煤场扬尘污染机理及治理技术研究

摘 要：由于煤炭拥有颗粒细小且松散的物理特性，在煤场储存使用的过程中会产生大量扬尘，因此，为减少对环境的影响，保护生态环境，本文对煤场扬尘污染机理及治理技术进行研究。在深入分析煤场扬尘污染的物理和化学机理的基础上，设计了喷洒纳米纤维素抑尘剂治理煤场扬尘污染的方法，该方法通过设计PLC控制程序，控制安装的洒水喷淋设备向煤场均匀喷洒混合纳米纤维素抑尘剂，以完成煤场扬尘污染治理工作。结果表明，经过治理后，扬尘浓度最大为70μg/m3，符合国家环保标准，说明该研究可显著降低空气中的颗粒物含量，改善煤场的环境污染。

关键词：煤场；扬尘污染；污染机理；污染治理；PLC控制；纳米纤维素

中图分类号：X 513" " 文献标志码：A

煤场在煤炭的储存、转运和装卸过程中，往往会产生大量的扬尘，这些扬尘不仅影响了煤场的正常运营，也对周边环境和人体健康造成了严重的危害[1]。因此，深入研究煤场扬尘污染机理及治理技术，对改善环境质量、保障人民健康具有重要意义。针对煤场扬尘污染问题，国内外学者已经开展了大量的研究工作，并提出了多种治理技术和方法。崔婷婷[2]通过建立挡风抑尘墙来治理煤场扬尘污染。该方法不仅可以显著降低煤场产生的粉尘污染，而且有效改善周边地区的空气质量，还能美化周边地区的景观效果，提升整体环境品质。但防风抑尘墙的建设需要投入一定的资金，一些小型煤场难以承担较高的初始投资。龙军等[3]使用防风抑尘网治理煤场扬尘污染。防风抑尘网通常由耐候性好的材料制成，能够抵抗风吹日晒和雨淋等自然因素的侵蚀，具有较长的使用寿命。但其效果受到风向和风速的影响。在风力较大的情况下，部分粉尘仍然可能从网眼中逸散出来。

因此，基于上述研究，综合考虑煤场的环境条件、煤炭的物理特性以及治理技术的经济性和可行性等因素，展开煤场扬尘污染机理及治理技术研究。

1 煤场扬尘污染机理分析

1.1 物理机理

物理机理作为煤场扬尘污染的主要机理，主要分为动态扬尘和静态扬尘[4-5]。动态扬尘主要发生在煤炭的装卸和运输过程中，铲车、输送带等机械设备的运动会强烈扰动煤堆，导致煤堆表面的煤尘颗粒被扬起。尤其是在机械设备与煤堆表面直接接触的过程中，强烈的冲击和振动会使煤尘颗粒更容易脱离煤堆，形成扬尘。

静态扬尘的产生受煤堆表面干燥程度、颗粒大小和形状等物理特性的影响，这些特性会在风速增大到一定程度时，使煤堆表面的煤尘颗粒脱离煤堆，进而形成扬尘。由于风力是煤场静态扬尘污染的主要驱动力，风速的大小直接决定了扬尘的强度和范围，在分析煤场扬尘污染物理机理的过程中，需要对起尘强度A和环境风速之间的关系进行计算，如公式（1）所示。

A=∂（b-b0）c （1）

式中：∂为与粒度分布有关的系数；c为大于1.2的指数；b和b0分别为环境风速和扬尘颗粒的起动风速。

根据公式（1）可以看出，煤堆起尘强度与环境风速之间成正比，风速越大，煤尘颗粒受到的向上迁移的动力也越大，更容易克服颗粒自身的重力、颗粒之间的摩擦力和其他阻碍颗粒迁移的外力，导致更多的煤尘颗粒被扬起，形成更大的起尘强度。

1.2 化学机理

虽然煤场扬尘污染主要受到物理因素的影响，但在部分情况中，化学机理也影响了煤场的扬尘污染程度。煤尘颗粒中含有多种化学物质，例如硫、氮、重金属等，这些物质在空气中会发生化学反应，形成二次污染物[6]。将煤场扬尘污染中主要化学组分及其可能的化学反应和潜在影响进行整理，见表1。

2 煤场扬尘污染治理设计

基于上述煤场扬尘污染机理分析，综合考虑煤场的环境条件、煤炭的物理特性以及治理技术的经济性和可行性等因素，本文采用纳米纤维素抑尘剂治理煤场扬尘污染，在解决上述成本高、环境影响大和移动困难等问题的基础上，快速降低空气中的粉尘浓度，实现了煤场扬尘污染的有效控制和治理。同时，该方法具有良好的生物相容性和可降解性，不会对环境造成二次污染。混合纳米纤维素抑尘剂形成的保护膜具有一定的持久性，能够长时间保持其抑尘效果，在喷洒一次后，可以持续数周甚至数月的时间，有效地减少频繁喷洒的需求和成本，长期内实现提高成本效益的目标。与此同时，在实现的过程中，设计PLC控制程序，控制安装的洒水喷淋设备向煤场均匀喷洒混合纳米纤维素抑尘剂，以此完成煤场扬尘污染治理工作。其中，PLC（可编程逻辑控制器）控制技术的应用，使洒水喷淋设备的操作更智能化和精准化。通过设计特定的控制程序，PLC能够精确控制每个喷洒水枪头的开关，实现均匀喷洒，确保抑尘剂在煤场上的均匀分布，进一步提高抑尘效果。且结合PLC控制技术的洒水喷淋设备，能够实现自动化、智能化的操作，减少人工干预，提高工作效率。同时，这种操作模式还能够根据煤场扬尘的实际情况，灵活调整喷洒参数，实现更精准的扬尘控制效果。

2.1 制备混合纳米纤维素抑尘剂

本文在煤场扬尘污染治理设计中选择了喷洒混合纳米纤维素抑尘剂治理的方法，该方法的混合纳米纤维素抑尘剂制备主要材料为白果。将白果剥皮去肉后，留下白果果核，并使用JK-88型号的数控超声波清洗器对其进行清洗。同时准备氢氧化钠溶液、无水乙醇和硝酸溶液等化学纯级别的实验试剂，借助HJ-A4型号的温水浴锅和KLG-9020A型号的电热恒温鼓风干燥箱等机械设备对清洗后的白果果核的纤维素进行热处理，使其结构发生变化，提高纤维素的结晶度和稳定性，以此完成白果壳纤维素的钝化。完成钝化后，需要通过球磨机械将其转化为纳米级颗粒。为了确保抑尘剂的性能稳定且符合使用要求，需要将聚丙烯酰胺、氯化钙、稳定剂、分散剂和白果壳纤维素以1∶1.5∶0.8∶1.5∶7的比例混合调配成混合纳米纤维素抑尘剂。

调配好的纳米纤维素抑尘剂灌装包装后，需要进行必要的检测，以确保质量。采集煤场的土壤作为检测土壤，并将其放置在恒温恒湿保温箱中，调整保湿箱湿度为50%。将调配好的纳米纤维素抑尘剂喷洒在检测土壤上，每隔2h进行一次称重，根据测量数据计算土壤的保水率D，如公式（2）所示。

式中：lt、l0和l1分别为在t时刻、喷洒纳米纤维素抑尘剂前、后的土体质量。

经过测试后，当纳米纤维素抑尘剂的保水率超过80%时，纳米纤维素抑尘剂的扬尘污染治理效果可以得到充分保障[7]，此时的抑制剂可以运输到煤场进行大面积的喷洒作业。

2.2 设计PLC自动喷洒控制程序

为了满足煤场扬尘污染治理的智能喷洒需求，本文设计了PLC自动喷洒控制程序，通过传感器实时监测煤场现场的扬尘情况，并根据监测数据自动调整喷洒策略，从而实现更高效、更精确的扬尘治理。PLC自动控制喷淋系统结构图如图1所示。

对传感器采集的数据进行降噪、滤波处理后，输入PLC自动控制喷淋系统中，PLC系统会根据颗粒物浓度、风速、风向等参数，评估当前煤场的扬尘等级和扩散趋势，并根据扬尘监测结果自动制定喷洒策略。一旦PLC系统分析信号发现煤场扬尘浓度有增高迹象，会迅速控制喷洒泵启动，并控制喷淋。

在喷洒作业中，喷嘴的高度和角度是影响喷洒效果的关键因素。如果喷嘴的高度和角度设置不当，就可能会导致喷洒不均匀，甚至无法覆盖到扬尘的主要来源[8]。为了解决这一问题，PLC自动控制系统会根据实时监测的扬尘情况，自动计算最佳的喷嘴高度和角度。此时PLC自动控制系统会通过变频器控制升降电动机，使喷嘴上升到合适的高度，同时PLC还会通过电磁阀控制旋转电动机，使喷嘴旋转到预定的角度，以此保证喷洒过程中确保均匀覆盖。

2.3 安装使用喷淋设备

完成混合纳米纤维素抑尘剂制备和PLC控制程序设计后，需要在煤场安装喷淋设备。根据图纸要求，将刷过一遍防锈漆的型钢和板材在工厂进行机械切割，确保切割面平整、光滑，没有毛刺和裂缝，同时在此过程中需要保证切割区域表面的铁锈、污物等已经清除清除干净。

喷淋设备安装定位需要考虑煤场的取煤方式、供水管路的布局以及周边环境等因素，确保在取煤过程中煤堆能够得到均匀的喷淋。同时保证供水管路的压力、流量等参数可以支持喷淋设备正常工作。

将预制的支架运输到现场，按照设计的设备定位安装干管、立管、分层干支管。同时，为了保证管道系统的完整性和可靠性，需要对管道进行试压和冲洗。按照设计要求进行压力测试，确保管道无泄漏并使用清水冲洗至管道内无杂质后，居中安装喷头。

喷头安装完成后，需要进行通水调试，检查喷头是否喷水均匀，有无堵塞、渗漏现象。确保设备工作无误后，即可利用预先设计好的PLC控制程序，实现对洒水喷淋设备的精确操控。通过智能化的控制，均匀、有效地喷洒混合纳米纤维素抑尘剂，从而达到煤场扬尘污染治理的目标。

3 实例分析

3.1 工程概况

本次煤场扬尘污染机理及治理技术研究选择某省K煤矿有限责任公司的露天式储煤场作为实例。该煤场距离高速公路8km，大致呈长方形布局，长260m，宽120m，总面积约31200m2。煤场中心横贯1条输煤皮带，用于煤炭的传输。煤场的东侧设有1条宽度约8m的运煤通道，供煤炭运输车辆进出。此外，煤矿的煤仓和输煤走廊位于煤场的南部，为煤炭的存储和运输提供了便利。煤场内煤堆的最高高度达到了约10m，该厂原煤每年可处理150万t气煤，其煤质特性表现为灰分含量为30%～50%，而硫分含量则严格控制在2.0%以下。

在煤场的煤堆顶部、煤堆周边、运输通道处分别布置2个检测点。每天08：00使用颗粒物浓度监测仪对各个监测点的扬尘浓度进行一次检测，并计算平均值。持续监测一周，同时记录风速、风向等气象数据，具体测试使用仪器参数和扬尘浓度、气象数据结果见表2和表3。

分析表2可以发现，该煤场在治理前扬尘污染严重，且在无降水的情况下，扬尘量和风速成正比。根据现场情况，对煤场进行纳米纤维素抑尘剂治理，使用和治理前相同的检测工具，每天08：00对各个监测点的扬尘浓度进行一次测试，并计算平均值，同样持续测试一周。

3.2 煤场扬尘污染治理效果分析

治理后的露天式储煤场扬尘浓度以及气象数据见表4。

根据表4可知，经过纳米纤维素抑尘剂喷洒治理后的露天式储煤场治理后扬尘浓度明显降低。根据国家标准，煤场粉尘浓度不得超过75μg/m3，经过治理后，扬尘浓度最大为70μg/m3，符合国家环保标准。证明纳米纤维素抑尘剂能够有效地吸附和固定空气中的颗粒物，从而降低扬尘浓度，显著改善空气质量。从环境保护的角度来看，治理后的煤场减少了空气中的颗粒物含量，提升了空气质量，周边居民的生活环境将得到显著改善，减少因空气污染导致的健康问题。同时，通过降低扬尘浓度，可以减少因扬尘污染而引发的环境罚款和赔偿费用，降低企业的运营成本，提高企业形象和品牌价值，增强企业的市场竞争力。

基于上述测试，为进一步验证所提方法的应用效果，对其治理的效率进行测试。在此过程中，记录开始运行到治理结束的时间。统计整个治理过程的耗时，见表5。

根据表5可知，采用所提方法进行煤场扬尘污染治理时，可有效缩短治理耗时，提高煤场扬尘污染治理效率。在5种场景下，所提方法的治理时长均比预期治理耗时短，在50min以下。由此可说明，所提方法具有较高的治理效率，可加快煤场扬尘污染治理速度。所提方法在治理的过程中结合了PLC控制技术，PLC控制技术以其高度的自动化和智能化特性使洒水喷淋设备能够按照预设的程序进行精确操作，无须过多人工干预。不仅提高了工作效率，还确保了治理过程的稳定性和可靠性。综上所述，所提方法通过结合纳米纤维素抑尘剂和PLC控制技术，实现了对煤场扬尘污染进行高效治理的目标。不仅在治理效果上表现出色，而且在治理耗时上也展现出了极高的效率。

4 结语

对煤场扬尘污染机理及治理技术的研究显著减少了空气中的粉尘浓度，减少土壤和水源的污染，降低对环境的污染程度。解决了制约煤炭行业的可持续发展的原因之一，提高了煤炭资源的利用率，降低生产成本，促进煤炭行业的健康发展。在未来的煤场扬尘治理研究中，将通过物联网、大数据等技术，配合更多具有更好防尘效果、更低环境影响的碳纤维复合材料、生物基材料等新型环保材料，用于煤场的防尘和抑尘，实现对煤场扬尘的实时监测和预警，根据实时数据自动调整防尘措施。

参考文献

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