铁路运输矿物粉料的抑尘试验研究

李　旭，蔡觉先，董　波，王　浩，李颖泉, 武福平

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州　730070；2.甘肃省交通储运扬尘治理工程技术研究中心，甘肃 兰州　730070；3.兰州天际环境保护有限公司，甘肃 兰州　730070)

西方国家一般采用封闭运输方式运输散堆装货物，如散煤、矿物粉料[1]等，而在我国铁路一般采用敞车进行运输。在铁路运输散堆装货物时，由于列车颠簸及风力作用，其表面细小的粉粒被吹离车体，落洒到路面，再经过后续车辆的碾压, 形成粒径更小、浓度更高的二次扬尘；尤其在通过隧道时，即便散堆装货物的装车高度低于车厢高度，粒径达5 cm的粉粒也能被吹出车外[2]。铁路运输部门从2008年起逐步开始使用煤炭抑尘剂控制煤炭运输过程中的污染和损耗[3]，并取得了很好的应用效果和经济效益。但由于矿物粉料种类繁多，且与煤炭具有完全不同的表面性质和表面结构，将煤炭抑尘剂应用于矿物粉料的效果不佳。而矿物粉料在铁路散装货物运输中的比重仅次于煤炭，所产生的扬尘污染也不容小觑。目前铁路运输矿物粉料仅仅采用增大其含水率的方法降低扬尘污染和损耗，但随着水分的快速蒸发仍然会产生大量的扬尘污染[4]。为此进行铁路运输矿物粉料抑尘技术的相关研究，具有十分重要的现实意义。

铁路运输矿物粉料和运输煤炭相似，一般采用的抑尘方法有蓬布遮盖法、机械加盖法和喷淋黏结型抑尘剂法[5]。对运煤列车喷洒煤炭抑尘剂已经实现工业化应用，效果显著，因此在铁路运输矿物粉料时也选择使用喷洒矿粉抑尘剂的方法。

本文通过现场试验以检验抑尘剂技术应用于铁路运输散装矿物粉料的可行性以及应用效果。

1　试验内容

1.1　矿粉抑尘剂的选用

兰州交通大学从2009年开始研制水溶性高分子材料的矿粉抑尘剂，2010年底采用新研制的矿粉抑尘剂对铁矿石、磷矿石、锰矿石、铜矿石、铝矾土、石英砂、铝锌矿、石油焦等多种矿物粉料在实验室进行了固化效果测试和风洞对比测试，测试结果表明：该矿粉抑尘剂应用于以上矿物粉料后均能产生大于10 mm厚的固化层，在30 m·s-1的风速下吹蚀5 min后风蚀率小于0.3%。此外，还进行了矿粉抑尘剂溶液的急性毒性、急性皮肤刺激性、腐蚀性测定，结果表明矿粉抑尘剂不会对皮肤产生刺激，无毒、无腐蚀。在此基础上又进行了该矿粉抑尘剂的现场运用试验。

将矿粉抑尘剂配制成浓度为1.5%的水溶液，并按3 L·m-2的用量均匀喷洒到矿物粉料表面，经过渗透可形成厚度为10 mm以上的固化层。

1.2　被喷洒物料的选择

经过反复筛选，最终确定选择铁路运输矿物粉料运量较大的澳大利亚产铁矿石和国产磷矿石作为试验的被喷洒物料。

1.3　试验线路的特点

试验时，运输铁矿石的货物列车在黄岛—历城站间运行，铁路沿线地势平坦，无隧道，试验时气温在0～10 ℃之间；运输磷矿石的货物列车在中谊村—龙津沟站间运行，铁路沿线多为丘陵地貌，地形复杂，线路上隧道数量较多，达26座，试验时气温在10～20 ℃之间，所载货物为磷矿擦洗矿，极小的颗粒已经在选洗过程中被分离和去除，而且水分含量较高。2个区间的环境特点迥异，其运行的对比参数见表1。

表1　试验货车运行线路及区间运行参数对照表

1.4　试验方法

为检验铁路运输矿物粉料的抑尘效果，确定采用对比试验的方法，即对喷洒矿粉抑尘剂和未喷洒矿粉抑尘剂的货车进行颗粒物浓度检测对比。在2010年12月8日和9日的相同时间、相同线路上分别开行1列未喷洒和喷洒矿粉抑尘剂的铁矿石货车，在2010年12月18日和20日的相同时间、相同线路上分别开行1列未喷洒和喷洒矿粉抑尘剂的磷矿石货车，通过对比试验检验矿粉抑尘剂对于矿物粉料的抑尘效果。

（1）从经济角度分析，可体现以下方面：商品是使用价值和价值的统一体。使用价值是价值的物质承担者，要想实现商品的价值就必须重视商品的使用价值，即商品的质量；企业必须制定正确的经营战略，生产适销对路的高质量产品；要建立良好的市场经济秩序，严厉打击各类质量违法行为，维护消费者合法权益。

1.4.1颗粒物浓度的检测

目前国内尚没有专门针对移动污染源的颗粒物浓度检测方法。装有矿物粉料的货车作为移动污染源，其污染物以颗粒物为主，因此试验时选定检测距离货车最近空气隔层中的颗粒物浓度，检测方法参照GB 16157—1996 《固定污染物排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》。试验时采用崂应3012H型自动烟尘测试仪(青岛崂山应用技术研究所和武汉分析仪器厂出品)，定量分析列车运行时的扬尘量，即污染物浓度。

1.4.2采样点的选择

货车在运行过程中受到风力作用而对所载矿物粉料产生风蚀效果，从而对周围环境产生扬尘污染。扬尘污染方向与货车的运行方向相反，也就是说在货车尾部污染物的浓度最高。因此在试验货车的尾部加挂了1节客车作为试验设备运载工具和检测平台。货车上采样点和观测点的位置如图1所示，其中：1#，2#，3#和4#为货车上的摄像头架设位置，即观测点位置。

除特殊风环境(如特大桥梁、高架桥、路堤、丘陵及山区的风口地段，曲线线路等)之外，货车直线运行时受到的侧风作用远小于货车运行产生的与运动方向相反的风力作用[6]，因此在不考虑侧风的情况下，风洞模拟试验的结果表明，由于车厢侧板的遮挡作用，车厢内的矿物粉料被向后的气流卷起后向上扩散，飘出车厢顶部，之后再向两侧和下部扩散。

图1　列车上采样点和观测点的位置示意图

由于货车的扬尘污染主要向上方和两侧扩散，因此分别在加挂客车的左右两侧和顶部各设2个采样点，采样断面为客车前部的车门附近，其中两侧的采样点距客车车厢外侧15～20 cm，顶部采样点距货车车厢上沿约30～50 cm，如图2所示。图中：虚线所示为客车车体轮廓。

图2　采样点布置示意图

1.4.3采样时间的确定

在分别进行的2次试验中，每次试验均开行未喷洒矿粉抑尘剂的和喷洒矿粉抑尘剂的货车各1列，累计开行4列。货车运行30 min后开始计时，每隔30 min同步对6个采样点进行1次扬尘颗粒物检测，每次检测时间持续10 min，每列车累计检测6次，检测次序按时间顺序排列。

2　结果及分析

2.1　未喷洒矿粉抑尘剂时扬尘颗粒物浓度的检测结果及分析

未喷洒矿粉抑尘剂时得到的铁矿石和磷矿石扬尘颗粒物浓度检测结果分别见表2和表3。

表2　未喷洒矿粉抑尘剂时的铁矿石扬尘颗粒物浓度

注：气压为100.9 kPa

表3　未喷洒矿粉抑尘剂时的磷矿石扬尘颗粒物浓度

注：气压为80.4 kPa

正如前文所述，由于矿物粉料扬尘污染在空间上的扩散方向不同，且试验的线路环境不同(见表1)，则必然导致不同空间位置采样点的检测结果不同，因此通过表2、表3的测定结果可以分析出扬尘颗粒物浓度在空间上的分布规律以及列车运行环境对扬尘颗粒物浓度的影响。

2.1.1扬尘颗粒物浓度在空间上的分布规律

根据表2、表3的检测结果，可以计算出各采样点以及不同时间(检测次序)的扬尘颗粒物浓度平均值。

图3为2条不同线路上铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物浓度在空间上的分布。从图3中可以看出：无论是铁矿石还是磷矿石，其扬尘在空间的分布具有相同的规律，即顶部2个采样点(上A、上B)的扬尘颗粒物浓度明显高于两侧采样点的(左A、左B、右A和右B)；对未喷洒矿粉抑尘剂的铁矿石货车而言，平均扬尘颗粒物浓度达到了165.08 mg·m-3，两侧采样点的扬尘颗粒物浓度一般不超过60 mg·m-3，即顶部采样点的扬尘颗粒物浓度是两侧采样点扬尘颗粒物浓度的2.9～3.1倍；同样，未喷洒矿粉抑尘剂的磷矿石货车顶部采样点的扬尘颗粒物浓度是两侧的2.21～2.35倍，顶部扬尘颗粒物浓度约占总浓度的70%～85%；说明扬尘污染以顶部为主、两侧为辅呈向后扩散的辐射状分布，与预期一致。

图3　未喷洒矿粉抑尘剂时各采样点扬尘颗粒物浓度分布

2.1.2列车运行环境对扬尘颗粒物浓度的影响

由图3还可以看出，磷矿石的扬尘颗粒物浓度无论在空间的哪个部位均比铁矿石的高，这除了与磷矿石的密度小于铁矿石有关系外，还与2条线路的运行环境有很大关系。对于运输铁矿石的货车而言，黄岛—历城间的行车环境以平原为主，无隧道，空间开阔，行车速度较快，平均时速81 km·h-1，行车速度是导致风力作用的最主要原因，也是造成扬尘污染的主要成因；随着货车运行时间的延长，货车上矿物粉料的较细颗粒物逐渐被吹走，扬尘颗粒物浓度呈现减少趋势(见图4)，因此未喷洒矿粉抑尘剂货车的扬尘颗粒物浓度随着时间和运输距离的增加会逐渐降低。

图4　未喷洒矿粉抑尘剂时的不同检测次序与扬尘颗粒物浓度的关系

对于运输磷矿石的货车而言，中谊村—龙津沟间主要以丘陵山谷地貌为主，隧道数量较多且隧道较长，行车速度为71 km·h-1，明显小于铁矿石货车，相应的由行车速度对货车产生的风力作用要小于铁矿石货车。然而，与运输铁矿石的货车相比，运输磷矿石的货车除受到运行时产生的风力作用外，还受到较为剧烈的隧道活塞风作用[7]，这一方面加剧了顶部扬尘颗粒物的浓度，另一方面又加剧了两赤的扬尘颗粒物浓度，甚至达到了货车顶部扬尘颗粒物的浓度。当货车运行一段时间后，甚至有微弱的上升趋势(见图4)，显然这是由于间歇的隧道活塞风的作用。

由图4可见，即便在运输磷矿石的货车运行速度较慢的情况下，扬尘颗粒物浓度依然很高，这是因为环境、隧道的作用占据了主要地位，所以货车运行速度只是造成扬尘污染的原因之一，列车运行所处的环境、桥涵隧道的数量也会十分明显地影响扬尘颗粒物浓度，而且货车运行环境、隧道数量对于扬尘污染的影响比货车运行速度更加明显。

通过上述分析可知，矿物粉料在运输过程中的扬尘污染主要是由于货车在行驶中的风力作用和隧道内产生的活塞风作用造成的，且隧道内的活塞风作用占主导地位。

2.2　喷洒矿粉抑尘剂后扬尘颗粒物浓度的检测结果及分析

喷洒矿粉抑尘剂后铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物浓度在2条试验线路的检测结果见表4和表5。

表4　喷洒矿粉抑尘剂后铁矿石的扬尘颗粒物浓度

注：气压为101.4 kPa

表5　喷洒矿粉抑尘剂后磷矿石的扬尘颗粒物浓度

注：气压为80.5 kPa

由表4、表5可以看出：喷洒矿粉抑尘剂后，货车的扬尘颗粒物浓度均在13 mg·m-3以下；由于试验线路运输繁忙，加之为了减少运力的浪费，没有开行空车试验本底扬尘颗粒物浓度，即使不考虑沿线环境所固有的粉尘在列车通过时造成的二次污染。与表2和表3对比可以看出，喷洒矿粉抑尘剂与未喷洒矿粉抑尘剂时铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物浓度具有明显差别。

图5为喷洒矿粉抑尘剂后铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物在不同采样点的浓度。可以看出，喷洒矿粉抑尘剂后，顶部采样点的扬尘颗粒物浓度平均为8.65～8.70 mg·m-3，而两侧采样点的颗粒物浓度平均值在5.9～6.4 mg·m-3之间，远小于未喷洒抑尘剂时的。与图3相比，不再呈现磷矿石的扬尘颗粒物浓度高于铁矿石的规律，两者之间没有明显差异，十分相近。经计算，喷洒矿粉抑制剂后顶部采样点的扬尘颗粒物浓度分别减少了95.04%和96.53%，而侧面采样点的扬尘颗粒物浓度也减少了87.83%和94.25%，总的扬尘颗粒物浓度分别减少了92.16%和95.46%。考虑到没有检测沿线扬尘颗粒物本底值的因素，实际的扬尘颗粒物浓度减少率应高于计算值。在扣除本底值的情况下，两侧的扬尘颗粒物浓度减少率应该会有显著提高。可见，矿粉抑尘剂对于抑制矿物粉料造成的扬尘，效果十分明显，可以减少92%以上的扬尘污染。

图5　喷洒抑尘剂后不同采样点的扬尘颗粒物浓度分布

图6为喷洒矿粉抑尘剂后铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物浓度与时间的关系，与图4相比可以看出，无论未喷洒矿粉抑尘剂时所产生的扬尘颗粒物浓度有多大，喷洒矿粉抑尘剂后的扬尘颗粒物浓度均在5.3～8.70 mg·m-3之间，远远低于未喷洒时的浓度，抑尘作用基本不受试验线路的环境影响，具有较强的适应不同环境条件的能力。

图6　喷洒矿粉抑尘剂后不同检测次序与扬尘颗粒物浓度的关系

2.3　矿粉抑尘剂应用对于物料堆型的影响

为了更好地了解矿物粉料在货车运行中的状态，试验过程中通过视频摄像头连续观察试验的矿物粉料在货车运行过程中的状态。

运输铁矿石的货车喷洒矿粉抑尘剂前后的视频截图对比结果如图7和图8所示。

由图7和图8对比可见：运行45 min后，未喷洒抑尘剂时货车中的铁矿石颗粒会随着车辆运动产生的振动从装车脊的两侧向下滑落，堆积到车厢底部；而喷洒过矿粉抑尘剂后，铁矿石的颗粒被黏结在一起，运行45 min后铁矿石颗粒的表观形态没有发生明显改变，表明矿粉抑尘剂对于矿物粉料颗粒表面的固定作用明显。

图7　未喷洒矿粉抑尘剂货车内铁矿石料的堆形

图8　喷洒矿粉抑尘剂后货车内铁矿石的堆形

3　结　论

(1)矿物粉料在铁路运输过程中的扬尘污染呈现出以货车顶部为主、侧面为辅的辐射状分布，分布规律与扬尘颗粒物扩散的路径密切相关。

(2)矿物粉料在运输过程中的扬尘污染主要是由于货车在行驶中的风力作用和隧道内产生的活塞风作用造成的，且隧道内的活塞风作用占主导地位。

(3)矿粉抑尘剂应用于铁路运输矿物粉料具有良好的应用效果。喷洒矿粉抑尘剂后，货车中铁矿石和磷矿石的扬尘颗粒物浓度分别减少92.16%和95.46%，并且抑尘效果不受线路环境的影响。通过矿粉抑尘剂产品控制铁路运输矿物粉料过程的扬尘污染，是一种经济、有效的方式，可广泛地应用于铁路运输各种散装矿物粉料时的扬尘污染控制，同时对解决矿物粉料堆场的扬尘污染控制也具有一定的参考价值。

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