粉尘控制新技术的研究与应用

陈胜波 摘译

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)



国外工程技术

粉尘控制新技术的研究与应用

陈胜波 摘译

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

对于处理和加工“粉状”松散物料的行业来说，可持续运营和发展正面临着不断增加的困难和挑战(例如，环境和工厂的粉尘排放、社会和文化的影响、经济)。大部分现有粉尘控制措施仅处理粉尘产生的“症状”，而不是从根本上解决问题。从控制粉尘排放的角度讲，这些措施的效果也不理想(除尘是一种最常用的粉尘控制形式，但同时也是一种效率最低的收集或控制粉尘的方法)。

本文首先总结了现有的各种粉尘控制方法以及部分方法的特点、优势和劣势。随后，将描述部分正在研究、开发和应用的新技术，这些新技术通过追踪分散性或含尘量，粉尘产生机制以及加工和处理的要求等，将粉尘排放控制到最低。本文也将展示以下研究的部分成果：

(1)量化松散物料含尘量或分散性方法的比较与评估(采用圆筒含尘量测试器及相应标准)

(2)高能干雾技术的开发与实施(用于抑制空气中的粉尘)

(3)空气和粉尘产生的机制，包括建模和计算机模拟

随着对粉尘产生机制以及对松散物料含尘量了解的深入，有可能在设计，故障排除以及更有效地应用粉尘控制技术方面实现跨越式的进步。

粉尘； 含尘量； 测试； 建模； DEM； 高能干雾技术

1 简介

松散物料的开采与加工产生的分散性粉尘的排放正在给工业，社会和政府带来越来越多的问题。例如：

(1)有价物料的损失和出口收入减少。

(2)工厂粉尘排放不断增加。

(3)工业直接成本不断上升：如粉尘监控/测试；控制，维修和清扫工作；零部件提前损耗；生产/工厂停工；罚款和预防条例；项目被否决(如新的采矿申请)。

(4)环境空气质量恶化以及工人和周边社区人员健康状况恶化。

(5)居民投诉(如粉尘落入社区及社区房屋上)。

(6)在公路/铁路沿线，在破碎站、卸料漏斗周围，在输送机下面形成一层粉尘，之后又脱落。

(7)为保护健康和环境，管理者制定更加严格的空气质量指标，需要更多复杂的控制和检测手段。

(8)采矿和加工作业、以及散料转运基础设施与居民区交叉重合不断增加。

(9)为了处理上述问题，政府职能、司法及法律工作等不断增加(如新部门、新法案、新规定)。

随着松散物料采矿、加工作业数量的增加，特别是由于产品粒度变得更细，上述问题更加恶化。控制分散性粉尘排放的常用(传统)方法包括：

一般性通风(即稀释空气中的粉尘浓度)；

密闭(通常采用整体过滤)；

“推- 拉”系统(采用“气刀”或“气幕”概念)

抑制粉尘的表面处理，(通过水、化学品、添加剂或泡沫)对铁路车箱、卡车、堆存的货品在其暴露的表面进行“密封”；

喷水或喷雾系统，以抑制空气中的粉尘颗粒；

粉尘凝聚(通过电离或超声)；

就地排气通风(LEV)，也就是通过过滤进行除尘；

风障或扩散(如树、墙、网)；

植被(如草，灌木)帮助捕集/固定粉尘，在大而平的区域内将空中的粉尘扩散降到最低。

这些粉尘控制措施中的大部分仅处理粉尘产生的“症状”，被认为是“保护性”方法(即，这些措施没有从根本上解决问题)。从控制分散性粉尘排放的角度讲，部分措施的效果也不理想。例如：

(1)就地排气通风需要抽吸/真空气流，捕集空气中粉尘的效果不太理想， 如图1所示的排气(控制)速度在离开防护罩时会迅速降低；

(2)传统的喷水/雾化系统喷嘴在处理较细粉尘时效果不理想，源于气流和外部干扰因素，如侧风；

(3)当处理过的货品表面破裂或受损时，需要重新处理抑制粉尘的表层(如，卡车和铁路车箱装卸，筑堆和卸堆)。

图1 简单排气罩的速度等高线：(a)平口管； (b)带法兰平口管

以下几点已被确定是部分分散性粉尘排放的主要原因或“麻烦制造者”：原矿漏斗；卡车/铁路卸料站卸料漏斗；筑堆机/卸堆机；输送机和溜槽；破碎站；露天矿运输道路，卡车在道路上不断产生/扬起细粉尘，后者很容易随侧风扩散开来。

为了在了解和解决工业分散性粉尘排放的问题方面取得“跨越”式进步，需要进行更多的基础研究工作以找到上述问题的解决办法。本文对伍伦岗大学(University of Wollongong)为此所做的部分研究及开发的新技术进行了总结。

2 含尘量或分散性

对问题进行量化是设计或解决粉尘控制系统问题重要的初始步骤。能够用于量化松散物料含尘量的标准有：AS4156.6(2000)，最初用于煤炭领域；I.S.EN15051(2006)，适用于更多种类的松散物料。图2显示了基于上述两个标准的两种不同的转筒式含尘量测试器，以及正在进行测试的部分物料：左边的AS4156.6(2000)测试器内为干沙，右边的I.S.EN15051(2006)测试器内为干铁矿。用两个标准进行测试确定了可能会影响两种圆筒测试结果的精确度和正确性的某些关键区别。表1总结了这些关键的区别。从图2可以看出，每个测试器所需物料的数量差别很大(例如1 000 mL对35 mL)。这将影响粉尘收集的数量。试验持续时间，旋转速度和除尘气流的不同也将影响粉尘产生/收集的数量。

表1 现有转筒测试规范的对比

图2 转筒含尘量测试器：AS4156.6(2000) (左)；I.S.EN15051(2006)(右)

每个标准的总体目的或关注点也有根本性差异。AS4156.6(2000)主要解决粉尘/湿度的关系，以及如何确定某种特殊松散物料的粉尘消灭湿度(DEM)。算式(1)用于确定试验中某一特定湿度下的粉尘数量(含尘量)。不同湿度下的粉尘数量绘制在图3所示的对数线性图中。AS4156.6(2000)描述了对数趋势线如何与数据相吻合，并且用于确定物料的DEM。DEM被定义为粉尘数量为10时的湿度。

粉尘数量=(粉尘质量，g)×

105/(转筒内放置的样品质量，g)

(1)

图3显示根据煤的种类不同，煤炭的DEM变化会很大，从5.8%到26.2%(湿基)，并且粉尘/湿度关系的斜率或是较陡，或是较平缓。这些数据和趋势对于粉尘控制效率会有很大影响。

图3 几种澳大利亚煤的粉尘/湿度曲线，粉尘 消灭湿度=5.8%～26.2%(湿基) (AS4156.6，2000)

I.S.EN15051(2006)注重于对工厂排放的某个特定粉末样品的含尘量或分散性进行测定和分类，以可吸入胸部和呼吸道的粉尘的质量分数为基础。如果可吸入粉尘质量分数(IDMF)显示大于5 000 mg/kg，那么粉末样品的含尘量就归类为“高”。虽然在I.S.EN15051(2006)中没有描述，粉尘/湿度关系也可以通过简单反复地进行不同湿度的测试来确定。算式(2)可用于计算这两个标准间的定量关系。

I.S.EN15051(2006)=10×

粉尘数量(AS4156.6，2000)

(2)

截止目前已进行的研究，确定有些问题可能是目前这两个转筒测试的局限或错误原因。两个潜在的重要问题总结如下。

AS4156.6(2000)规定的粉尘/湿度指数曲线不一定适用于所有的松散物料，并且可能会形成如图4所示的误导结果。根据AS4156.6(2000)所采用的方法，这一物料的DEM确定为12%(湿基)，然而，根据平滑趋势线，DEM应为11%(湿基)。总之，后一种更接近于准确，更能代表松散物料的情况。

当湿度接近于DEM时，两个转筒内侧均能看到一些产品附着(见图5)。这类附着预计会对结果产生明显影响。

图4 采用不同曲线拟合方法的矿石粉尘/湿度 关系：基于AS4156.6(2000)的指数 曲线和平滑趋势曲线

为了调查两种标准可能的区别， 已经开展“平行”试验。图6中的示例是用铁矿石进行试验获得的一些典型结果。图6所示的粉尘消灭湿度结果差异(也就是根据AS4156.6 DEM=5.2%(湿基)，根据I.S.EN15051 DEM为3.8%(湿基))表明，控制粉尘所需的湿度存在着明显差别。

对含尘量测试的一些可能的关键改进措施也进行了研究，例如：

收集全部粉尘样品并确定其粒度分布(PSD)，这样，就可以确定可吸入胸部和呼吸道粉尘的质量分数。

重新设计除尘室、输送管道以避免粉尘沉积。

通过在每个转筒内进行气流模拟建模，研究系统对耦合DE- CFD(离散元素- 计算流体动力学)可能产生的影响。

为了开发一种可靠实用的含尘量测试器，已经进行了上述这些改进，使测试器能适用于典型的松散物料样品，且没有任何系统性误差或依赖操作者。

图5 (a)8.1%湿基(DEM=11%湿基)矿石 含尘量测试； (b)1.6%湿基(DEM=2.8%湿基)精矿含尘测试

图6 基于AS4156.6(2000)和I.S.EN15051 (2006)的矿石含尘量和DEM

3 高能干雾技术

为了使喷水或喷雾系统在控制/抑制空气中粉尘效果理想，雾化效率和能量应与产出流速，工艺驱动气流，以及任何外部干扰如侧风，移动设备或障碍物等相适应。其他需要考虑的因素包括：

粉尘粒度分布和浓度；

水滴粒度分布；喷嘴设计(例如空气- 水；仅用水)；

水质(例如化学成分，杂质)；

粉尘颗粒和空气(包括阵风)的惯性和动量；

水滴的惯性和动量；

气混水滴动态“平衡”；

方位(如工厂平面布置；面积)。

从雾帘效率研究中获得的部分结果见图7和图8。该工作是与Enviromist有限公司共同进行的，以解决工业中的粉尘难题，如运输机，破碎站，堆料/卸料机，轨道反斗车、装载车等。

图7 新型Enviromist高能干雾喷嘴特点及模型

图8 新型Enviromist喷嘴水滴粒度分布

4 粉尘产生机制

理解粉尘产生机制并进行建模，将大大有助于从根本上解决分散性粉尘排放的问题。这也将有助于对某个产品和应用所需的粉尘控制系统进行优化，并将最终的规模和成本降到最低。图9中描述的问题，已经从试验、理论和数值模拟方面进行了研究。图9中所示的控制量要比容器内产生的空气总量更大(否则，含尘空气会从容器进口被挤出)。其他分散性粉尘排放源可能包括由于如下原因从主产品线上脱离的粉尘：边界层湍流和涡流；侧风效应。

图9 松散物料自由落体时产生的气流和粉尘

容器内“产生”的总空气量包括：从漏斗出口处进入的产品排放的间隙空气(由于漏斗内空隙度扩大)；物料流动拽入的空气(被视为引风)；夹带空气(由于松散物料自由落体进料时空隙度扩大)；排出空气(由于颗粒进入容器内)。

经验和研究发现，夹带空气是其中最主要的，即便在落差相对较小时也是如此。例如，Cooper 和 Wypych (2001)发现，夹带空气与因落差升高的能

量是成比例的，即n=5/3。有意思的是CEMA(2007)为夹带空气(引风)提出了一个等式，协助进行输送机粉尘控制系统设计。该等式可以简单地表示落差指数，n=2/3。这意味着，落差翻倍将会导致夹带空气量(及相应的控制体积)增加60%。然而，根据试验证实, 落差翻倍实际将会导致夹带空气增加220%(而不是60%)。因此可以看出，CEMA(2007)明显低估落差对夹带空气的影响(以及有效控制粉尘所需的控制体积)。

5 离散元素(DE)模拟建模

上世纪70年代以来，离散元素(DE)模拟建模已成为广泛的研究课题。Grima和Wypych(2011)最近同时开发了新验证校准技术(见图10)和DEM解决方案。这有利于应用DE模拟技术设计和解决“动态”松散物料的应用问题，例如输送机，溜槽，筛子等。不仅可对“全流程”的产品物流(见图11)，也可对气流和粉尘流向建模，以帮助从源头上将粉尘的产生降到最低(也就是说，对准问题的根源)。

图10 验证校准技术流程图

图11 采用校准物料模型的输送机转运 总体DE模拟

这种新的“全局”或“总体解决方案”式的建模或设计方法的目的，是为了实现稳态作业，同时使粉尘的产生和排放最小，同时含尘气流更容易保持在运输机/溜槽罩内，且颗粒的影响也降到最低。这有助于将后续各种粉尘控制措施的规模和成本降到最低。

6 结论

松散物料开采和加工时产生的分散性粉尘排放正在给工业，社会和政府带来越来越多的问题。大部分现有粉尘控制措施仅解决灰尘产生的“症状”，被认为是“保护性”方法。为了在解决工业分散性粉尘排放问题方面取得“跨越”式进步，目前正在进

行新技术的研究与开发，例如：松散物料含尘量的量化和建模；可优化以适应不同应用的新雾化抑制系统；对产品物流、气流和粉尘流的校准/验证模拟建模，以便量化和对准导致问题的根源。

粉尘控制领域仍需要开展进一步的工作，包括含尘量测试的标准化以及接下来的粉尘消灭湿度确定；持续不断的“全颗粒”粉尘抑制技术的研究与开发，产品可以在装上火车或卡车前在矿山就地进行处理；适用于大型应用(例如，原矿漏斗，筑堆/卸堆机，卡车/铁路卸货站，运输道路)的新型高能雾化技术的研究与开发；耦合离散元素- 计算流体动力学模型的开发，该模型可以为设计预测产品物流，气流和粉尘流。

校对 苏平

电镀镍铁合金电极助力电解水制氢技术

澳大利亚新南威尔士大学研究人员发明了一种新型电极，可以低成本、高效率地电解水，有望用于大规模生产清洁燃料——氢气。

该技术采用了一种价格低廉、有特殊涂层的泡沫状材料，能使电解水产生的氧气气泡快速逸散，从而提高制取效率。相关论文发表在近期的英国《自然通讯》杂志上。

研究人员称，这种电极是迄今在碱性电解质中产氧效率最高的电极。它使用镍和铁为原料，成本低廉、容易制造，不像其他电解水技术那样需要用珍贵的稀有金属作为催化剂和电极材料。

在电解水的过程中，水在电流作用下被分解成氢气和氧气。产氧电极的效率低、成本高、需要消耗大量电力，是电解水制氢实现工业化生产的主要技术难关之一。

研究人员采用了市面上常见的泡沫镍，用一种活性很高的镍铁合金催化剂对其进行电镀，制成电极。泡沫镍材料内部有许多微孔，直径约200 μm，约为人类头发直径的两倍。超薄的镍铁合金镀层里面也有大量微孔，直径约50 nm。

由于镀层和内部都充满微孔，新型电极的表面积非常大，有利于电解过程中生成的氧气的释放和逸散。氧气气泡逸散不够快，是一个降低电极利用率的普遍问题。

研究人员表示，将进一步研究其中原理、优化性能，帮助早日实现低成本制氢。氢的燃烧产物是水，不会产生二氧化碳和其他污染物，是一种清洁高效的能源，如果能大规模低成本制取，将有助于满足世界日益增长的能源需求，同时减少污染、遏制全球变暖。

Research and application of new dust control technologies

Translated selectively by CHEN Sheng-bo

This paper summarizes initially the various existing options available for dust control and some of their features, advantages and disadvantages that are being researched, developed and employed to minimized dust emissions by addressing dustability or dustiness, dust generation mechanisms, as well as processing and handling requirements. The paper also presents some results from research being undertaken on the:·comparison and evaluation of methods to quantify the dustiness or dustability of bulk materials;·development and implementation of high-energy dry-fogging technology;·air and dust generation mechanisms, including modeling and computer simulation.

dust； dustability; test； modeling； DEM; high-energy dry-fogging technology

陈胜波(1982—)，男，湖北天门人，硕士，中国恩菲工程技术有限公司外事办英文翻译。

2015-- 05-- 10

TD714

B

1672-- 6103(2015)04-- 0001-- 06