鐵路煤炭運輸抑塵劑性狀測試分析及 應用建議

趙澤亞，劉 珺，李建國，鄭林青

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 節能環保勞衛研究所，北京 100081；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司 貨運部，甘肅 蘭州 730000)

我國能源結構以煤炭為主，且預計未來幾十年煤炭的主導作用不會改變[1]。我國煤炭資源分布廣闊，煤炭作為我國貨物運輸最主要的貨物品類，往往需要遠距離運輸[2]。煤炭在運輸過程中，由于風力和風向的作用，加之目前部分運煤列車沒有專用的篷布遮蓋，在運輸過程中會產生大量的煤塵[3]。“十四五”規劃要求深入打好污染防治攻堅戰，對顆粒物狀污染物控制提出嚴格的治理要求。國家和地方政策對粉塵污染控制要求加高，煤炭多為粉末狀，在鐵路運輸裝卸和貯存的過程中起塵量大，環境污染明顯，應加強鐵路煤炭運輸過程的粉塵控制。抑塵劑目前在煤炭開采、運輸、堆存等過程得到廣泛的應用[4]，鐵路煤炭運輸抑塵是中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)貫徹落實藍天保衛戰戰略的重要舉措[5]，有必要進一步研究煤炭抑塵劑性狀，提升其應用效果。

1 鐵路煤炭運輸抑塵主要方法

鐵路運輸粉狀貨物過程中，產生散落和揚塵的原因主要是顛簸作用和風力作用，且以風力作用為主，目前鐵路煤炭運輸過程使用的抑塵方法有灑水降塵法、覆蓋法(采用篷布或防塵網等抑塵工具)、封閉運輸法、噴灑抑塵劑法等，主要抑塵方法具體情況如下。

（1）灑水降塵法。該方法比較具有普適性，普遍用于鐵路煤炭運輸各個工作過程的起塵點，其缺點是水資源與電力資源消耗量比較大，還會消耗一定量的人力資源，對資源緊缺的地區來說負擔較重，而且在水自然蒸發之后，粉狀貨物的濕度急劇下降，抑塵能力隨之失效，僅適用于作業點的臨時揚塵控制，不適用于長距離的運輸抑塵作業。

（2）覆蓋法。該方法采用篷布和防塵網等工具對散堆貨物或敞車車體進行覆蓋，以控制揚塵逸散。該方法耗費大量的人力物力，物料破損會導致抑塵成本增加，且無法與當前煤炭自動化裝卸系統完美結合，影響裝車卸車效率。

（3）封閉運輸法。該方法可以將粉狀貨物與空氣隔絕，除泄漏之外基本不會產生粉塵，但是與當前煤炭自動化裝卸系統不能完全匹配，并未得到大規模的推廣運用。

（4）噴灑抑塵劑法。該方法是一種防止煤炭起塵的常用方法，不用增加篷布設施，節省物料成本，具有便捷高效的優勢，且對目前煤炭自動化裝卸系統不存在干擾。噴灑抑塵劑的方法在鐵路煤炭運輸過程廣泛應用，其中液體抑塵劑多可以直接使用，但缺點為體積較大，運輸不便；固體抑塵劑一般為粉末狀，需要現場配制成溶液后進行噴灑，采用自動溶液配制及噴灑裝置還可節省大量人力資源，使用方便。

在煤炭運輸及堆存過程中，抑塵劑工作原理為表面黏結固定原理[4]。當在煤炭表面噴灑了抑塵劑之后，細小粉塵顆粒會被黏結起來，煤炭表面會形成一層堅硬且粘結性很強的固化層，固化層本身由于粘結作用難以逸散，下方煤炭由于固化層的覆蓋亦得到保護，從而達到抑塵效果。由于煤炭在鐵路運輸過程中通常采用敞車運輸[6-7]，故抑塵劑抑塵法是一種極具前景的抑塵方式。

2 鐵路煤炭運輸抑塵劑性狀測試分析

鐵路煤炭運輸抑塵劑應用廣泛，好的抑塵劑具有穩定性強、適用性廣、對保護對象性能影響小、環境污染小、毒性小、刺激性小、腐蝕性低等特點。根據裝載方式的不同，鐵路煤炭運輸抑塵劑分為Ⅰ型抑塵劑和Ⅱ型抑塵劑，煤炭裝載不超出貨車端側墻高度時使用Ⅰ型抑塵劑，煤炭裝載超出貨車端側墻高度時使用Ⅱ型抑塵劑[8]。

國鐵集團規定，所選用的抑塵劑產品應符合行業及國鐵集團的相關標準和要求，并經具有中國計量認證(CMA)、中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認可等資質的專業機構檢驗合格。抑塵劑的風蝕率、固化層厚度是評價抑塵效果的重要指標，并且在使用抑塵劑過程中不可避免地會與工作人員接觸，須保障工作人員的身體健康，以及良好的工作環境與工作體驗，故應當具有無毒無害、刺激性低的特點。基于上述考慮，需對抑塵劑的風蝕率、固化層厚度、皮膚刺激性與急性經口毒性指標進行檢測。

2.1 風蝕率與固化層厚度測試

根據《鐵路煤炭運輸抑塵技術條件第1部分：抑塵劑》(TB/T3210.1-2020)的要求，在進行吹蝕試驗之前，將煤試樣和托盤一起稱重，稱重后將試樣放入風管中吹蝕5 min，吹蝕過程結束之后再次稱取試樣重量，吹蝕過后煤炭試樣損失的質量除以吹蝕試驗前原煤炭試樣的質量即為風蝕率。Ⅰ型抑塵劑風蝕率檢測布置方式示意圖如圖1所示，圖中①為放在吹蝕工作臺上的試樣。Ⅱ型抑塵劑風蝕率檢測布置方式示意圖如圖2所示，圖中①②③均為被試試樣。圖1和圖2中的2種布置方式，分別模擬了煤炭裝載不超出車廂廂體高度和超出車廂廂體高度2種不同的裝載方式下作業時抑塵劑的使用環境，當堆積角為45°時，煤炭表面承受的風壓載荷最大，此角度可以最大程度考核抑塵劑對煤炭的抑塵效果[9]。

圖1 Ⅰ型抑塵劑風蝕率檢測布置方式示意圖 Fig.1 Layout of wind erosion rate detection of type I dust suppressant

圖2 Ⅱ型抑塵劑風蝕率檢測布置方式示意圖 Fig.2 Layout of wind erosion rate detection of type II dust suppressant

固化層厚度檢測在進行吹蝕試驗后的試樣上進行，分別在試樣中任意取4處固化層，測量厚度后取其算術平均值作為固化層厚度的檢測結果[8]，統計得到抑塵劑風蝕率及固化層厚度試驗結果如表1所示。檢測結果表明，2種抑塵劑的合格率差別不大，Ⅰ型抑塵劑風蝕率的檢測結果介于0.1% ~ 31%之間，合格率為86.4%，Ⅱ型抑塵劑風蝕率的檢測結果介于0.1% ~ 27%之間，合格率為85.0%。Ⅰ型抑塵劑固化層厚度介于8 ~ 15 mm之間(以11 ~ 12 mm居多)，合格率為95.5%，Ⅱ型抑塵劑固化層厚度介于9 ~ 15 mm 之間(以12 ~ 13 mm居多)，合格率為95.0%。

表1 抑塵劑風蝕率及固化層厚度試驗結果Tab.1 Test results of wind erosion rates and solidified layer thicknesses of dust suppressants

由表1可知，抑塵劑固化層厚度和風蝕率的檢測結果呈現比較大的相關性，風蝕率較低的抑塵劑往往固化層厚度也比較厚，且固化層厚度不滿足標準要求的抑塵劑風蝕率也往往不合格。從單項指標的合格率來看，固化層厚度指標的合格率高于風蝕率指標。試驗過程中觀察發現，出現固化層厚度較厚而風蝕率較高的現象往往是因為固化層表面出現孔洞或者裂縫，在較大的風速下煤塵損失現象比較嚴重，該現象在抑塵劑的研發與生產中值得關注。風蝕率的檢測結果范圍波動較大，尤其是不合格的抑塵劑，煤炭損失率可以高達30%，抑塵效果非常差。

2.2 刺激性與毒性測試

為掌握抑塵劑皮膚刺激性和急性經口毒性，對54種抑塵劑進行試驗，其中Ⅰ型抑塵劑25種，Ⅱ型抑塵劑29種。

皮膚刺激性是用動物進行試驗，選取4只白色家兔，對其脊柱兩側部分皮膚進行脫毛處理，于其中一側的裸露皮膚上涂抹待測抑塵劑試樣，并用4層紗布敷于皮膚之上，用無刺激的繃帶固定紗布，于 4 h后移去紗布并對皮膚反應進行分級，并于除去抑塵劑試樣24 h，48 h，72 h之后分別對皮膚刺激性反應進行觀察并評分，根據24 h，48 h，72 h各觀察時點最高積分均值作為判定標準。設定皮膚刺激性試驗評分如表2所示，皮膚刺激性評價規則如表3所示，皮膚刺激性試驗結果統計如表4所示。

表2 皮膚刺激性試驗評分Tab.2 Skin irritation testing and scoring

表3 皮膚刺激性評價規則 Tab.3 Rules of skin irritation evaluation

表4 皮膚刺激性試驗結果統計表Tab.4 Statistics of skin irritation test results

急性經口毒性試驗是檢測和評價試驗物品毒性的一項試驗，由試驗人員一次性或24 h內多次經口給予試驗動物受試物后，在短期內對動物產生的毒性反應進行觀察，包括中毒體征和死亡，通常用半數致死量LD50來表示急性經口毒性。急性經口毒性試驗結果如表5所示。

在檢測的54種抑塵劑中，其中有52種抑塵劑皮膚刺激反應積分為0分，所對應皮膚刺激性強度為無刺激；有1種抑塵劑皮膚刺激反應積分為0.5分，所對應皮膚刺激性強度為輕刺激性；有1種抑塵劑皮膚反應積分為0.8分，對應皮膚刺激性強度為輕刺激性。54種抑塵劑的急性經口毒性試驗結果皆為LD50＞ 5 000，表明抑塵劑為實際無毒。從皮膚刺激性和急性經口毒性檢測結果來看，檢測范圍內的Ⅰ型和Ⅱ型抑塵劑在皮膚刺激性和急性經口毒性方面表現相當，均處于較低的水平。

3 結論與建議

通過對煤炭運輸抑塵劑進行檢測，表明其急性毒性和皮膚刺激性均可達到標準要求，固化層厚度和風蝕率的檢測結果呈現較大的相關性，固化層厚度較厚而風蝕率較高的現象多是因為固化層表面出現孔洞或者裂縫。抑塵劑的配制必須嚴格按照抑塵劑的使用說明書來進行，選取合適的噴灑方式與裝置對抑塵效果也至關重要[10]，根據上述結論，提出具體建議如下。

（1）在抑塵劑的研發過程中應對固化層產生孔洞與裂縫的現象予以關注，可進一步研究抑塵劑的膠結機理，減少孔洞和裂縫的產生，加強抑塵劑的抑塵效果。

（2）在抑塵劑的使用過程中，應根據抑塵劑的種類、線路的類型選擇合適的噴灑方式，溶液應均勻、足量噴灑，還應根據噴灑方式控制列車或移動噴灑裝置的行進速度，列車恒定運行的條件下，檢測噴灑量是否與速度相匹配。噴灑裝置應及時維護保養，防止噴灑裝置出水口堵塞，影響噴灑作業的進行。

（3）跟蹤抑塵劑的抑塵效果隨時間變化的趨勢，可根據列車運行時間或者運輸距離等因素及時補噴，確保抑塵劑可以保持較高的抑塵效果。

（4）鐵路行業在運輸和堆放其他粉狀貨物時，并沒有針對性或者通用性較好的抑塵劑，尤其是近年來運輸粉煤灰等固體廢物時，沒有較好的抑塵手段，可開發相關抑塵劑產品加強對起塵現象的控制。