李　旭，蔡覺(jué)先，董　波，王　浩，李穎泉, 武福平

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.甘肅省交通儲(chǔ)運(yùn)揚(yáng)塵治理工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州　730070；3.蘭州天際環(huán)境保護(hù)有限公司，甘肅 蘭州　730070)

西方國(guó)家一般采用封閉運(yùn)輸方式運(yùn)輸散堆裝貨物，如散煤、礦物粉料[1]等，而在我國(guó)鐵路一般采用敞車進(jìn)行運(yùn)輸。在鐵路運(yùn)輸散堆裝貨物時(shí)，由于列車顛簸及風(fēng)力作用，其表面細(xì)小的粉粒被吹離車體，落灑到路面，再經(jīng)過(guò)后續(xù)車輛的碾壓, 形成粒徑更小、濃度更高的二次揚(yáng)塵；尤其在通過(guò)隧道時(shí)，即便散堆裝貨物的裝車高度低于車廂高度，粒徑達(dá)5 cm的粉粒也能被吹出車外[2]。鐵路運(yùn)輸部門(mén)從2008年起逐步開(kāi)始使用煤炭抑塵劑控制煤炭運(yùn)輸過(guò)程中的污染和損耗[3]，并取得了很好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。但由于礦物粉料種類繁多，且與煤炭具有完全不同的表面性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)，將煤炭抑塵劑應(yīng)用于礦物粉料的效果不佳。而礦物粉料在鐵路散裝貨物運(yùn)輸中的比重僅次于煤炭，所產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染也不容小覷。目前鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料僅僅采用增大其含水率的方法降低揚(yáng)塵污染和損耗，但隨著水分的快速蒸發(fā)仍然會(huì)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵污染[4]。為此進(jìn)行鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料抑塵技術(shù)的相關(guān)研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料和運(yùn)輸煤炭相似，一般采用的抑塵方法有蓬布遮蓋法、機(jī)械加蓋法和噴淋黏結(jié)型抑塵劑法[5]。對(duì)運(yùn)煤列車噴灑煤炭抑塵劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，效果顯著，因此在鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料時(shí)也選擇使用噴灑礦粉抑塵劑的方法。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以檢驗(yàn)抑塵劑技術(shù)應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸散裝礦物粉料的可行性以及應(yīng)用效果。

1　試驗(yàn)內(nèi)容

1.1　礦粉抑塵劑的選用

蘭州交通大學(xué)從2009年開(kāi)始研制水溶性高分子材料的礦粉抑塵劑，2010年底采用新研制的礦粉抑塵劑對(duì)鐵礦石、磷礦石、錳礦石、銅礦石、鋁礬土、石英砂、鋁鋅礦、石油焦等多種礦物粉料在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了固化效果測(cè)試和風(fēng)洞對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該礦粉抑塵劑應(yīng)用于以上礦物粉料后均能產(chǎn)生大于10 mm厚的固化層，在30 m·s-1的風(fēng)速下吹蝕5 min后風(fēng)蝕率小于0.3%。此外，還進(jìn)行了礦粉抑塵劑溶液的急性毒性、急性皮膚刺激性、腐蝕性測(cè)定，結(jié)果表明礦粉抑塵劑不會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激，無(wú)毒、無(wú)腐蝕。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了該礦粉抑塵劑的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用試驗(yàn)。

將礦粉抑塵劑配制成濃度為1.5%的水溶液，并按3 L·m-2的用量均勻噴灑到礦物粉料表面，經(jīng)過(guò)滲透可形成厚度為10 mm以上的固化層。

1.2　被噴灑物料的選擇

經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，最終確定選擇鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料運(yùn)量較大的澳大利亞產(chǎn)鐵礦石和國(guó)產(chǎn)磷礦石作為試驗(yàn)的被噴灑物料。

1.3　試驗(yàn)線路的特點(diǎn)

試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)輸鐵礦石的貨物列車在黃島—?dú)v城站間運(yùn)行，鐵路沿線地勢(shì)平坦，無(wú)隧道，試驗(yàn)時(shí)氣溫在0～10 ℃之間；運(yùn)輸磷礦石的貨物列車在中誼村—龍津溝站間運(yùn)行，鐵路沿線多為丘陵地貌，地形復(fù)雜，線路上隧道數(shù)量較多，達(dá)26座，試驗(yàn)時(shí)氣溫在10～20 ℃之間，所載貨物為磷礦擦洗礦，極小的顆粒已經(jīng)在選洗過(guò)程中被分離和去除，而且水分含量較高。2個(gè)區(qū)間的環(huán)境特點(diǎn)迥異，其運(yùn)行的對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)貨車運(yùn)行線路及區(qū)間運(yùn)行參數(shù)對(duì)照表

1.4　試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料的抑塵效果，確定采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，即對(duì)噴灑礦粉抑塵劑和未噴灑礦粉抑塵劑的貨車進(jìn)行顆粒物濃度檢測(cè)對(duì)比。在2010年12月8日和9日的相同時(shí)間、相同線路上分別開(kāi)行1列未噴灑和噴灑礦粉抑塵劑的鐵礦石貨車，在2010年12月18日和20日的相同時(shí)間、相同線路上分別開(kāi)行1列未噴灑和噴灑礦粉抑塵劑的磷礦石貨車，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)檢驗(yàn)礦粉抑塵劑對(duì)于礦物粉料的抑塵效果。

（1）從經(jīng)濟(jì)角度分析，可體現(xiàn)以下方面：商品是使用價(jià)值和價(jià)值的統(tǒng)一體。使用價(jià)值是價(jià)值的物質(zhì)承擔(dān)者，要想實(shí)現(xiàn)商品的價(jià)值就必須重視商品的使用價(jià)值，即商品的質(zhì)量；企業(yè)必須制定正確的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略，生產(chǎn)適銷對(duì)路的高質(zhì)量產(chǎn)品；要建立良好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)秩序，嚴(yán)厲打擊各類質(zhì)量違法行為，維護(hù)消費(fèi)者合法權(quán)益。

1.4.1顆粒物濃度的檢測(cè)

目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有專門(mén)針對(duì)移動(dòng)污染源的顆粒物濃度檢測(cè)方法。裝有礦物粉料的貨車作為移動(dòng)污染源，其污染物以顆粒物為主，因此試驗(yàn)時(shí)選定檢測(cè)距離貨車最近空氣隔層中的顆粒物濃度，檢測(cè)方法參照GB 16157—1996 《固定污染物排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》。試驗(yàn)時(shí)采用嶗應(yīng)3012H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀(青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所和武漢分析儀器廠出品)，定量分析列車運(yùn)行時(shí)的揚(yáng)塵量，即污染物濃度。

1.4.2采樣點(diǎn)的選擇

貨車在運(yùn)行過(guò)程中受到風(fēng)力作用而對(duì)所載礦物粉料產(chǎn)生風(fēng)蝕效果，從而對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生揚(yáng)塵污染。揚(yáng)塵污染方向與貨車的運(yùn)行方向相反，也就是說(shuō)在貨車尾部污染物的濃度最高。因此在試驗(yàn)貨車的尾部加掛了1節(jié)客車作為試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)載工具和檢測(cè)平臺(tái)。貨車上采樣點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)的位置如圖1所示，其中：1#，2#，3#和4#為貨車上的攝像頭架設(shè)位置，即觀測(cè)點(diǎn)位置。

除特殊風(fēng)環(huán)境(如特大橋梁、高架橋、路堤、丘陵及山區(qū)的風(fēng)口地段，曲線線路等)之外，貨車直線運(yùn)行時(shí)受到的側(cè)風(fēng)作用遠(yuǎn)小于貨車運(yùn)行產(chǎn)生的與運(yùn)動(dòng)方向相反的風(fēng)力作用[6]，因此在不考慮側(cè)風(fēng)的情況下，風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明，由于車廂側(cè)板的遮擋作用，車廂內(nèi)的礦物粉料被向后的氣流卷起后向上擴(kuò)散，飄出車廂頂部，之后再向兩側(cè)和下部擴(kuò)散。

圖1　列車上采樣點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)的位置示意圖

由于貨車的揚(yáng)塵污染主要向上方和兩側(cè)擴(kuò)散，因此分別在加掛客車的左右兩側(cè)和頂部各設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，采樣斷面為客車前部的車門(mén)附近，其中兩側(cè)的采樣點(diǎn)距客車車廂外側(cè)15～20 cm，頂部采樣點(diǎn)距貨車車廂上沿約30～50 cm，如圖2所示。圖中：虛線所示為客車車體輪廓。

圖2　采樣點(diǎn)布置示意圖

1.4.3采樣時(shí)間的確定

在分別進(jìn)行的2次試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)均開(kāi)行未噴灑礦粉抑塵劑的和噴灑礦粉抑塵劑的貨車各1列，累計(jì)開(kāi)行4列。貨車運(yùn)行30 min后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔30 min同步對(duì)6個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行1次揚(yáng)塵顆粒物檢測(cè)，每次檢測(cè)時(shí)間持續(xù)10 min，每列車?yán)塾?jì)檢測(cè)6次，檢測(cè)次序按時(shí)間順序排列。

2　結(jié)果及分析

2.1　未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)揚(yáng)塵顆粒物濃度的檢測(cè)結(jié)果及分析

未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)得到的鐵礦石和磷礦石揚(yáng)塵顆粒物濃度檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2　未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)的鐵礦石揚(yáng)塵顆粒物濃度

注：氣壓為100.9 kPa

表3　未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)的磷礦石揚(yáng)塵顆粒物濃度

注：氣壓為80.4 kPa

正如前文所述，由于礦物粉料揚(yáng)塵污染在空間上的擴(kuò)散方向不同，且試驗(yàn)的線路環(huán)境不同(見(jiàn)表1)，則必然導(dǎo)致不同空間位置采樣點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果不同，因此通過(guò)表2、表3的測(cè)定結(jié)果可以分析出揚(yáng)塵顆粒物濃度在空間上的分布規(guī)律以及列車運(yùn)行環(huán)境對(duì)揚(yáng)塵顆粒物濃度的影響。

2.1.1揚(yáng)塵顆粒物濃度在空間上的分布規(guī)律

根據(jù)表2、表3的檢測(cè)結(jié)果，可以計(jì)算出各采樣點(diǎn)以及不同時(shí)間(檢測(cè)次序)的揚(yáng)塵顆粒物濃度平均值。

圖3為2條不同線路上鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度在空間上的分布。從圖3中可以看出：無(wú)論是鐵礦石還是磷礦石，其揚(yáng)塵在空間的分布具有相同的規(guī)律，即頂部2個(gè)采樣點(diǎn)(上A、上B)的揚(yáng)塵顆粒物濃度明顯高于兩側(cè)采樣點(diǎn)的(左A、左B、右A和右B)；對(duì)未噴灑礦粉抑塵劑的鐵礦石貨車而言，平均揚(yáng)塵顆粒物濃度達(dá)到了165.08 mg·m-3，兩側(cè)采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度一般不超過(guò)60 mg·m-3，即頂部采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度是兩側(cè)采樣點(diǎn)揚(yáng)塵顆粒物濃度的2.9～3.1倍；同樣，未噴灑礦粉抑塵劑的磷礦石貨車頂部采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度是兩側(cè)的2.21～2.35倍，頂部揚(yáng)塵顆粒物濃度約占總濃度的70%～85%；說(shuō)明揚(yáng)塵污染以頂部為主、兩側(cè)為輔呈向后擴(kuò)散的輻射狀分布，與預(yù)期一致。

圖3　未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)各采樣點(diǎn)揚(yáng)塵顆粒物濃度分布

2.1.2列車運(yùn)行環(huán)境對(duì)揚(yáng)塵顆粒物濃度的影響

由圖3還可以看出，磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度無(wú)論在空間的哪個(gè)部位均比鐵礦石的高，這除了與磷礦石的密度小于鐵礦石有關(guān)系外，還與2條線路的運(yùn)行環(huán)境有很大關(guān)系。對(duì)于運(yùn)輸鐵礦石的貨車而言，黃島—?dú)v城間的行車環(huán)境以平原為主，無(wú)隧道，空間開(kāi)闊，行車速度較快，平均時(shí)速81 km·h-1，行車速度是導(dǎo)致風(fēng)力作用的最主要原因，也是造成揚(yáng)塵污染的主要成因；隨著貨車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，貨車上礦物粉料的較細(xì)顆粒物逐漸被吹走，揚(yáng)塵顆粒物濃度呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)，因此未噴灑礦粉抑塵劑貨車的揚(yáng)塵顆粒物濃度隨著時(shí)間和運(yùn)輸距離的增加會(huì)逐漸降低。

圖4　未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)的不同檢測(cè)次序與揚(yáng)塵顆粒物濃度的關(guān)系

對(duì)于運(yùn)輸磷礦石的貨車而言，中誼村—龍津溝間主要以丘陵山谷地貌為主，隧道數(shù)量較多且隧道較長(zhǎng)，行車速度為71 km·h-1，明顯小于鐵礦石貨車，相應(yīng)的由行車速度對(duì)貨車產(chǎn)生的風(fēng)力作用要小于鐵礦石貨車。然而，與運(yùn)輸鐵礦石的貨車相比，運(yùn)輸磷礦石的貨車除受到運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力作用外，還受到較為劇烈的隧道活塞風(fēng)作用[7]，這一方面加劇了頂部揚(yáng)塵顆粒物的濃度，另一方面又加劇了兩赤的揚(yáng)塵顆粒物濃度，甚至達(dá)到了貨車頂部揚(yáng)塵顆粒物的濃度。當(dāng)貨車運(yùn)行一段時(shí)間后，甚至有微弱的上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)，顯然這是由于間歇的隧道活塞風(fēng)的作用。

由圖4可見(jiàn)，即便在運(yùn)輸磷礦石的貨車運(yùn)行速度較慢的情況下，揚(yáng)塵顆粒物濃度依然很高，這是因?yàn)榄h(huán)境、隧道的作用占據(jù)了主要地位，所以貨車運(yùn)行速度只是造成揚(yáng)塵污染的原因之一，列車運(yùn)行所處的環(huán)境、橋涵隧道的數(shù)量也會(huì)十分明顯地影響揚(yáng)塵顆粒物濃度，而且貨車運(yùn)行環(huán)境、隧道數(shù)量對(duì)于揚(yáng)塵污染的影響比貨車運(yùn)行速度更加明顯。

通過(guò)上述分析可知，礦物粉料在運(yùn)輸過(guò)程中的揚(yáng)塵污染主要是由于貨車在行駛中的風(fēng)力作用和隧道內(nèi)產(chǎn)生的活塞風(fēng)作用造成的，且隧道內(nèi)的活塞風(fēng)作用占主導(dǎo)地位。

2.2　噴灑礦粉抑塵劑后揚(yáng)塵顆粒物濃度的檢測(cè)結(jié)果及分析

噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度在2條試驗(yàn)線路的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4　噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度

注：氣壓為101.4 kPa

表5　噴灑礦粉抑塵劑后磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度

注：氣壓為80.5 kPa

由表4、表5可以看出：噴灑礦粉抑塵劑后，貨車的揚(yáng)塵顆粒物濃度均在13 mg·m-3以下；由于試驗(yàn)線路運(yùn)輸繁忙，加之為了減少運(yùn)力的浪費(fèi)，沒(méi)有開(kāi)行空車試驗(yàn)本底揚(yáng)塵顆粒物濃度，即使不考慮沿線環(huán)境所固有的粉塵在列車通過(guò)時(shí)造成的二次污染。與表2和表3對(duì)比可以看出，噴灑礦粉抑塵劑與未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度具有明顯差別。

圖5為噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物在不同采樣點(diǎn)的濃度?？梢钥闯觯瑖姙⒌V粉抑塵劑后，頂部采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度平均為8.65～8.70 mg·m-3，而兩側(cè)采樣點(diǎn)的顆粒物濃度平均值在5.9～6.4 mg·m-3之間，遠(yuǎn)小于未噴灑抑塵劑時(shí)的。與圖3相比，不再呈現(xiàn)磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度高于鐵礦石的規(guī)律，兩者之間沒(méi)有明顯差異，十分相近。經(jīng)計(jì)算，噴灑礦粉抑制劑后頂部采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度分別減少了95.04%和96.53%，而側(cè)面采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度也減少了87.83%和94.25%，總的揚(yáng)塵顆粒物濃度分別減少了92.16%和95.46%?？紤]到?jīng)]有檢測(cè)沿線揚(yáng)塵顆粒物本底值的因素，實(shí)際的揚(yáng)塵顆粒物濃度減少率應(yīng)高于計(jì)算值。在扣除本底值的情況下，兩側(cè)的揚(yáng)塵顆粒物濃度減少率應(yīng)該會(huì)有顯著提高?？梢?jiàn)，礦粉抑塵劑對(duì)于抑制礦物粉料造成的揚(yáng)塵，效果十分明顯，可以減少92%以上的揚(yáng)塵污染。

圖5　噴灑抑塵劑后不同采樣點(diǎn)的揚(yáng)塵顆粒物濃度分布

圖6為噴灑礦粉抑塵劑后鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度與時(shí)間的關(guān)系，與圖4相比可以看出，無(wú)論未噴灑礦粉抑塵劑時(shí)所產(chǎn)生的揚(yáng)塵顆粒物濃度有多大，噴灑礦粉抑塵劑后的揚(yáng)塵顆粒物濃度均在5.3～8.70 mg·m-3之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未噴灑時(shí)的濃度，抑塵作用基本不受試驗(yàn)線路的環(huán)境影響，具有較強(qiáng)的適應(yīng)不同環(huán)境條件的能力。

圖6　噴灑礦粉抑塵劑后不同檢測(cè)次序與揚(yáng)塵顆粒物濃度的關(guān)系

2.3　礦粉抑塵劑應(yīng)用對(duì)于物料堆型的影響

為了更好地了解礦物粉料在貨車運(yùn)行中的狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)視頻攝像頭連續(xù)觀察試驗(yàn)的礦物粉料在貨車運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)。

運(yùn)輸鐵礦石的貨車噴灑礦粉抑塵劑前后的視頻截圖對(duì)比結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8對(duì)比可見(jiàn)：運(yùn)行45 min后，未噴灑抑塵劑時(shí)貨車中的鐵礦石顆粒會(huì)隨著車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)從裝車脊的兩側(cè)向下滑落，堆積到車廂底部；而噴灑過(guò)礦粉抑塵劑后，鐵礦石的顆粒被黏結(jié)在一起，運(yùn)行45 min后鐵礦石顆粒的表觀形態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯改變，表明礦粉抑塵劑對(duì)于礦物粉料顆粒表面的固定作用明顯。

圖7　未噴灑礦粉抑塵劑貨車內(nèi)鐵礦石料的堆形

圖8　噴灑礦粉抑塵劑后貨車內(nèi)鐵礦石的堆形

3　結(jié)　論

(1)礦物粉料在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中的揚(yáng)塵污染呈現(xiàn)出以貨車頂部為主、側(cè)面為輔的輻射狀分布，分布規(guī)律與揚(yáng)塵顆粒物擴(kuò)散的路徑密切相關(guān)。

(2)礦物粉料在運(yùn)輸過(guò)程中的揚(yáng)塵污染主要是由于貨車在行駛中的風(fēng)力作用和隧道內(nèi)產(chǎn)生的活塞風(fēng)作用造成的，且隧道內(nèi)的活塞風(fēng)作用占主導(dǎo)地位。

(3)礦粉抑塵劑應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料具有良好的應(yīng)用效果。噴灑礦粉抑塵劑后，貨車中鐵礦石和磷礦石的揚(yáng)塵顆粒物濃度分別減少92.16%和95.46%，并且抑塵效果不受線路環(huán)境的影響。通過(guò)礦粉抑塵劑產(chǎn)品控制鐵路運(yùn)輸?shù)V物粉料過(guò)程的揚(yáng)塵污染，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方式，可廣泛地應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸各種散裝礦物粉料時(shí)的揚(yáng)塵污染控制，同時(shí)對(duì)解決礦物粉料堆場(chǎng)的揚(yáng)塵污染控制也具有一定的參考價(jià)值。

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