風送式抑塵噴霧機在堆場中的應用

肖 凱

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

隨著國家環(huán)保要求逐步提高，建于20 世紀80 年代的煤炭堆場環(huán)保水平必須與之相適應。近年來，針對煤炭堆場環(huán)保建設也加大投入力度。但由于需在原址上對堆場環(huán)保除塵設備進行升級改造，受到環(huán)境、空間等因素限制，因此需要因地制宜，找出最合理的途徑，既滿足環(huán)保新要求又能解決實際問題。

為彌補噴槍出水量大且抑制浮塵效果較差、防風網因空間受限不能形成合圍的缺陷，找出一種能有效抑制浮塵、徹底整治衛(wèi)生死角的手段勢在必行。受高壓微霧依靠高壓水、經過特制噴嘴后形成細小水霧、利用打散的水霧顆粒捕捉浮塵原理啟發(fā)，一種大功率、大霧量的風送式抑塵噴霧機應用到堆場浮塵治理的想法應運而生。基本思路為：在堆場外側增加風送式抑塵噴霧機，利用加壓泵使水滴形成細小的水霧，配合軸流風機系統(tǒng)將增加水霧覆蓋范圍，多臺使用形成水霧屏障，捕捉空氣中漂浮的粉塵，與粉塵相結合后形成較大顆粒，使其快速沉降到地面，從而產生顯著的抑塵、固塵效果。

1 技術方案

1.1 抑塵原理

根據(jù)空氣動力學原理，含塵氣流繞過霧滴時，塵粒由于慣性會從繞流的氣流中偏離而與霧滴相撞被捕捉，即通過粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴散等作用實現(xiàn)捕捉的，其被捕捉的概率與霧滴直徑、粉塵受力情況有關：霧滴大時，塵粒僅僅是隨繞流繞過霧滴而未能被捕集；霧滴與塵粒粒徑相近時，更容易與塵粒相撞而捕集到粉塵。

在噴霧區(qū)內，液滴迅速蒸發(fā)時必然會在液滴附近區(qū)域內產生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動擴散的斯蒂芬流。同樣，當蒸汽在某一核上凝結時，也會造成核周圍蒸汽濃度的不斷降低，形成由核周圍向凝結核運動的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區(qū)中的“呼吸性粉塵”顆粒，必然會在斯蒂芬流的輸送作用下運動，最后接觸并粘附在凝結液滴上被濕潤捕集。形成的凝結核不斷變大變重，在重力作用下自然沉降，進而達到抑制粉塵的目的，實現(xiàn)固塵效果（圖1）。

圖1 抑塵原理

1.2 抑塵機參數(shù)及功能

每隔80 m 安裝1 臺抑塵機，射程60 m、流量6 m3、霧化顆粒30～150 μm、總功率24.75 kW，噴嘴數(shù)量為72 個。每臺抑塵機由高壓供水系統(tǒng)、水霧化系統(tǒng)、軸流風機系統(tǒng)、俯仰液壓系統(tǒng)、水平回轉系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部分組成。

（1）高壓供水系統(tǒng)將水加壓提高至5 MPa，經過管道輸入到雙層霧環(huán)，再經72 個高壓噴嘴霧化形水霧，水霧經由軸流風機所噴射的高速空氣將其發(fā)送到較遠距離，形成較大范圍水霧屏障。

（2）俯仰液壓系統(tǒng)：由液壓泵、油缸等部件組成，可根據(jù)風力、風向在-10°～45°范圍內調整至最佳噴射角度并鎖止。

（3）水平回轉系統(tǒng)：由回轉電機、齒輪、軸承等組成，可通過本地或遠程控制噴筒在-160°～+160°范圍內調整到最優(yōu)角度并鎖止。此外，還可控制其在回轉范圍內往復轉動。

（4）軸流風機系統(tǒng)：主要包括9 個部分，分別為進風筒、風機段、出風筒、輪毅葉片、電機、電機座、導葉筒和導葉。工作原理是，將葉片旋轉的機械能轉換成流動空氣總壓的增加而使空氣連續(xù)流動，通過改變流體動量來實現(xiàn)能量的轉換。當葉輪旋轉時，氣體從集流器吸入，氣體受到葉輪葉片的推擠而獲得能量，然后流入導葉，導葉的作用是將一部分偏轉的氣流轉化為軸向流動，使氣體的動能變?yōu)殪o壓能，從出風筒流出。軸流風機的葉片一般是可以轉動角度的，即安裝角可調。通過調節(jié)葉片的安裝角并保持在一定角度，使其在變工況工作時仍具有較高的效率。

（5）水霧化系統(tǒng)：水經過過濾器—多級增壓泵—噴霧環(huán)—噴頭；可以在噴霧環(huán)上均布安裝若干個水霧噴頭。其中最主要的就是水霧噴頭，它是將水細化的重要元器件。高壓水流高速通過噴頭的過渡導流孔，在超高的水流速度下，收縮噴口使空氣加速，并產生高頻率旋轉水流，沖擊出水細孔形成細化水滴，配合高速的噴射式軸流風機形成水霧，噴射的水霧顆粒直徑≤100 μm，實現(xiàn)對懸浮在空氣中的粉塵顆粒進行有效吸附的要求，使粉塵受重力作用而沉降，從而達到抑塵作用。

1.3 遠程控制通信方案

基本的設計思路為，鋪設光纖到除塵泵房內，每處抑塵機通過T-BOX 以太網模塊連接控制器及上位操作系統(tǒng)。要求T-BOX 以太網模塊支持Modbus-RTU 串口設備，實際上，安裝的控制器適合這種工業(yè)以太網控制系統(tǒng)。在每處抑塵機處設置控制系統(tǒng)箱，系統(tǒng)內包含全套的電氣元件及PLC 等，采用信捷XD 系列可編程控制器作為核心控制元件，此類型控制器為以太網型控制器，具備RJ45 口，支持TCP/IP 協(xié)議，可實現(xiàn)基于以太網的MODBUS-TCP 通信、自由格式通信。支持程序上下載、在線監(jiān)控、遠程監(jiān)控、與其他TCP/IP 設備通信。XD 系列PLC 擁有更快的指令處理速度，相當于同類型控制器的12～15倍以上，重點表現(xiàn)在浮點指令運算速度提高顯著，掃描周期單位為“μs”。

1.4 邏輯控制

抑塵機啟動時延時響鈴報警，報警30 s 結束后供水電磁閥開啟、加壓水泵運行；軸流風機按順序依次啟動，自動回轉系統(tǒng)運行，依靠限位做往復運動。抑塵機停止時，電磁閥、加壓水泵、軸流風機回轉系統(tǒng)停止運行，泄水電磁閥打開并在5 min 后自動關閉。另外，應將管路中的水盡量放空，防止冬季凍結結冰。

1.5 上位系統(tǒng)開發(fā)

抑塵機可通過霧環(huán)處動畫效果實時顯示設備運行狀態(tài)，電磁閥、水泵、旋轉左右極限也可通過點亮圖標顯示。旋轉切換按鈕可在自動運行狀態(tài)下鎖定或解除任一臺抑塵機的旋轉功能，可實現(xiàn)定點噴灑。自動啟動和停止可同時控制三臺抑塵機的啟用和停止。在自動狀態(tài)下，點擊設備的自動啟動按鈕，第一臺設備先啟動，當?shù)谝慌_設備完全啟動后，系統(tǒng)發(fā)出第二臺設備的啟動信號來控制第二臺設備的啟動，當?shù)诙_設備完全啟動后，系統(tǒng)發(fā)出第三臺設備啟動信號控制第三臺設備啟動；點擊自動停止按鈕，設備全部停止。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，可單獨設定每臺設備的運行時間、報警時間。

此外，每臺抑塵機還可實現(xiàn)分控，點擊鎖定按鈕，可實現(xiàn)某一抑塵機可隨或可不隨自動狀態(tài)運行；也可在手動狀態(tài)下調整任抑塵機回轉、俯仰以及啟停；并且自動、手動狀態(tài)都能顯示低溫、缺水、通信、控制以及各功能運行狀態(tài)，方便操作或檢修人員及時發(fā)現(xiàn)故障，及時處理。

2 輔助功能設計

2.1 行人避讓方案

因設備布置于皮帶機沿線，高壓噴霧可能對設備維修保養(yǎng)人員造成傷害，故需要考慮增加行人保護系統(tǒng)，并在設備之間設置供行人快速撤離的扶梯。每臺抑塵機設置啟動報警系統(tǒng)，并可單獨設置運行時間和響鈴時間（報警時間不少于30 s），在此區(qū)域的行人聽到響鈴后可就近選擇扶梯撤離到安全位置，防止誤傷。

2.2 避讓大機解決方案

在正常啟動抑塵時，噴霧可能噴射至在此區(qū)域大機上，會加速大機鋼結構銹蝕速度，冬季噴灑還會造成設備結冰，影響設備運行及上下人員安全。因此，針對此問題設計大機行走限位，防止水霧噴灑到大機導致影響設備穩(wěn)定運行。

大機上安裝碰鐵，地面上南北兩側距離每臺抑塵機40 m處設置雙觸點限位器，PLC 連接兩組雙觸點限位器來反饋大機行走位置信號。在自動除塵的情況下，當大機行走或停留在任何一臺抑塵機噴射范圍外時，抑塵機自動除塵均正常運行。大機上安裝碰鐵，當觸碰任一抑塵機限位器觸點，判斷大機進入噴射范圍，相應抑塵機停止噴射。當大機再次觸碰或觸碰另一限位器時，判斷大機離開噴射區(qū)域，相應抑塵機解除限制，自動狀態(tài)恢復。大機行走限位的啟用與禁用可以通過上位操作系統(tǒng)進行更改，且上位系統(tǒng)設置復位功能，防止誤動作。

2.3 泄水功能實現(xiàn)方案

由于抑塵機停止運行后，霧環(huán)中的水只能依靠噴嘴緩慢流出，考慮到冬季低溫可能會造成噴嘴結冰，因此對設備加以改進，解決此問題。設計思路為取消機上原有電磁閥，在地面供水管路處設置供水電磁閥，并在靠近設備端設置泄水電磁閥。工作原理為正常工作時，供水電磁閥打開、泄水電磁閥關閉，抑塵機正常工作；停止運行時，供水電磁閥關閉、泄水電磁閥打開，霧環(huán)、水泵、中間旋轉接頭及所有管路中的水一并泄出，延時5 min關閉，時間可根據(jù)實際情況任意更改，再配合保溫伴熱，實現(xiàn)一年四季投用。

3 主要技術創(chuàng)新點

（1）利用布朗運動技術捕捉空氣中細小粉塵。通過加壓泵及霧化噴嘴形成水霧，微粒表面張力基本為零，能迅速吸附空氣中的粉塵顆粒，有效與粉塵結合后沉降，從而產生固塵效果。

（2）精細化設計上位操作界面及功能，方便操作或檢修人員及時查看抑塵機運行或故障信息，并與現(xiàn)場噴槍站畫面融合，實現(xiàn)集中控制，達到人員精簡目的。

（3）設計大機避讓系統(tǒng)，可實現(xiàn)抑塵機隨大機位置變化自動投用或停止，防止大機進入抑塵機區(qū)域后造成設備腐蝕或冬季結冰現(xiàn)場，減少對大機穩(wěn)定運行的影響。

（4）設計泄水功能，將霧環(huán)、水泵、旋轉接頭以及機上所用管路中的水在極短時間內完全卸出，配合保溫伴熱功能，解決原設備設計缺陷，保證一年四季可正常投入使用。

（5）抑塵機中間位置設置走梯，配合運行前響鈴報警以及筒體角度固定，保證人員可安全通行或快速撤離此區(qū)域。

4 實施效果

根據(jù)大氣污染防治要求可實現(xiàn)定時、定點或不間斷運行，配合堆場噴槍系統(tǒng)，形成雙重屏障，有效降低粉塵濃度，抑制粉塵外溢，為綠色港口建設提供有力保障。