陳勝波 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

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國外工程技術

粉塵控制新技術的研究與應用

陳勝波 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

對于處理和加工“粉狀”松散物料的行業(yè)來說，可持續(xù)運營和發(fā)展正面臨著不斷增加的困難和挑戰(zhàn)(例如，環(huán)境和工廠的粉塵排放、社會和文化的影響、經濟)。大部分現(xiàn)有粉塵控制措施僅處理粉塵產生的“癥狀”，而不是從根本上解決問題。從控制粉塵排放的角度講，這些措施的效果也不理想(除塵是一種最常用的粉塵控制形式，但同時也是一種效率最低的收集或控制粉塵的方法)。

本文首先總結了現(xiàn)有的各種粉塵控制方法以及部分方法的特點、優(yōu)勢和劣勢。隨后，將描述部分正在研究、開發(fā)和應用的新技術，這些新技術通過追蹤分散性或含塵量，粉塵產生機制以及加工和處理的要求等，將粉塵排放控制到最低。本文也將展示以下研究的部分成果：

(1)量化松散物料含塵量或分散性方法的比較與評估(采用圓筒含塵量測試器及相應標準)

(2)高能干霧技術的開發(fā)與實施(用于抑制空氣中的粉塵)

(3)空氣和粉塵產生的機制，包括建模和計算機模擬

隨著對粉塵產生機制以及對松散物料含塵量了解的深入，有可能在設計，故障排除以及更有效地應用粉塵控制技術方面實現(xiàn)跨越式的進步。

粉塵； 含塵量； 測試； 建模； DEM； 高能干霧技術

1 簡介

松散物料的開采與加工產生的分散性粉塵的排放正在給工業(yè)，社會和政府帶來越來越多的問題。例如：

(1)有價物料的損失和出口收入減少。

(2)工廠粉塵排放不斷增加。

(3)工業(yè)直接成本不斷上升：如粉塵監(jiān)控/測試；控制，維修和清掃工作；零部件提前損耗；生產/工廠停工；罰款和預防條例；項目被否決(如新的采礦申請)。

(4)環(huán)境空氣質量惡化以及工人和周邊社區(qū)人員健康狀況惡化。

(5)居民投訴(如粉塵落入社區(qū)及社區(qū)房屋上)。

(6)在公路/鐵路沿線，在破碎站、卸料漏斗周圍，在輸送機下面形成一層粉塵，之后又脫落。

(7)為保護健康和環(huán)境，管理者制定更加嚴格的空氣質量指標，需要更多復雜的控制和檢測手段。

(8)采礦和加工作業(yè)、以及散料轉運基礎設施與居民區(qū)交叉重合不斷增加。

(9)為了處理上述問題，政府職能、司法及法律工作等不斷增加(如新部門、新法案、新規(guī)定)。

隨著松散物料采礦、加工作業(yè)數(shù)量的增加，特別是由于產品粒度變得更細，上述問題更加惡化?？刂品稚⑿苑蹓m排放的常用(傳統(tǒng))方法包括：

一般性通風(即稀釋空氣中的粉塵濃度)；

密閉(通常采用整體過濾)；

“推- 拉”系統(tǒng)(采用“氣刀”或“氣幕”概念)

抑制粉塵的表面處理，(通過水、化學品、添加劑或泡沫)對鐵路車箱、卡車、堆存的貨品在其暴露的表面進行“密封”；

噴水或噴霧系統(tǒng)，以抑制空氣中的粉塵顆粒；

粉塵凝聚(通過電離或超聲)；

就地排氣通風(LEV)，也就是通過過濾進行除塵；

風障或擴散(如樹、墻、網)；

植被(如草，灌木)幫助捕集/固定粉塵，在大而平的區(qū)域內將空中的粉塵擴散降到最低。

這些粉塵控制措施中的大部分僅處理粉塵產生的“癥狀”，被認為是“保護性”方法(即，這些措施沒有從根本上解決問題)。從控制分散性粉塵排放的角度講，部分措施的效果也不理想。例如：

(1)就地排氣通風需要抽吸/真空氣流，捕集空氣中粉塵的效果不太理想， 如圖1所示的排氣(控制)速度在離開防護罩時會迅速降低；

(2)傳統(tǒng)的噴水/霧化系統(tǒng)噴嘴在處理較細粉塵時效果不理想，源于氣流和外部干擾因素，如側風；

(3)當處理過的貨品表面破裂或受損時，需要重新處理抑制粉塵的表層(如，卡車和鐵路車箱裝卸，筑堆和卸堆)。

圖1 簡單排氣罩的速度等高線：(a)平口管； (b)帶法蘭平口管

以下幾點已被確定是部分分散性粉塵排放的主要原因或“麻煩制造者”：原礦漏斗；卡車/鐵路卸料站卸料漏斗；筑堆機/卸堆機；輸送機和溜槽；破碎站；露天礦運輸?shù)缆?，卡車在道路上不斷產生/揚起細粉塵，后者很容易隨側風擴散開來。

為了在了解和解決工業(yè)分散性粉塵排放的問題方面取得“跨越”式進步，需要進行更多的基礎研究工作以找到上述問題的解決辦法。本文對伍倫崗大學(University of Wollongong)為此所做的部分研究及開發(fā)的新技術進行了總結。

2 含塵量或分散性

對問題進行量化是設計或解決粉塵控制系統(tǒng)問題重要的初始步驟。能夠用于量化松散物料含塵量的標準有：AS4156.6(2000)，最初用于煤炭領域；I.S.EN15051(2006)，適用于更多種類的松散物料。圖2顯示了基于上述兩個標準的兩種不同的轉筒式含塵量測試器，以及正在進行測試的部分物料：左邊的AS4156.6(2000)測試器內為干沙，右邊的I.S.EN15051(2006)測試器內為干鐵礦。用兩個標準進行測試確定了可能會影響兩種圓筒測試結果的精確度和正確性的某些關鍵區(qū)別。表1總結了這些關鍵的區(qū)別。從圖2可以看出，每個測試器所需物料的數(shù)量差別很大(例如1 000 mL對35 mL)。這將影響粉塵收集的數(shù)量。試驗持續(xù)時間，旋轉速度和除塵氣流的不同也將影響粉塵產生/收集的數(shù)量。

表1 現(xiàn)有轉筒測試規(guī)范的對比

圖2 轉筒含塵量測試器：AS4156.6(2000) (左)；I.S.EN15051(2006)(右)

每個標準的總體目的或關注點也有根本性差異。AS4156.6(2000)主要解決粉塵/濕度的關系，以及如何確定某種特殊松散物料的粉塵消滅濕度(DEM)。算式(1)用于確定試驗中某一特定濕度下的粉塵數(shù)量(含塵量)。不同濕度下的粉塵數(shù)量繪制在圖3所示的對數(shù)線性圖中。AS4156.6(2000)描述了對數(shù)趨勢線如何與數(shù)據相吻合，并且用于確定物料的DEM。DEM被定義為粉塵數(shù)量為10時的濕度。

粉塵數(shù)量=(粉塵質量，g)×

105/(轉筒內放置的樣品質量，g)

(1)

圖3顯示根據煤的種類不同，煤炭的DEM變化會很大，從5.8%到26.2%(濕基)，并且粉塵/濕度關系的斜率或是較陡，或是較平緩。這些數(shù)據和趨勢對于粉塵控制效率會有很大影響。

圖3 幾種澳大利亞煤的粉塵/濕度曲線，粉塵 消滅濕度=5.8%～26.2%(濕基) (AS4156.6，2000)

I.S.EN15051(2006)注重于對工廠排放的某個特定粉末樣品的含塵量或分散性進行測定和分類，以可吸入胸部和呼吸道的粉塵的質量分數(shù)為基礎。如果可吸入粉塵質量分數(shù)(IDMF)顯示大于5 000 mg/kg，那么粉末樣品的含塵量就歸類為“高”。雖然在I.S.EN15051(2006)中沒有描述，粉塵/濕度關系也可以通過簡單反復地進行不同濕度的測試來確定。算式(2)可用于計算這兩個標準間的定量關系。

I.S.EN15051(2006)=10×

粉塵數(shù)量(AS4156.6，2000)

(2)

截止目前已進行的研究，確定有些問題可能是目前這兩個轉筒測試的局限或錯誤原因。兩個潛在的重要問題總結如下。

AS4156.6(2000)規(guī)定的粉塵/濕度指數(shù)曲線不一定適用于所有的松散物料，并且可能會形成如圖4所示的誤導結果。根據AS4156.6(2000)所采用的方法，這一物料的DEM確定為12%(濕基)，然而，根據平滑趨勢線，DEM應為11%(濕基)。總之，后一種更接近于準確，更能代表松散物料的情況。

當濕度接近于DEM時，兩個轉筒內側均能看到一些產品附著(見圖5)。這類附著預計會對結果產生明顯影響。

圖4 采用不同曲線擬合方法的礦石粉塵/濕度 關系：基于AS4156.6(2000)的指數(shù) 曲線和平滑趨勢曲線

為了調查兩種標準可能的區(qū)別， 已經開展“平行”試驗。圖6中的示例是用鐵礦石進行試驗獲得的一些典型結果。圖6所示的粉塵消滅濕度結果差異(也就是根據AS4156.6 DEM=5.2%(濕基)，根據I.S.EN15051 DEM為3.8%(濕基))表明，控制粉塵所需的濕度存在著明顯差別。

對含塵量測試的一些可能的關鍵改進措施也進行了研究，例如：

收集全部粉塵樣品并確定其粒度分布(PSD)，這樣，就可以確定可吸入胸部和呼吸道粉塵的質量分數(shù)。

重新設計除塵室、輸送管道以避免粉塵沉積。

通過在每個轉筒內進行氣流模擬建模，研究系統(tǒng)對耦合DE- CFD(離散元素- 計算流體動力學)可能產生的影響。

為了開發(fā)一種可靠實用的含塵量測試器，已經進行了上述這些改進，使測試器能適用于典型的松散物料樣品，且沒有任何系統(tǒng)性誤差或依賴操作者。

圖5 (a)8.1%濕基(DEM=11%濕基)礦石 含塵量測試； (b)1.6%濕基(DEM=2.8%濕基)精礦含塵測試

圖6 基于AS4156.6(2000)和I.S.EN15051 (2006)的礦石含塵量和DEM

3 高能干霧技術

為了使噴水或噴霧系統(tǒng)在控制/抑制空氣中粉塵效果理想，霧化效率和能量應與產出流速，工藝驅動氣流，以及任何外部干擾如側風，移動設備或障礙物等相適應。其他需要考慮的因素包括：

粉塵粒度分布和濃度；

水滴粒度分布；噴嘴設計(例如空氣- 水；僅用水)；

水質(例如化學成分，雜質)；

粉塵顆粒和空氣(包括陣風)的慣性和動量；

水滴的慣性和動量；

氣混水滴動態(tài)“平衡”；

方位(如工廠平面布置；面積)。

從霧簾效率研究中獲得的部分結果見圖7和圖8。該工作是與Enviromist有限公司共同進行的，以解決工業(yè)中的粉塵難題，如運輸機，破碎站，堆料/卸料機，軌道反斗車、裝載車等。

圖7 新型Enviromist高能干霧噴嘴特點及模型

圖8 新型Enviromist噴嘴水滴粒度分布

4 粉塵產生機制

理解粉塵產生機制并進行建模，將大大有助于從根本上解決分散性粉塵排放的問題。這也將有助于對某個產品和應用所需的粉塵控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，并將最終的規(guī)模和成本降到最低。圖9中描述的問題，已經從試驗、理論和數(shù)值模擬方面進行了研究。圖9中所示的控制量要比容器內產生的空氣總量更大(否則，含塵空氣會從容器進口被擠出)。其他分散性粉塵排放源可能包括由于如下原因從主產品線上脫離的粉塵：邊界層湍流和渦流；側風效應。

圖9 松散物料自由落體時產生的氣流和粉塵

容器內“產生”的總空氣量包括：從漏斗出口處進入的產品排放的間隙空氣(由于漏斗內空隙度擴大)；物料流動拽入的空氣(被視為引風)；夾帶空氣(由于松散物料自由落體進料時空隙度擴大)；排出空氣(由于顆粒進入容器內)。

經驗和研究發(fā)現(xiàn)，夾帶空氣是其中最主要的，即便在落差相對較小時也是如此。例如，Cooper 和 Wypych (2001)發(fā)現(xiàn)，夾帶空氣與因落差升高的能

量是成比例的，即n=5/3。有意思的是CEMA(2007)為夾帶空氣(引風)提出了一個等式，協(xié)助進行輸送機粉塵控制系統(tǒng)設計。該等式可以簡單地表示落差指數(shù)，n=2/3。這意味著，落差翻倍將會導致夾帶空氣量(及相應的控制體積)增加60%。然而，根據試驗證實, 落差翻倍實際將會導致夾帶空氣增加220%(而不是60%)。因此可以看出，CEMA(2007)明顯低估落差對夾帶空氣的影響(以及有效控制粉塵所需的控制體積)。

5 離散元素(DE)模擬建模

上世紀70年代以來，離散元素(DE)模擬建模已成為廣泛的研究課題。Grima和Wypych(2011)最近同時開發(fā)了新驗證校準技術(見圖10)和DEM解決方案。這有利于應用DE模擬技術設計和解決“動態(tài)”松散物料的應用問題，例如輸送機，溜槽，篩子等。不僅可對“全流程”的產品物流(見圖11)，也可對氣流和粉塵流向建模，以幫助從源頭上將粉塵的產生降到最低(也就是說，對準問題的根源)。

圖10 驗證校準技術流程圖

圖11 采用校準物料模型的輸送機轉運 總體DE模擬

這種新的“全局”或“總體解決方案”式的建?；蛟O計方法的目的，是為了實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)作業(yè)，同時使粉塵的產生和排放最小，同時含塵氣流更容易保持在運輸機/溜槽罩內，且顆粒的影響也降到最低。這有助于將后續(xù)各種粉塵控制措施的規(guī)模和成本降到最低。

6 結論

松散物料開采和加工時產生的分散性粉塵排放正在給工業(yè)，社會和政府帶來越來越多的問題。大部分現(xiàn)有粉塵控制措施僅解決灰塵產生的“癥狀”，被認為是“保護性”方法。為了在解決工業(yè)分散性粉塵排放問題方面取得“跨越”式進步，目前正在進

行新技術的研究與開發(fā)，例如：松散物料含塵量的量化和建模；可優(yōu)化以適應不同應用的新霧化抑制系統(tǒng)；對產品物流、氣流和粉塵流的校準/驗證模擬建模，以便量化和對準導致問題的根源。

粉塵控制領域仍需要開展進一步的工作，包括含塵量測試的標準化以及接下來的粉塵消滅濕度確定；持續(xù)不斷的“全顆?！狈蹓m抑制技術的研究與開發(fā)，產品可以在裝上火車或卡車前在礦山就地進行處理；適用于大型應用(例如，原礦漏斗，筑堆/卸堆機，卡車/鐵路卸貨站，運輸?shù)缆?的新型高能霧化技術的研究與開發(fā)；耦合離散元素- 計算流體動力學模型的開發(fā)，該模型可以為設計預測產品物流，氣流和粉塵流。

校對 蘇平

電鍍鎳鐵合金電極助力電解水制氫技術

澳大利亞新南威爾士大學研究人員發(fā)明了一種新型電極，可以低成本、高效率地電解水，有望用于大規(guī)模生產清潔燃料——氫氣。

該技術采用了一種價格低廉、有特殊涂層的泡沫狀材料，能使電解水產生的氧氣氣泡快速逸散，從而提高制取效率。相關論文發(fā)表在近期的英國《自然通訊》雜志上。

研究人員稱，這種電極是迄今在堿性電解質中產氧效率最高的電極。它使用鎳和鐵為原料，成本低廉、容易制造，不像其他電解水技術那樣需要用珍貴的稀有金屬作為催化劑和電極材料。

在電解水的過程中，水在電流作用下被分解成氫氣和氧氣。產氧電極的效率低、成本高、需要消耗大量電力，是電解水制氫實現(xiàn)工業(yè)化生產的主要技術難關之一。

研究人員采用了市面上常見的泡沫鎳，用一種活性很高的鎳鐵合金催化劑對其進行電鍍，制成電極。泡沫鎳材料內部有許多微孔，直徑約200 μm，約為人類頭發(fā)直徑的兩倍。超薄的鎳鐵合金鍍層里面也有大量微孔，直徑約50 nm。

由于鍍層和內部都充滿微孔，新型電極的表面積非常大，有利于電解過程中生成的氧氣的釋放和逸散。氧氣氣泡逸散不夠快，是一個降低電極利用率的普遍問題。

研究人員表示，將進一步研究其中原理、優(yōu)化性能，幫助早日實現(xiàn)低成本制氫。氫的燃燒產物是水，不會產生二氧化碳和其他污染物，是一種清潔高效的能源，如果能大規(guī)模低成本制取，將有助于滿足世界日益增長的能源需求，同時減少污染、遏制全球變暖。

Research and application of new dust control technologies

Translated selectively by CHEN Sheng-bo

This paper summarizes initially the various existing options available for dust control and some of their features, advantages and disadvantages that are being researched, developed and employed to minimized dust emissions by addressing dustability or dustiness, dust generation mechanisms, as well as processing and handling requirements. The paper also presents some results from research being undertaken on the:·comparison and evaluation of methods to quantify the dustiness or dustability of bulk materials;·development and implementation of high-energy dry-fogging technology;·air and dust generation mechanisms, including modeling and computer simulation.

dust； dustability; test； modeling； DEM; high-energy dry-fogging technology

陳勝波(1982—)，男，湖北天門人，碩士，中國恩菲工程技術有限公司外事辦英文翻譯。

2015-- 05-- 10

TD714

B

1672-- 6103(2015)04-- 0001-- 06