摘 要：由于煤炭擁有顆粒細(xì)小且松散的物理特性，在煤場儲(chǔ)存使用的過程中會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，因此，為減少對(duì)環(huán)境的影響，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，本文對(duì)煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理及治理技術(shù)進(jìn)行研究。在深入分析煤場揚(yáng)塵污染的物理和化學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了噴灑納米纖維素抑塵劑治理煤場揚(yáng)塵污染的方法，該方法通過設(shè)計(jì)PLC控制程序，控制安裝的灑水噴淋設(shè)備向煤場均勻噴灑混合納米纖維素抑塵劑，以完成煤場揚(yáng)塵污染治理工作。結(jié)果表明，經(jīng)過治理后，揚(yáng)塵濃度最大為70μg/m3，符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，說明該研究可顯著降低空氣中的顆粒物含量，改善煤場的環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：煤場；揚(yáng)塵污染；污染機(jī)理；污染治理；PLC控制；納米纖維素

中圖分類號(hào)：X 513" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煤場在煤炭的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸過程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵，這些揚(yáng)塵不僅影響了煤場的正常運(yùn)營，也對(duì)周邊環(huán)境和人體健康造成了嚴(yán)重的危害[1]。因此，深入研究煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理及治理技術(shù)，對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量、保障人民健康具有重要意義。針對(duì)煤場揚(yáng)塵污染問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究工作，并提出了多種治理技術(shù)和方法。崔婷婷[2]通過建立擋風(fēng)抑塵墻來治理煤場揚(yáng)塵污染。該方法不僅可以顯著降低煤場產(chǎn)生的粉塵污染，而且有效改善周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量，還能美化周邊地區(qū)的景觀效果，提升整體環(huán)境品質(zhì)。但防風(fēng)抑塵墻的建設(shè)需要投入一定的資金，一些小型煤場難以承擔(dān)較高的初始投資。龍軍等[3]使用防風(fēng)抑塵網(wǎng)治理煤場揚(yáng)塵污染。防風(fēng)抑塵網(wǎng)通常由耐候性好的材料制成，能夠抵抗風(fēng)吹日曬和雨淋等自然因素的侵蝕，具有較長的使用壽命。但其效果受到風(fēng)向和風(fēng)速的影響。在風(fēng)力較大的情況下，部分粉塵仍然可能從網(wǎng)眼中逸散出來。

因此，基于上述研究，綜合考慮煤場的環(huán)境條件、煤炭的物理特性以及治理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性等因素，展開煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理及治理技術(shù)研究。

1 煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理分析

1.1 物理機(jī)理

物理機(jī)理作為煤場揚(yáng)塵污染的主要機(jī)理，主要分為動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵和靜態(tài)揚(yáng)塵[4-5]。動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵主要發(fā)生在煤炭的裝卸和運(yùn)輸過程中，鏟車、輸送帶等機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)會(huì)強(qiáng)烈擾動(dòng)煤堆，導(dǎo)致煤堆表面的煤塵顆粒被揚(yáng)起。尤其是在機(jī)械設(shè)備與煤堆表面直接接觸的過程中，強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)會(huì)使煤塵顆粒更容易脫離煤堆，形成揚(yáng)塵。

靜態(tài)揚(yáng)塵的產(chǎn)生受煤堆表面干燥程度、顆粒大小和形狀等物理特性的影響，這些特性會(huì)在風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，使煤堆表面的煤塵顆粒脫離煤堆，進(jìn)而形成揚(yáng)塵。由于風(fēng)力是煤場靜態(tài)揚(yáng)塵污染的主要驅(qū)動(dòng)力，風(fēng)速的大小直接決定了揚(yáng)塵的強(qiáng)度和范圍，在分析煤場揚(yáng)塵污染物理機(jī)理的過程中，需要對(duì)起塵強(qiáng)度A和環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

A=?（b-b0）c （1）

式中：?為與粒度分布有關(guān)的系數(shù)；c為大于1.2的指數(shù)；b和b0分別為環(huán)境風(fēng)速和揚(yáng)塵顆粒的起動(dòng)風(fēng)速。

根據(jù)公式（1）可以看出，煤堆起塵強(qiáng)度與環(huán)境風(fēng)速之間成正比，風(fēng)速越大，煤塵顆粒受到的向上遷移的動(dòng)力也越大，更容易克服顆粒自身的重力、顆粒之間的摩擦力和其他阻礙顆粒遷移的外力，導(dǎo)致更多的煤塵顆粒被揚(yáng)起，形成更大的起塵強(qiáng)度。

1.2 化學(xué)機(jī)理

雖然煤場揚(yáng)塵污染主要受到物理因素的影響，但在部分情況中，化學(xué)機(jī)理也影響了煤場的揚(yáng)塵污染程度。煤塵顆粒中含有多種化學(xué)物質(zhì)，例如硫、氮、重金屬等，這些物質(zhì)在空氣中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染物[6]。將煤場揚(yáng)塵污染中主要化學(xué)組分及其可能的化學(xué)反應(yīng)和潛在影響進(jìn)行整理，見表1。

2 煤場揚(yáng)塵污染治理設(shè)計(jì)

基于上述煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理分析，綜合考慮煤場的環(huán)境條件、煤炭的物理特性以及治理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性等因素，本文采用納米纖維素抑塵劑治理煤場揚(yáng)塵污染，在解決上述成本高、環(huán)境影響大和移動(dòng)困難等問題的基礎(chǔ)上，快速降低空氣中的粉塵濃度，實(shí)現(xiàn)了煤場揚(yáng)塵污染的有效控制和治理。同時(shí)，該方法具有良好的生物相容性和可降解性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染?；旌霞{米纖維素抑塵劑形成的保護(hù)膜具有一定的持久性，能夠長時(shí)間保持其抑塵效果，在噴灑一次后，可以持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間，有效地減少頻繁噴灑的需求和成本，長期內(nèi)實(shí)現(xiàn)提高成本效益的目標(biāo)。與此同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)的過程中，設(shè)計(jì)PLC控制程序，控制安裝的灑水噴淋設(shè)備向煤場均勻噴灑混合納米纖維素抑塵劑，以此完成煤場揚(yáng)塵污染治理工作。其中，PLC（可編程邏輯控制器）控制技術(shù)的應(yīng)用，使灑水噴淋設(shè)備的操作更智能化和精準(zhǔn)化。通過設(shè)計(jì)特定的控制程序，PLC能夠精確控制每個(gè)噴灑水槍頭的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)均勻噴灑，確保抑塵劑在煤場上的均勻分布，進(jìn)一步提高抑塵效果。且結(jié)合PLC控制技術(shù)的灑水噴淋設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、智能化的操作，減少人工干預(yù)，提高工作效率。同時(shí)，這種操作模式還能夠根據(jù)煤場揚(yáng)塵的實(shí)際情況，靈活調(diào)整噴灑參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的揚(yáng)塵控制效果。

2.1 制備混合納米纖維素抑塵劑

本文在煤場揚(yáng)塵污染治理設(shè)計(jì)中選擇了噴灑混合納米纖維素抑塵劑治理的方法，該方法的混合納米纖維素抑塵劑制備主要材料為白果。將白果剝皮去肉后，留下白果果核，并使用JK-88型號(hào)的數(shù)控超聲波清洗器對(duì)其進(jìn)行清洗。同時(shí)準(zhǔn)備氫氧化鈉溶液、無水乙醇和硝酸溶液等化學(xué)純級(jí)別的實(shí)驗(yàn)試劑，借助HJ-A4型號(hào)的溫水浴鍋和KLG-9020A型號(hào)的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等機(jī)械設(shè)備對(duì)清洗后的白果果核的纖維素進(jìn)行熱處理，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，提高纖維素的結(jié)晶度和穩(wěn)定性，以此完成白果殼纖維素的鈍化。完成鈍化后，需要通過球磨機(jī)械將其轉(zhuǎn)化為納米級(jí)顆粒。為了確保抑塵劑的性能穩(wěn)定且符合使用要求，需要將聚丙烯酰胺、氯化鈣、穩(wěn)定劑、分散劑和白果殼纖維素以1∶1.5∶0.8∶1.5∶7的比例混合調(diào)配成混合納米纖維素抑塵劑。

調(diào)配好的納米纖維素抑塵劑灌裝包裝后，需要進(jìn)行必要的檢測，以確保質(zhì)量。采集煤場的土壤作為檢測土壤，并將其放置在恒溫恒濕保溫箱中，調(diào)整保濕箱濕度為50%。將調(diào)配好的納米纖維素抑塵劑噴灑在檢測土壤上，每隔2h進(jìn)行一次稱重，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算土壤的保水率D，如公式（2）所示。

式中：lt、l0和l1分別為在t時(shí)刻、噴灑納米纖維素抑塵劑前、后的土體質(zhì)量。

經(jīng)過測試后，當(dāng)納米纖維素抑塵劑的保水率超過80%時(shí)，納米纖維素抑塵劑的揚(yáng)塵污染治理效果可以得到充分保障[7]，此時(shí)的抑制劑可以運(yùn)輸?shù)矫簣鲞M(jìn)行大面積的噴灑作業(yè)。

2.2 設(shè)計(jì)PLC自動(dòng)噴灑控制程序

為了滿足煤場揚(yáng)塵污染治理的智能噴灑需求，本文設(shè)計(jì)了PLC自動(dòng)噴灑控制程序，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測煤場現(xiàn)場的揚(yáng)塵情況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整噴灑策略，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的揚(yáng)塵治理。PLC自動(dòng)控制噴淋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、濾波處理后，輸入PLC自動(dòng)控制噴淋系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)顆粒物濃度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，評(píng)估當(dāng)前煤場的揚(yáng)塵等級(jí)和擴(kuò)散趨勢，并根據(jù)揚(yáng)塵監(jiān)測結(jié)果自動(dòng)制定噴灑策略。一旦PLC系統(tǒng)分析信號(hào)發(fā)現(xiàn)煤場揚(yáng)塵濃度有增高跡象，會(huì)迅速控制噴灑泵啟動(dòng)，并控制噴淋。

在噴灑作業(yè)中，噴嘴的高度和角度是影響噴灑效果的關(guān)鍵因素。如果噴嘴的高度和角度設(shè)置不當(dāng)，就可能會(huì)導(dǎo)致噴灑不均勻，甚至無法覆蓋到揚(yáng)塵的主要來源[8]。為了解決這一問題，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的揚(yáng)塵情況，自動(dòng)計(jì)算最佳的噴嘴高度和角度。此時(shí)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)通過變頻器控制升降電動(dòng)機(jī)，使噴嘴上升到合適的高度，同時(shí)PLC還會(huì)通過電磁閥控制旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，使噴嘴旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度，以此保證噴灑過程中確保均勻覆蓋。

2.3 安裝使用噴淋設(shè)備

完成混合納米纖維素抑塵劑制備和PLC控制程序設(shè)計(jì)后，需要在煤場安裝噴淋設(shè)備。根據(jù)圖紙要求，將刷過一遍防銹漆的型鋼和板材在工廠進(jìn)行機(jī)械切割，確保切割面平整、光滑，沒有毛刺和裂縫，同時(shí)在此過程中需要保證切割區(qū)域表面的鐵銹、污物等已經(jīng)清除清除干凈。

噴淋設(shè)備安裝定位需要考慮煤場的取煤方式、供水管路的布局以及周邊環(huán)境等因素，確保在取煤過程中煤堆能夠得到均勻的噴淋。同時(shí)保證供水管路的壓力、流量等參數(shù)可以支持噴淋設(shè)備正常工作。

將預(yù)制的支架運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，按照設(shè)計(jì)的設(shè)備定位安裝干管、立管、分層干支管。同時(shí)，為了保證管道系統(tǒng)的完整性和可靠性，需要對(duì)管道進(jìn)行試壓和沖洗。按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行壓力測試，確保管道無泄漏并使用清水沖洗至管道內(nèi)無雜質(zhì)后，居中安裝噴頭。

噴頭安裝完成后，需要進(jìn)行通水調(diào)試，檢查噴頭是否噴水均勻，有無堵塞、滲漏現(xiàn)象。確保設(shè)備工作無誤后，即可利用預(yù)先設(shè)計(jì)好的PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)灑水噴淋設(shè)備的精確操控。通過智能化的控制，均勻、有效地噴灑混合納米纖維素抑塵劑，從而達(dá)到煤場揚(yáng)塵污染治理的目標(biāo)。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

本次煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理及治理技術(shù)研究選擇某省K煤礦有限責(zé)任公司的露天式儲(chǔ)煤場作為實(shí)例。該煤場距離高速公路8km，大致呈長方形布局，長260m，寬120m，總面積約31200m2。煤場中心橫貫1條輸煤皮帶，用于煤炭的傳輸。煤場的東側(cè)設(shè)有1條寬度約8m的運(yùn)煤通道，供煤炭運(yùn)輸車輛進(jìn)出。此外，煤礦的煤倉和輸煤走廊位于煤場的南部，為煤炭的存儲(chǔ)和運(yùn)輸提供了便利。煤場內(nèi)煤堆的最高高度達(dá)到了約10m，該廠原煤每年可處理150萬t氣煤，其煤質(zhì)特性表現(xiàn)為灰分含量為30%～50%，而硫分含量則嚴(yán)格控制在2.0%以下。

在煤場的煤堆頂部、煤堆周邊、運(yùn)輸通道處分別布置2個(gè)檢測點(diǎn)。每天08：00使用顆粒物濃度監(jiān)測儀對(duì)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的揚(yáng)塵濃度進(jìn)行一次檢測，并計(jì)算平均值。持續(xù)監(jiān)測一周，同時(shí)記錄風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，具體測試使用儀器參數(shù)和揚(yáng)塵濃度、氣象數(shù)據(jù)結(jié)果見表2和表3。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，該煤場在治理前揚(yáng)塵污染嚴(yán)重，且在無降水的情況下，揚(yáng)塵量和風(fēng)速成正比。根據(jù)現(xiàn)場情況，對(duì)煤場進(jìn)行納米纖維素抑塵劑治理，使用和治理前相同的檢測工具，每天08：00對(duì)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的揚(yáng)塵濃度進(jìn)行一次測試，并計(jì)算平均值，同樣持續(xù)測試一周。

3.2 煤場揚(yáng)塵污染治理效果分析

治理后的露天式儲(chǔ)煤場揚(yáng)塵濃度以及氣象數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)表4可知，經(jīng)過納米纖維素抑塵劑噴灑治理后的露天式儲(chǔ)煤場治理后揚(yáng)塵濃度明顯降低。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，煤場粉塵濃度不得超過75μg/m3，經(jīng)過治理后，揚(yáng)塵濃度最大為70μg/m3，符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。證明納米纖維素抑塵劑能夠有效地吸附和固定空氣中的顆粒物，從而降低揚(yáng)塵濃度，顯著改善空氣質(zhì)量。從環(huán)境保護(hù)的角度來看，治理后的煤場減少了空氣中的顆粒物含量，提升了空氣質(zhì)量，周邊居民的生活環(huán)境將得到顯著改善，減少因空氣污染導(dǎo)致的健康問題。同時(shí)，通過降低揚(yáng)塵濃度，可以減少因揚(yáng)塵污染而引發(fā)的環(huán)境罰款和賠償費(fèi)用，降低企業(yè)的運(yùn)營成本，提高企業(yè)形象和品牌價(jià)值，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。

基于上述測試，為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的應(yīng)用效果，對(duì)其治理的效率進(jìn)行測試。在此過程中，記錄開始運(yùn)行到治理結(jié)束的時(shí)間。統(tǒng)計(jì)整個(gè)治理過程的耗時(shí)，見表5。

根據(jù)表5可知，采用所提方法進(jìn)行煤場揚(yáng)塵污染治理時(shí)，可有效縮短治理耗時(shí)，提高煤場揚(yáng)塵污染治理效率。在5種場景下，所提方法的治理時(shí)長均比預(yù)期治理耗時(shí)短，在50min以下。由此可說明，所提方法具有較高的治理效率，可加快煤場揚(yáng)塵污染治理速度。所提方法在治理的過程中結(jié)合了PLC控制技術(shù)，PLC控制技術(shù)以其高度的自動(dòng)化和智能化特性使灑水噴淋設(shè)備能夠按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行精確操作，無須過多人工干預(yù)。不僅提高了工作效率，還確保了治理過程的穩(wěn)定性和可靠性。綜上所述，所提方法通過結(jié)合納米纖維素抑塵劑和PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤場揚(yáng)塵污染進(jìn)行高效治理的目標(biāo)。不僅在治理效果上表現(xiàn)出色，而且在治理耗時(shí)上也展現(xiàn)出了極高的效率。

4 結(jié)語

對(duì)煤場揚(yáng)塵污染機(jī)理及治理技術(shù)的研究顯著減少了空氣中的粉塵濃度，減少土壤和水源的污染，降低對(duì)環(huán)境的污染程度。解決了制約煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的原因之一，提高了煤炭資源的利用率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)煤炭行業(yè)的健康發(fā)展。在未來的煤場揚(yáng)塵治理研究中，將通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，配合更多具有更好防塵效果、更低環(huán)境影響的碳纖維復(fù)合材料、生物基材料等新型環(huán)保材料，用于煤場的防塵和抑塵，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤場揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整防塵措施。

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