抓斗卸船机料斗除尘方法浅析

2023-03-15郭宇辰

科技与创新 2023年5期

郭宇辰

（柳州工学院，广西柳州 545000）

抓斗卸船机是一种传统散料卸船设备，被广泛应用于各大港口的散货码头或电厂、钢厂的自有码头，接卸的物料包括煤炭、矿石等散装物料。工作过程是通过抓斗将船舱内散装物料卸到卸船机的料斗内，再通过料斗下方的给料装置连续转运到码头皮带上。在作业过程中各转载点均会产生大量的粉尘，并且物料在作业现场无组织排放，这些均会造成环境污染。在目前环保要求日益严格的前提下，减小扬尘污染成为衡量卸船机性能的重要指标。为减少粉尘污染对环境的影响，在物料转载位置必须设置除尘装置。

除尘装置方式分干式除尘和湿式除尘两大类。由于干式除尘的工作机理是需要在除尘区域形成密闭空间，通过空气流动使局部区域形成负压状态，实现对该区域内飞尘的过滤，达到除尘效果，所以干式除尘不适用煤炭、矿石卸船机。卸载煤炭或矿石的抓斗卸船机通常采用洒水的湿式除尘方式，具体又分为普通洒水除尘、干雾除尘、高压精细微雾除尘等多种方式，本文将从抓斗卸船机粉尘特点出发，对各种除尘方法的优缺点进行分析介绍。

1 抓斗卸船机扬尘位置特点及传统除尘方式[1]

抓斗卸船机在作业过程中的扬尘转载点是料斗上方和给料器出口2 个位置，其中给料器出口可以通过密封处理，粉尘容易被控制与解决。重点在于料斗上方，因料斗需承接抓斗卸料，上部必须为开放结构，三面设有挡风墙，抓斗在料斗上方打开，将物料卸抛落入料斗内，物料带动周围空气流动，引起粉尘飞扬；物料落入料斗过程，势能转化为动能，物料反弹后与后续下降物料撞击，碰撞能量释放产生大量粉尘；料斗内空气不断被增加的物料置换，引起气流反冲，会带动料斗内的小颗粒粉尘向上浮动，加剧料斗内粉尘飞扬。如图1 所示，由于料斗内空气压力增大，内部含有粉尘的空气沿斗壁向上反向流动，所以物料落入料仓带动粉尘飞散是现场主要的污染源。

图1 料斗起尘原理

根据散料码头的粉尘样本颗粒度测量结果可知，能够漂浮在空中的粉尘，绝大部分的粉尘颗粒直径小于100 μm。直径大于100 μm 的粉尘颗粒，由于重力作用会很快沉降，只有直径在小于100 μm 的粉尘颗粒才会在空气中漂浮一定时间，其中颗粒直径小于2 μm 的粉尘占比较少，因此，直径介于2～100 μm 的粉尘颗粒是要考虑的除尘主要对象，特别是直径在10 μm 以下的可吸入粉尘颗粒，必须进行有效控制。

传统除尘方式是洒水除尘，即对起尘点进行洒水喷淋。由于传统的洒水水雾颗粒大、耗水量大、除尘能力差，尤其对10 μm 以下的可吸入粉尘抑制能力差，已经不能满足现有的环保要求。

2 水雾除尘原理分析

为解决传统洒水系统的不足，首先需对水雾颗粒大小进行分类研究，水雾分类如图2 所示，将直径（μm）在（2.8，10］范围的水雾称为干雾，将直径（μm）在（10，50］范围的水雾称为湿雾。

图2 水雾分类图

水雾抑尘原理是将雾化水喷向起尘点，经过雾化的水雾颗粒将粉尘覆盖，水雾与粉尘相互碰撞，颗粒间相互粘结并聚结增大，当颗粒增大到一定程度后由于重力作用开始沉降，实现除尘的目标。

较大颗粒的粉尘比较容易与水雾粘结聚集并增大，但颗粒度级小的粉尘（如PM2.5～PM10）很难与普通水雾颗粒粘结，只有当水雾颗粒直径与之相当或加入能够减小表面张力的化学剂（如表面活性剂等）时才会能够聚集成团。而当水雾直径大于粉尘的颗粒直径时，粉尘只是围绕在水雾颗粒周围，水雾和粉尘颗粒之间各自独立运动，相互之间并不接触融合，很难达到除尘效果；只有当水雾颗粒直径和粉尘颗粒直径接近时，粉尘随空气流动时才会容易与水雾颗粒接触和粘结。水雾颗粒直径越小，颗粒相互聚结的概率越大，当聚结的颗粒团增大到一定程度，就会在重力作用下降落，就完成了水雾颗粒对粉尘颗粒的“抑制”作用，水雾与粉尘颗粒的关系如图3 所示。

图3 水雾与粉尘颗粒的关系

水雾抑尘原理如图4 所示，粉尘向上漂浮，水雾向下覆盖，在相互运动过程中，水雾颗粒与粉尘颗粒接触，直径大的粉尘颗粒与直径大的水雾颗粒相结合，直径小的粉尘颗粒与直径小的水雾颗粒相结合，相互聚结成颗粒团。

图4 水雾抑尘原理

小颗粒水雾凝聚过程如图5 所示，水雾颗粒达到干雾级的时候，即水雾颗粒直径小于等于10 μm 时，水雾颗粒的表面张力变小，粒子之间的相互引力变大，因此以粉尘粒子作为中心的“微小粉尘颗粒-微小水雾颗粒”二相流中，颗粒与颗粒之间很容易相互结合，粘结在一起，使“颗粒”不停地变大，最终在重力作用下沉降，实现除尘的目标。

图5 小颗粒水雾凝聚过程

综上所述，干雾除尘的工作原理是，当细小水雾颗粒的直径和粉尘颗粒的直径相近，水雾量足够覆盖粉尘，并且空气中的水雾达到饱和时，饱和的水雾与粉尘颗粒相互碰撞就会凝聚在一起，当凝聚到一定程度后就会沉降，实现除尘目标。

3 干雾除尘系统原理的构成[2]

干雾产生原理如图6 所示，是将过滤后的水、气分别按照设定的压力、流量，经管系统道，输送到干雾箱或水气分配，通过空压机、声波震荡器产生高频声波，经过高频声波音爆作用将水高度雾化，产生干雾（10 μm 及以下的微细水雾颗粒称为“干雾”）。

图6 干雾产生的原理

干雾除尘系统构成如图7 所示，由干雾机、干雾箱控制器或水气分配器、干雾箱总成或万向节总成、空压缩机、储气罐、系统连接管线以及电气控制系统等构成。

图7 干雾除尘系统构成

干雾箱控制器或者水气分配器可与万向节总成或干雾箱总成连通，实现电、水、气的管线连接与控制。现场可根据实际情况需要进行调节设定、通过PLC 设定与控制，实现对各干雾箱总成或万向节总成分别喷雾控制的目的。

干雾箱总成或万向节总成是接收由干雾机输送的经净化后的水、气，并将其转化为颗粒直径为1～10 μm 的干雾颗粒的装置。并由干雾机控制，喷洒向除尘点。干雾颗粒与粉尘颗粒相互碰撞、凝聚增大，最后在自身重力的作用下沉降，达到除尘的作用。

空压机通常采用螺杆式空气压缩机，是干雾除尘系统动力气源，通过微电脑智能监控，自动运行。具有人机控制界面和轻触按键，操作人员根据界面文字提示，可轻松实现对空压机运行状态和参数的设定与查询，并可对空压机手动控制或自动控制的状态进行转换。

电气控系统是干雾除尘系统的控制核心，由触摸屏或显示器、可编程控制器、继电器、保护电路以及相关的元器件构成，具有手动和自动2 种操作模式。手动模式下，操作人员可通过触摸屏进行控制与设定，可以直接控制各喷雾点的启动或停止，可以设定喷雾时间与周期、设定管道吹扫时间等运行参数，也可以设定喷雾与抓斗打开等时间联锁。自动操作模式下，根据与现场设备运行状态信号联锁，自动进行启动或停止，如抓斗到达料斗上方时提前喷雾，抓斗打开卸料完成后延时结束喷雾等，即保证除尘效果又兼顾节约用水。

4 干雾除尘装置的实际应用效果和优缺点

干雾除尘技术是一种使用水、气2 种介质的湿式除尘技术，所产生的水雾雾滴颗粒直径为1～10 μm，属于干雾级颗粒，与目前国家大力要求治理的PM2.5粉尘颗粒相近，能够有效清除PM2.5粉尘，减少尘肺病的发生。其在实际应用中效果显著，主要优点如下：①适用于周界无组织排放、封闭或半封闭场所的粉尘治理，抑尘效率较高；②针对性强、耗水量小，可直接作用在起尘点，在起尘点附近形成浓密的雾池，直接治理污染源头；③解决了传统洒水装置的不足，可对PM2.5细小粉尘有效治理，有效避免尘肺病的发生，抑尘效果良好且用水量少，在多种场景下得到较好的应用。其主要缺点为开放环境除尘效果差。微米级干雾除尘技术应用于抓斗卸船机时发现了新的问题，由于料斗上方空间尺寸大，面积可达100 m2，且为开放结构，码头沿海环境大风天气很容易将干雾吹散，使抑尘效果下降。

5 新型高压精细微雾除尘系统

借鉴微米级干雾抑尘系统优势并解决其不足，除尘厂家针对卸船机料斗的特殊场景，开发出新型高压精细微雾除尘系统。系统中采用不同类型精细雾化喷嘴，喷嘴出口压力达到2.0 MPa 以上，喷雾颗粒在2.5～50 μm，布置如下。

左右挡风墙上排喷嘴和后墙喷嘴采用扇形喷嘴，如图8 所示，扇形雾状能够保证每个喷嘴间互相衔接，在挡风墙上部形成比较完整的水幕，有效地阻止粉尘外溢，将粉尘阻挡在料斗区域内；左右挡风墙中排和下排喷嘴采用实心锥结构，如图9 所示，实心锥结构喷嘴雾化效果更好，水分子颗粒更小，在料斗区域内能够更有效地与粉尘颗粒结合，达到降尘效果。

图8 扇形喷嘴

图9 实心锥形

新型高压精细微雾系统经实际验证，在抓斗卸船机料斗处抑尘效果良好，具体效果如图10 所示。与干雾抑尘相比，新型高压精细微雾除尘系统优势如下：①无需压缩空气机和雾化室就可形成精细的喷雾颗粒，减少能源的消耗；②精细喷雾颗粒更符合使用条件，可根据位置不同选用不同喷嘴，耗水量小；③运行成本和后期维护成本较低，日常维护简单，只需定期清理过滤器，维护加压泵即可。