煤炭港口粉尘产生原因及治理措施

马 亮，李振朋

（国投曹妃甸港口有限公司，河北唐山 063210）

0 引言

目前我国面对的各类环境污染物质中，颗粒物污染是比较严重的污染类型之一，而源自于固体物料在研磨、粉碎或装卸过程中产生的粉尘污染则属于一种较为常见的颗粒污染物。其中颗粒度在10 μm 以下的粉尘可以被人吸进肺部，影响人的呼吸功能，严重的还会引起人体的各种疾病。我国沿海城市的空气粉尘污染物主要来源是散货港口的物料在堆存及装卸过程中产生的粉尘并在大气环境中的扩散和迁移，而煤炭港口的粉尘因其颗粒度小，若无控制的排放会造成严重的环境污染问题。从我国工业生产和居民生活的能源需求和相关能源政策来看，火力发电是能源安全的重要支柱，因此在今后的一段时间内，我国的能源的供给和消耗仍会以煤炭为主，因此煤炭港口的货运量在未来仍会处于逐年上升趋势，煤炭装卸和储存过程中产生的粉尘污染对环境的影响也会逐渐加大。

曹妃甸工业区六加煤码头是曹妃甸地区最大的煤炭专业码头，是国内第一家、也是最大一家连接大秦、蒙冀两条国家能源运输铁路的煤炭下水港，配置8 条作业能力6000 t/h 以上的取装作业系统。为确保国家经济能源安全，稳定能源供给，该港每年煤炭运量特别巨大，基本在7000 万吨以上，因此煤炭在港口堆存和装卸运输过程中产生的煤炭粉尘，会随着风扩散到大气之中，产生了大气的粉尘颗粒污染，影响环渤海区域的空气环境。为了更好地评价和治理港口煤炭粉尘的污染，保护港口及周边区域的大气环境，加强对于煤炭港口粉尘产生排放问题的测算有很大的理论和实践意义。

1 煤炭港口粉尘排放的影响因素

1.1 气象条件对粉尘排放的影响

气象条件对粉尘排放的影响首先表现在风速与风向上。其中风速体现了污染物在大气中的传播速率；而风向则体现了污染物的传播方向。一般来说，风速越小污染物的扩散速率越低，风速完全为零时由于没有气体的相对运动，空气污染程度也较低。

其次温度也是一个重要的气象参数。但是单独的温度与粉尘污染浓度之间的关联性并不强，只有当出现出持续高温时，煤炭可能会出现自燃情况。煤炭燃烧时加热周围的空气，使得热空气上升，外围的冷空气会进入这片区域，形成相对的空气流动，制造出向上的风速，将煤炭料堆中粒度较小的粉尘颗粒带入大气环境中，并随着空气的流动而扩散污染。

最后，堆场区域大气环境的稳定程度对粉尘的扩散也有一定的影响。一般情况下，所处区域的大气环境越稳定，区域内空气与煤炭料堆的相对运动速度越小，也就是风速越小，粉尘颗粒的扩散污染范围越小。反之大气越不稳定，大气湍流就越强，粉尘稀释扩散能力越强。

1.2 粉尘自身性质对粉尘排放的影响

影响粉尘排放的一个重要因素是粉尘表面的含水量，一般粉尘颗粒表面的含水量越大，其传播的距离越小，粉尘浓度也就越小。当粉尘颗粒含水量增大到20%时，粉尘的浓度随含水量的增加速度减慢的程度开始降低。根据经验和通过在相关港口考察，煤炭的整体含水率在7%时起尘量较少。另外，粉尘的氧化程度也影响着煤炭粉尘的排放。一般是随着煤炭氧化程度的提高，煤炭微粒间的机械强度会降低，较大的颗粒会破裂成粒度较小的颗粒，减少了粉尘颗粒运动能量的需求，其更易被扰动并扩散到空气环境中，使得粉尘排放量加大。对于煤炭港口来说，煤炭的堆存期越长，物料与空气中的氧气接触时间越长，范围也越广泛，其氧化程度就会越深，粉尘的排放量也就相对增大。

2 煤炭港口粉尘产生的机理

2.1 煤炭粉尘的受力分析

根据煤炭港口的一般情况，在堆场内露天贮存的煤炭，其粉尘排放是由外界的空气流动引起，可视为空气湍流对尘粒的输送。在空气湍流的状态下，单颗煤炭粉尘受力主要为拖曳力、升力、阻力以及粉尘颗粒的自身重力。其中拖曳力主要由摩擦力和形状阻力两部分组成。其中摩擦力是由空气的气流与煤炭粉尘表面的摩擦而产生。粉尘颗粒在与空气气流接触的过程中，只有其中部分的表面积与气流接触，所受力也并不完全通过颗粒的重心，因此其所受摩擦力的方向也与气流的方向并不完全吻合。而形状阻力的产生是由于作用于尘粒上的空气压力与粉尘颗粒接触后发生流线分离，因此在煤炭粉尘的背风一侧产生空气涡流，这就会使粉尘颗粒的前后产生压力差，从而造成形状阻力。上升力则源自于粉尘颗粒的旋转和气流速度之间的切变。冲击力包括粉尘颗粒间的静电力、毛细管力和范德华力等。冲击力和粉尘颗粒自身的重力都是阻碍粉尘颗粒发生运动的力，只有当拖曳力与上升力之和大于冲击力和粉尘颗粒重力之和时，才会发生粉尘排放的现象。

2.2 煤炭粉尘的产生过程

2.2.1 堆存状态下煤炭粉尘的产生过程

处于露天堆放的煤炭料堆，其煤炭颗粒受到堆场内流动的风力影响，当风速达到其临界风速时，煤炭料堆上个别位置较为突出的煤炭颗粒会因受到空气湍流的影响发生振动或前后摇摆，但此时的煤炭颗粒并未离开其固有位置。而当风速持续增大时，一旦超越临界风速之后，煤炭颗粒的振动幅度和趋势也会变强，当拖曳力和升力增大到可以使煤炭颗粒克服自身重力的影响时，其产生的力矩会导致一些处于不稳定状态的煤炭颗粒首先沿着堆料表面发生滚动或滑动。而堆料群中其他小粒子由于其在湍流状态下具有较好的跟随性，从而也呈现飘浮状态，此时由于空气的带动，煤炭颗粒会随着气流一起发生运动。由于煤炭颗粒几何形状及其所处位置的随机性，其所受力也呈现出一定的不可预见性。在其随空气移动过程中，粒径较大煤炭尘颗粒，其对应的惯性较大，在获得初始的动能后，并不会跟随空气一起运动，而是沿着自身固有的运动轨迹，在空中进行一段时间的平移运动。当这部分颗粒遇到凸起的粉尘颗粒或与其他粉尘颗粒发生碰撞时，会继续获得一定的冲力。获得冲力的粉尘颗粒就会立即改变其固有的运动方式，从横向的水平运动转变为纵向的垂直运动，并随空气移动一定距离后缓慢地降落下来。研究总结静止状态下的煤炭粉尘的产生和排放规律，有助于为煤炭堆存管理和防尘治尘工作。

2.2.2 转运状态下煤炭粉尘的产生过程

煤炭在装卸转运过程中，产生的粉尘排放量大大超过堆存静止状态下的排放量，是煤炭港口粉尘产生和排放的主要原因，本文仅以煤炭装船过程为例进行简述。在装船作业的时候，取料机的轮斗在煤炭料堆上将煤炭取至臂架皮带机上，经过取料机中心漏斗进入地面输送带上；物料经过地面输送带系统平移运输及转接塔的改变角度转运，最终到达装船机的臂架皮带机上，再顺着装船机的溜筒落进船舱内，完成煤炭的装船任务。

在取料时，取料机轮斗切削料堆，煤炭颗粒会发生剧烈的移动、碰撞或者破裂等情况，此时产生大量的煤尘微粒排放到环境空气中；同时轮斗的转动会搅动料堆周围空气产生空气乱流，为进入空气环境中的煤炭粉尘提供了蔓延和扩散的有利条件，加大了粉尘排放量。煤炭在单机臂架皮带机和转接塔直接转运时，其下落距离一般超过10 m，冲击力极大，煤炭颗粒在剧烈的撞击下破碎成小颗粒飞散至空气中，产生粉尘排放造成污染。同时，煤炭在经过地面输送带系统转运时，若输送带出现跑偏，会导致煤炭大量撒漏，产生一定量的粉尘排放；而且在清理、转运这些撒漏的物料时，还会产生二次扬尘，进一步加大粉尘排放量。

在装船时，煤炭颗粒的碰撞和破裂程度更加剧烈，曹妃甸工业区六加煤码头装船机共计8 台，起步装船机设计能力为6000 t/h，续建装船机设计能力为6500 t/h，设计作业流量大，配套皮带机运行速率快，给大量煤炭颗粒很大的初始动量，煤炭在装船机溜筒及抛料铲处发生猛烈的碰撞，煤炭颗粒破碎产生粉尘。在装船作业时，煤炭由装船机上的悬臂皮带机顺着溜筒下落到船舱里，最大垂直落差20.5 m，由于落差大，下落时间长，煤炭颗粒受到环境中风力作用影响时间长，加大了煤炭粉尘的排放量。煤炭在下落的过程中动量进一步增大，当落至船舱内时，产生的冲击强度极大，加剧了粒度较小的煤炭颗粒的产生并扩散至空气中，加上海边的风速通常较大，一般时候都大于煤炭颗粒的起尘初始速度，因此煤炭粉尘很容易被风吹散到空气中并且扩散到较远的距离，导致煤炭粉尘大量排放，造成严重的粉尘污染。

3 煤炭港口粉尘排放量的测算方法

由于煤炭粉尘的产生和排放既有自然因素导致，也有人为因素干涉，涉及可变因素很多，因此其排放量的计算也是一项十分复杂的工作。为使排放量的计算较为准确，尽量符合实际情况，可以将排放的煤炭粉尘分为作业性粉尘和非作业性粉尘两部分来计算。作业性粉尘为煤炭在装卸转运作业期间所排出的粉尘，而非作业性粉尘为在堆场内储存过程中，受自然风力和环境温度所排出的粉尘量，两部分之和可视为总排放量。其中非作业性粉尘可以根据相关风动试验的经验公式来计算，具体的公式为：

其中，Qp为物料堆起尘量，K 为经验系数，与物料含水量有关，一般取值，0.96，u 为物料场平均风速，u0为料尘的启动速度，一般取3，W 为料尘表面含水率，p 为物料场年堆煤量。

而对于作业性粉尘的计算来说，由于人为影响因素较多，例如作业设备、流程的选取，设备作业角度和流量的变化，环保设备的性能，作业的煤炭种类等，难以确定统一的计算公式。因此通常可以将装卸过程中粉尘的排放量与作业道路处的粉尘排放量分开进行计算。装卸过程中的粉尘的排放量与装卸高度、含水量、风速、装卸方式等有关，一般的排放量经验公式为：

其中，Q 为装卸起尘量，u 为装卸平均风速，H 为作业落差高度。

4 煤炭港口粉尘治理措施

目前，煤炭港口为了降低粉尘污染，针对堆存状态下产生的煤炭粉尘一般采用防风抑尘网措施，其投资耗费相当大，对其进行优化改进，也缺乏相应的技术支持。针对装卸作业中产生的煤炭粉尘，一般采用洒水的方式降低粉尘污染，但是对北方港口来说，冬季洒水过量容易在设备和船舶甲板结冰，导致人员摔倒受伤，带来安全隐患。

曹妃甸港针对煤炭粉尘治理采取的措施基本等同上述措施，但为解决上述措施的不足之处，做出了以下改进：针对防风抑尘网无法阻隔上方来风、抑尘效果差的问题，建造条形仓，将堆场密封起来，彻底隔绝堆场内空气与外界空气的流动，减少风力扰动产生的粉尘排放。

针对堆场内堆存的易起尘、自燃的煤炭料堆，堆料时就按比例混入抑尘剂和阻燃剂；定期定量喷洒抑尘剂和阻燃剂，防止其起尘、自燃；同时加强货运计划管理，在尽量短的时间内将相关煤炭转运出港，减少易起尘煤炭在港堆存时间，通过生产部门和业务部门的共同努力，可以有效减少因自然风吹、煤炭自燃等因素产生的煤炭粉尘排放量。

结合本文提到的洒水抑尘原理，在煤炭的转运过程中，做到了全流程的精细洒水控制，将传统粗放大量的洒水改为精细化微雾洒水，在显著减少洒水量的同时保证洒水抑尘效果。具体做法是：在取料机斗轮处安装微雾洒水系统，安装雾炮，增加斗轮附近空气湿度，减少煤炭粉尘的滞空时间；安装雾炮，将轮斗取料扬起的煤炭粉尘吹到料堆上，定向定量控制取料区域的风向和风速，减少空气湍流、乱流等不受控因素对粉尘的扩散作用，如图1 所示。在煤炭在转接塔内转运时，在转接漏斗的入口处和出口处均安装微雾洒水管路，防止煤炭粉尘扩散，同时在出口处安装负压集尘器，收集躲过洒水系统的煤炭微粒，提高降尘效果，减少粉尘排放量。

图1 取料机洒水抑尘系统工艺流程图

在装船机溜筒平台处加装3 门雾炮（图2），雾炮在溜筒周围平均分布，雾炮喷雾方向对准船舱和抛料铲。在作业过程中，3门雾炮共同对准起尘点，将富含微小水滴的雾气向船舱里吹送，使雾滴具有足够的动能穿透粉尘，能给雾气一定的速度与煤尘加速混合，且混合而成的颗粒团会随着雾炮风向的作用落到到船舱里，减少海边强风对煤炭粉尘的扩散作用。

图2 装船机溜筒平台安装雾炮

针对输送带系统跑偏撒漏产生的粉尘排放，在皮带机系统安装自动调偏托辊组，设计安装自动调偏装置，安装曲线导料溜槽，安装密封性能更好的防溢裙板，通过上述一系列措施，极大地减少了煤尘在输送带系统处的排放量。针对冬季天气寒冷，洒水系统结冰问题，研发装船机全自动上水系统和保温伴热系统，保证装船作业的全年无间断洒水，做到了绿色环保生产。

5 结束语

目前我国部分的煤炭港口、码头对于煤炭的堆存和转运仍以露天式的粗放型管理为主，国家对于煤炭港口粉尘的排放测算和治理也缺乏权威科学的标准。这就导致相关部门对于煤炭港口粉尘污染的监管达不到应有的效果。这些问题必须通过制定严格的粉尘排放标准、操作规范和设计技术规程来解决，而这些工作都需要通过加强煤炭港口粉尘排放问题的测算工作来实现。本文借鉴相关研究者的研究成果，通过现场调查与实地检测相结合的方式，对煤炭的装卸、堆存和运输情况进行分析，采用科学的模型对不同条件下煤炭粉尘的起尘量及颗粒物的扩散规律进行拟合，采取适当措施有效地控制煤炭粉尘的排放量，同时为各级环保部门制定相关政策提供理论依据。