并不完全通過顆粒的重心，因此其所受摩擦力的方向也與氣流的方向并不完全吻合。而形狀阻力的產生是由于作用于塵粒上的空氣壓力與粉塵顆粒接觸后發生流線分離，因此在煤炭粉塵的背風一側產生空氣渦流，這就會使粉塵顆粒的前后產生壓力差，從而造成形狀阻力。上升力則源自于粉塵顆粒的旋轉和氣流速度之間的切變。沖擊力包括粉塵顆粒間的靜電力、毛細管力和范德華力等。沖擊力和粉塵顆粒自身的重力都是阻礙粉塵顆粒發生運動的力，只有當拖曳力與上升力之和大于沖擊力和粉塵顆粒重力之和時，才會發生粉塵排放的現象。

2.2 煤炭粉塵的產生過程

2.2.1 堆存狀態下煤炭粉塵的產生過程

處于露天堆放的煤炭料堆，其煤炭顆粒受到堆場內流動的風力影響，當風速達到其臨界風速時，煤炭料堆上個別位置較為突出的煤炭顆粒會因受到空氣湍流的影響發生振動或前后搖擺，但此時的煤炭顆粒并未離開其固有位置。而當風速持續增大時，一旦超越臨界風速之后，煤炭顆粒的振動幅度和趨勢也會變強，當拖曳力和升力增大到可以使煤炭顆粒克服自身重力的影響時，其產生的力矩會導致一些處于不穩定狀態的煤炭顆粒首先沿著堆料表面發生滾動或滑動。而堆料群中其他小粒子由于其在湍流狀態下具有較好的跟隨性，從而也呈現飄浮狀態，此時由于空氣的帶動，煤炭顆粒會隨著氣流一起發生運動。由于煤炭顆粒幾何形狀及其所處位置的隨機性，其所受力也呈現出一定的不可預見性。在其隨空氣移動過程中，粒徑較大煤炭塵顆粒，其對應的慣性較大，在獲得初始的動能后，并不會跟隨空氣一起運動，而是沿著自身固有的運動軌跡，在空中進行一段時間的平移運動。當這部分顆粒遇到凸起的粉塵顆?；蚺c其他粉塵顆粒發生碰撞時，會繼續獲得一定的沖力。獲得沖力的粉塵顆粒就會立即改變其固有的運動方式，從橫向的水平運動轉變為縱向的垂直運動，并隨空氣移動一定距離后緩慢地降落下來。研究總結靜止狀態下的煤炭粉塵的產生和排放規律，有助于為煤炭堆存管理和防塵治塵工作。

2.2.2 轉運狀態下煤炭粉塵的產生過程

煤炭在裝卸轉運過程中，產生的粉塵排放量大大超過堆存靜止狀態下的排放量，是煤炭港口粉塵產生和排放的主要原因，本文僅以煤炭裝船過程為例進行簡述。在裝船作業的時候，取料機的輪斗在煤炭料堆上將煤炭取至臂架皮帶機上，經過取料機中心漏斗進入地面輸送帶上；物料經過地面輸送帶系統平移運輸及轉接塔的改變角度轉運，最終到達裝船機的臂架皮帶機上，再順著裝船機的溜筒落進船艙內，完成煤炭的裝船任務。

在取料時，取料機輪斗切削料堆，煤炭顆粒會發生劇烈的移動、碰撞或者破裂等情況，此時產生大量的煤塵微粒排放到環境空氣中；同時輪斗的轉動會攪動料堆周圍空氣產生空氣亂流，為進入空氣環境中的煤炭粉塵提供了蔓延和擴散的有利條件，加大了粉塵排放量。煤炭在單機臂架皮帶機和轉接塔直接轉運時，其下落距離一般超過10 m，沖擊力極大，煤炭顆粒在劇烈的撞擊下破碎成小顆粒飛散至空氣中，產生粉塵排放造成污染。同時，煤炭在經過地面輸送帶系統轉運時，若輸送帶出現跑偏，會導致煤炭大量撒漏，產生一定量的粉塵排放；而且在清理、轉運這些撒漏的物料時，還會產生二次揚塵，進一步加大粉塵排放量。

在裝船時，煤炭顆粒的碰撞和破裂程度更加劇烈，曹妃甸工業區六加煤碼頭裝船機共計8 臺，起步裝船機設計能力為6000 t/h，續建裝船機設計能力為6500 t/h，設計作業流量大，配套皮帶機運行速率快，給大量煤炭顆粒很大的初始動量，煤炭在裝船機溜筒及拋料鏟處發生猛烈的碰撞，煤炭顆粒破碎產生粉塵。在裝船作業時，煤炭由裝船機上的懸臂皮帶機順著溜筒下落到船艙里，最大垂直落差20.5 m，由于落差大，下落時間長，煤炭顆粒受到環境中風力作用影響時間長，加大了煤炭粉塵的排放量。煤炭在下落的過程中動量進一步增大，當落至船艙內時，產生的沖擊強度極大，加劇了粒度較小的煤炭顆粒的產生并擴散至空氣中，加上海邊的風速通常較大，一般時候都大于煤炭顆粒的起塵初始速度，因此煤炭粉塵很容易被風吹散到空氣中并且擴散到較遠的距離，導致煤炭粉塵大量排放，造成嚴重的粉塵污染。

3 煤炭港口粉塵排放量的測算方法

由于煤炭粉塵的產生和排放既有自然因素導致，也有人為因素干涉，涉及可變因素很多，因此其排放量的計算也是一項十分復雜的工作。為使排放量的計算較為準確，盡量符合實際情況，可以將排放的煤炭粉塵分為作業性粉塵和非作業性粉塵兩部分來計算。作業性粉塵為煤炭在裝卸轉運作業期間所排出的粉塵，而非作業性粉塵為在堆場內儲存過程中，受自然風力和環境溫度所排出的粉塵量，兩部分之和可視為總排放量。其中非作業性粉塵可以根據相關風動試驗的經驗公式來計算，具體的公式為：

其中，Qp為物料堆起塵量，K 為經驗系數，與物料含水量有關，一般取值，0.96，u 為物料場平均風速，u0為料塵的啟動速度，一般取3，W 為料塵表面含水率，p 為物料場年堆煤量。

而對于作業性粉塵的計算來說，由于人為影響因素較多，例如作業設備、流程的選取，設備作業角度和流量的變化，環保設備的性能，作業的煤炭種類等，難以確定統一的計算公式。因此通?？梢詫⒀b卸過程中粉塵的排放量與作業道路處的粉塵排放量分開進行計算。裝卸過程中的粉塵的排放量與裝卸高度、含水量、風速、裝卸方式等有關，一般的排放量經驗公式為：

其中，Q 為裝卸起塵量，u 為裝卸平均風速，H 為作業落差高度。

4 煤炭港口粉塵治理措施

目前，煤炭港口為了降低粉塵污染，針對堆存狀態下產生的煤炭粉塵一般采用防風抑塵網措施，其投資耗費相當大，對其進行優化改進，也缺乏相應的技術支持。針對裝卸作業中產生的煤炭粉塵，一般采用灑水的方式降低粉塵污染，但是對北方港口來說，冬季灑水過量容易在設備和船舶甲板結冰，導致人員摔倒受傷，帶來安全隱患。

曹妃甸港針對煤炭粉塵治理采取的措施基本等同上述措施，但為解決上述措施的不足之處，做出了以下改進：針對防風抑塵網無法阻隔上方來風、抑塵效果差的問題，建造條形倉，將堆場密封起來，徹底隔絕堆場內空氣與外界空氣的流動，減少風力擾動產生的粉塵排放。

針對堆場內堆存的易起塵、自燃的煤炭料堆，堆料時就按比例混入抑塵劑和阻燃劑；定期定量噴灑抑塵劑和阻燃劑，防止其起塵、自燃；同時加強貨運計劃管理，在盡量短的時間內將相關煤炭轉運出港，減少易起塵煤炭在港堆存時間，通過生產部門和業務部門的共同努力，可以有效減少因自然風吹、煤炭自燃等因素產生的煤炭粉塵排放量。

結合本文提到的灑水抑塵原理，在煤炭的轉運過程中，做到了全流程的精細灑水控制，將傳統粗放大量的灑水改為精細化微霧灑水，在顯著減少灑水量的同時保證灑水抑塵效果。具體做法是：在取料機斗輪處安裝微霧灑水系統，安裝霧炮，增加斗輪附近空氣濕度，減少煤炭粉塵的滯空時間；安裝霧炮，將輪斗取料揚起的煤炭粉塵吹到料堆上，定向定量控制取料區域的風向和風速，減少空氣湍流、亂流等不受控因素對粉塵的擴散作用，如圖1 所示。在煤炭在轉接塔內轉運時，在轉接漏斗的入口處和出口處均安裝微霧灑水管路，防止煤炭粉塵擴散，同時在出口處安裝負壓集塵器，收集躲過灑水系統的煤炭微粒，提高降塵效果，減少粉塵排放量。

圖1 取料機灑水抑塵系統工藝流程圖

在裝船機溜筒平臺處加裝3 門霧炮（圖2），霧炮在溜筒周圍平均分布，霧炮噴霧方向對準船艙和拋料鏟。在作業過程中，3門霧炮共同對準起塵點，將富含微小水滴的霧氣向船艙里吹送，使霧滴具有足夠的動能穿透粉塵，能給霧氣一定的速度與煤塵加速混合，且混合而成的顆粒團會隨著霧炮風向的作用落到到船艙里，減少海邊強風對煤炭粉塵的擴散作用。

圖2 裝船機溜筒平臺安裝霧炮

針對輸送帶系統跑偏撒漏產生的粉塵排放，在皮帶機系統安裝自動調偏托輥組，設計安裝自動調偏裝置，安裝曲線導料溜槽，安裝密封性能更好的防溢裙板，通過上述一系列措施，極大地減少了煤塵在輸送帶系統處的排放量。針對冬季天氣寒冷，灑水系統結冰問題，研發裝船機全自動上水系統和保溫伴熱系統，保證裝船作業的全年無間斷灑水，做到了綠色環保生產。

5 結束語

目前我國部分的煤炭港口、碼頭對于煤炭的堆存和轉運仍以露天式的粗放型管理為主，國家對于煤炭港口粉塵的排放測算和治理也缺乏權威科學的標準。這就導致相關部門對于煤炭港口粉塵污染的監管達不到應有的效果。這些問題必須通過制定嚴格的粉塵排放標準、操作規范和設計技術規程來解決，而這些工作都需要通過加強煤炭港口粉塵排放問題的測算工作來實現。本文借鑒相關研究者的研究成果，通過現場調查與實地檢測相結合的方式，對煤炭的裝卸、堆存和運輸情況進行分析，采用科學的模型對不同條件下煤炭粉塵的起塵量及顆粒物的擴散規律進行擬合，采取適當措施有效地控制煤炭粉塵的排放量，同時為各級環保部門制定相關政策提供理論依據。