微米级干雾抑尘装置的研究及工业应用

赵环帅，尹德夺

(1.中国冶金矿山细粒筛分机械工程技术研究中心；2.唐山杰斯德科技有限公司，河北 唐山 063020)

目前，我国在能源格局上进行了重大调整，将煤炭清洁及高效开发利用作为能源转型发展的首要任务与立足点，为煤炭行业转变发展方式、实现清洁高效发展创造了有利条件。传统产业与现代计算机信息技术深度融合，又为煤炭行业转换发展动力、提升竞争力带来了新的机遇。与此同时，《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006—2020年》中指出，要促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染；《中国制造2025》提出加快发展智能制造装备和产品，推进制造过程智能化；《新一代人工智能发展规划》提出人工智能成为经济发展的新引擎，在制造重点行业和领域开展人工智能应用试点示范，推动人工智能规模化应用，全面提升产业发展智能化水平。在国内市场环境及国家政策的双重影响下，节能环保与智能化逐渐成为未来我国煤炭行业的发展趋势。今后在选煤厂设计或设备的采用时，注重节能环保与智能化理念，可以有效促进选煤厂在降噪、节能、节水、防尘与循环经济方面的发展。

1 项目研发的必要性

工业粉尘是指在工业生产过程中产生并悬浮在劳动生产场所空气中各类粉尘的总称，其粒径通常在0.1～100 μm，尤其粒径小于10 μm的粉尘，可长时间在空气中漂浮[1]。工业粉尘不仅严重影响生产者的身心健康，且具有易爆性，威胁生产安全。为了治理粉尘污染，通过对选煤厂、选矿厂、采矿区、水泥厂、火电厂及物料转运存储等各行业中容易存在粉尘区域的粉尘运动特性进行调研分析，结果如表1。

表1 各粒度级粉尘运动特性

由表1可知，在各粒度级粉尘中，150 μm 以下的粉尘颗粒是粉尘处理的主要目标。尤其直径为5 μm 以下的可吸入粉尘颗粒是造成尘肺病等职业病的主要根源，严重威胁着人类的健康和生命。其主要特点是：化学活性、吸附能力强，极易吸附一氧化碳、氮氧化合物等有毒有害污染物，长期浮游在空气中四处飘散，且粒径小，相对表面积大，对生态环境产生了严重污染。而传统的干式除尘与湿式除尘装置对这些粉尘目前无有效的治理办法。因此，为了确保工作人员的身体健康和安全文明生产，研究一种微米级干雾抑尘装置，对各种粉尘污染进行有效治理，具有非常重要的现实意义，亦是目前亟待解决的问题。

2 干雾抑尘装置工作原理

一般而言，所谓干雾是指通过采用各种技术，把水雾转化成直径在10 μm 以下的超细雾滴。干雾抑尘是21世纪以来在国内外推广应用的具有先进水平的湿式除尘技术，其原理主要来源于欧美研究理论—— “水雾颗粒与尘埃颗粒大小相近时吸附、过滤、凝结的几率最大”。干雾抑尘主要利用干雾喷雾器产生微细水雾颗粒，使粉尘颗粒能相互粘结或聚结增大，最终在自身重力作用下沉降(图1)。粉尘颗粒在粘结或聚结增大的过程中，只有当加入化学剂(如表面活性剂)减小水的表面张力或水滴很小(如干雾)时，最细小的粉尘颗粒才会聚结成团[2-3]。

图1 干雾抑尘原理示意

根据水雾颗粒与粉尘颗粒的大小，抑尘效果主要分为以下几种情况：

(1)水雾颗粒直径大于粉尘颗粒时，粉尘随水雾颗粒周围气流而运动，水雾颗粒和粉尘颗粒接触很少或没有机会接触，从而达不到抑尘作用；

(2)水雾颗粒与粉尘颗粒直径接近，粉尘颗粒随气流运动，通过与水雾颗粒碰撞、接触而粘结一起。

(3)水雾颗粒直径越小，聚结机会就越大，随着聚结粉尘团变大加重，很容易沉降，形成了水雾对粉尘的“过滤”作用[4-6]。

微米级干雾抑尘装置以粉尘凝结等现代抑尘技术为核心，引进国外先进抑尘理论，大胆突破了末端治理的常规思维，采用从污染源头进行治理的开创性思路。其主要原理为：采用压缩空气驱动声波振荡器，通过高频声波将水高度雾化成水雾颗粒(1～10 μm)，然后在压缩气流作用下，通过喷头共振室将水雾颗粒以低速、柔软的雾状方式喷射到粉尘处，对悬浮在空气中的粉尘，尤其是直径在5 μm以下的可吸入粉尘进行有效吸附，使粉尘凝聚后在自身重力作用下沉降，从而达到抑尘作用。

3 干雾抑尘系统流程

微米级干雾抑尘装置流程如图2所示。当需要抑尘时，微米级干雾抑尘装置提前或者同步工作，使气源、水源经过微米级干雾抑尘装置，进入喷雾器组件(水气分配器)，进而实现喷雾。

图2 喷雾抑尘系统流程示意

4 干雾抑尘装置结构特点

微米级干雾抑尘装置采用模块化设计，主要由微米级干雾机、储气罐、配电箱、螺杆式空气压缩机、水气分配器与万向节喷雾器总成、水气连接管线、电伴热带和控制信号线组成，如图3所示。其主要结构特点为：

图3 微米级干雾抑尘装置

(1)微米级干雾机。干雾机由多个系统组成：电控系统、流量控制系统、多功能控制系统等。在面板上安装有电控系统按钮，内部安装集成化编程的电控模块，从而实现自动控制。机体为碳钢喷塑，防护等级为IP65标准。

(2)储气罐。当空气压缩机的排气量不能满足干雾机瞬时排量要求时，储气罐先储存螺杆式空气压缩机排出的压缩空气，以满足干雾抑尘装置瞬时用气量的需要。

(3)配电箱。配电箱是整个微米级干雾抑尘装置的配电系统。根据用电功率的要求，配电箱稍有区别。

(4)螺杆式空气压缩机。主要为微米级干雾抑尘装置提供符合标准要求的气源。

(5)水气分配箱与万向节喷雾器总成。主要用于接收由干雾抑尘机输送的气、水，且将其转化为直径为10 μm 以下的微细水雾颗粒，然后根据干雾抑尘机控制系统的指令喷向抑尘点。

(6)水气连接管线。指采用不同管径的热浸锌钢管，将干雾抑尘机、喷雾器总成、压缩空气储气罐、螺杆式空气压缩机及水源等按设计要求进行连接。

(7)电伴热带和控制信号线组成。电伴热系统主要布置在干雾抑尘机、喷雾器总成及水、气管路上。当周围环境温度低于5 ℃时，可手动启动。控制信号线用于干雾抑尘机的控制系统。

5 干雾抑尘装置主要技术参数

(1)空气压缩机电源：交流三相380V/50Hz。

(2)控制系统电源：交流220V/50Hz。

(3)电伴热带电源：交流220V/50Hz，功率：根据实际使用设定。

(4)设备供水要求：压力0.3～0.6 MPa，硬度不大于450 mg/L，pH值6.5～8.5，悬浮物不大于50 mg/L，氯化物不大于250 mg/L。

(5)设备供气要求：固体颗粒最大直径不大于1 μm，空气中所含的灰尘量不大于1.0 mg/m3，含油率不大于3×10-6。

(6)设备供气压力0.6～0.8 MPa，具体压力值需根据实际使用情况设定。

(7)设备供水压力0.3～0.6 MPa，具体压力值需根据实际使用情况设定(要求不大于0.6 MPa)。

(8)每个喷头喷雾耗气量：0.115 m3/min(随实际气压值变化)。

(9)每个喷头喷雾耗水量：7.1 L/h(随实际水压值变化)。

(10)干雾雾珠直径不大于10 μm。

6 干雾抑尘装置使用方法

6.1 控制界面

干雾抑尘装置控制系统界面如图4所示。

(1)当旋钮旋转至“手动”位置时，可以通过操作界面的各个按键实现各水气分配器的手动喷雾。

(2)当旋钮旋转至“自动”位置时，直接按下“运行”键，所有水气分配器同时喷雾。

(3)水压欠压、气压欠压、自清洗过滤器超压时报警灯会亮，此时需对相应的压力进行调节。

图4 控制界面示意

6.2 手动操作

(1)将旋钮旋转至“手动”位置，可以通过操作界面的各个按键实现手动控制。

(2)按下“清洗”键，对自清洗过滤器进行清洗；排完脏水后再次按下“清洗”键，则关闭清洗。

(3)“1号～8号喷雾”按键控制不同起尘点的水气分配器，根据需要抑尘的起尘点按下对应的水气分配器控制按键，实现对各个起尘点的独立控制。

(4)按下“停止”键，设备停止喷雾。

(5)设备停止喷雾后，按下“吹扫”键，则自动吹扫水气管路及干雾机内的水，避免冬季结冰堵塞管路。

6.3 自动操作

(1)将旋钮旋转至“自动”位置，可以实现设备的全自动控制。

(2)自动模式下按下“运行”键，所有水汽分配器打开，进行喷雾。

(3)当自清洗过滤器压力值超过设定值时，过滤器进行自清洗。

(4)自动模式下按下“停止”键，所有水汽分配器关闭，停止喷雾并吹扫管路与干雾机内的水。

7 工业应用效果

图5 微米级干雾抑尘装置在输送机上的应用

在各种工业现场中，粉尘处理的主要对象是无组织排放的150 μm以下粒级粉尘颗粒，尤其是可吸入性直径5 μm以下粒级的粉尘颗粒，对人体易造成不可恢复性伤害，是目前造成尘肺病等职业病的主要根源。在选煤厂中，粉尘来源主要有煤炭的破碎、筛分及运输环节，以某选煤厂为例(图5和图6)，应用效果表明：微米级干雾抑尘装置大大降低了粉尘对大气的污染，在破碎、筛分、输送、装卸等无组织排放源封闭及半封闭场所粉尘污染区域，综合抑尘效果达到95%以上；对10 μm 以下粒级可吸入性粉尘治理效果高达96%以上；改善了现场工作人员的劳动环境与施工现场的环境，避免或减少了尘肺病等职业病的危害或发生。该除尘装置耗水量小，物料湿度增加重量比为0.02%～0.05%，无二次污染。另外，使用该除尘装置还具有以下优势：减少了煤炭损失量，煤炭热值损失量减少(相对喷淋除尘)；全自动控制、操作方便、占地面积小；设备资金投入少，运行与维护成本较低；适用于污染源头为无组织排放，密闭或半密闭空间；大幅度减少粉尘爆炸几率，节约了消防设备投入。

图6 微米级干雾抑尘装置在破碎机上的应用

8 结 语

微米级干雾抑尘是目前国际上最先进的抑尘技术，具有抑尘能力较大、耗水量小、无二次污染、节能环保、占地面积少、全自动控制、操作方便、运行和维护费用低等特点，同时也可减少煤炭损失量，避免尘肺病危害，降低作业场所粉尘爆炸几率，减少生产设备及消防设备投入。随着未来我国节能环保与智能化趋势的发展，该技术的推广与应用，将大大促进选煤厂等企业的安全生产，保障现场工作人员的身心健康，提高企业的环保、经济与社会效益。