馬 鵬

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司哈爾烏素露天礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

粉塵抑制劑具有用量小、效果好，有效期長、適應(yīng)性強(qiáng)的特點，所以國內(nèi)外相關(guān)研究單位致力于研發(fā)高效的化學(xué)抑塵劑[1]。北京科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校對化學(xué)抑塵劑的中試驗進(jìn)行了探討[2]。國外研究主要研究抑塵劑的抑塵機(jī)理，開發(fā)高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新型化學(xué)抑塵劑[3]。關(guān)于化學(xué)抑塵劑在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用的研究較少。由于不同煤礦的氣候、地質(zhì)、工藝等條件的不同，導(dǎo)致化學(xué)抑塵劑的抑塵效果有所差異[4]，為促進(jìn)化學(xué)抑塵劑的應(yīng)用、提高抑塵效果，有必要對其實際運(yùn)行進(jìn)行研究。

1 研究必要性

哈爾烏素露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，礦區(qū)面積67 km2，原煤儲量17.3億t，是世界單坑產(chǎn)能最大的露天煤礦之一[5]。哈爾烏素露天煤礦的開發(fā)利用使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)上升到一個新的增長極，但粗放的開采運(yùn)輸方式所引發(fā)的揚(yáng)塵一直以來是該礦迫切想解決的問題之一。據(jù)報道，露天煤礦的日均粉塵濃度為5～ 15 mg/m3，超過國家排放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)百倍。汽車運(yùn)輸過程是粉塵產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，其粉塵產(chǎn)量占全礦總產(chǎn)塵量的70%～ 90%[6]，且瞬時粉塵濃度高達(dá)200～ 500 mg/m3，嚴(yán)重影響生產(chǎn)作業(yè)、運(yùn)輸安全和工人身體健康[7-8]。因此，采用科學(xué)手段抑制運(yùn)輸?shù)缆窊P(yáng)塵，最大限度控制揚(yáng)塵污染迫在眉睫。

2 防塵實驗及抑塵機(jī)理

2.1 實驗材料和實驗方案

1）實驗材料。Resinator 化學(xué)抑制劑主要由表面活性劑、合成樹脂、木質(zhì)素聚合物和水組成，Resinator 化學(xué)抑制劑主要化學(xué)成分見表1。實驗所用水為黃河水，均取自哈爾烏素煤礦給水站，無需進(jìn)一步凈化。

2）實驗方案。用5 臺灑水車進(jìn)行30 km 路面抑塵實驗，其中部分道路（18 km 重載路段）噴灑抑塵劑，其余道路（12 km 非重載路段）加大灑水車密度，使道路粉塵濃度達(dá)到或接近國家規(guī)定粉塵標(biāo)準(zhǔn)小于等于4 mg/m3。對4 種不同抑塵劑濃度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）方案進(jìn)行比較，找出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)最佳的方案。根據(jù)現(xiàn)場道路情況，制訂多種不同施工方案。對實施不同抑塵劑濃度比例（1∶23、1∶18、1∶14、1：12）、不同噴灑工藝（方案A：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水6 次；方案B：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水9 次；方案C：重載道路每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水12次；方案D：重載道路和每公里0.5 桶抑制劑，非重載道路每天灑水1 次）、不同施工道路（重載路面、非重載路面）進(jìn)行比較。充分利用現(xiàn)有的5 輛水車能力（不新增水車），在重載道路（18 km）噴灑抑塵劑，非重載道路（12 km）加大灑水車密度，使道路粉塵濃度達(dá)到或接近國家規(guī)定粉塵標(biāo)準(zhǔn)≤4 mg/m3。每桶抑制劑單價為3.3 萬元，分別核算4 種方案抑制劑年總費(fèi)用，找出經(jīng)濟(jì)可行的方案。

表1 Resinator 化學(xué)抑制劑主要化學(xué)成分

2.2 Resinator 抑塵機(jī)理

抑制劑的抑塵機(jī)理主要分為黏結(jié)、聚集、網(wǎng)捕、保水4 個步驟，Resinator 化學(xué)抑制劑抑塵機(jī)理示意圖如圖1。

圖1 Resinator 化學(xué)抑制劑抑塵機(jī)理示意圖

首先粉塵顆粒與水通過抑塵劑中的表面活性劑和聚合物發(fā)生黏結(jié)。如圖1（a），未加抑制劑時粉塵表面呈疏水性，在疏水作用和靜電排斥作用下粉塵與水滴難以黏粘。加入抑制劑后（圖1（b）），由于抑制劑中表面活性劑具有兩親性，有效改變了粉塵表面的疏水性，使粉塵和水珠容易黏結(jié)在一起。此外，抑制劑中的合成樹脂和木質(zhì)素等聚合物可以顯著增加抑制劑溶液的表觀黏度，使水珠更容易黏附在粉塵表面，發(fā)生聚集行為。在此過程中，合成樹脂具有橋連作用，使水珠牢牢固定在粉塵表面，形成粉塵-水珠聚集體，其示意圖如圖1（c）。粉塵-水珠聚集體一方面可以固定水分，起保水作用；另一方面可以通過網(wǎng)捕作用進(jìn)一步捕集粉塵。抑制劑中的合成樹脂和木質(zhì)素有效增強(qiáng)了粉塵-水珠聚集體的機(jī)械性強(qiáng)度，使其在輪胎摩擦過程中不易破碎，因此，抑制劑可有效增長抑塵效果的持續(xù)時間。

3 抑塵影響因子

為篩選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)最佳的粉塵抑制方案，分別研究了噴灑量、抑制劑濃度、道路類型和噴灑工藝對抑塵效果和抑塵持續(xù)時間的影響。

3.1 道路類型

每次分別噴灑30、50、70、90、110 t 濃度為1∶18的抑制劑溶液，考察噴灑量對粉塵抑制效果持續(xù)時間的影響，抑制劑溶液噴灑量對抑塵效果持續(xù)時間的影響如圖2。

圖2 抑制劑溶液噴灑量對抑塵效果持續(xù)時間的影響

當(dāng)噴灑量低于70 t/次時，重載道路抑塵效果持續(xù)時間隨噴灑量增加而增加；當(dāng)噴灑量高于70 t/次時，重載道路抑塵效果持續(xù)時間為7 h 且隨噴灑量繼續(xù)增加幾乎保持不變。噴灑量較低（低于70 t/次）時，水分大量蒸發(fā)，抑制劑滲入路面的深度較淺，對路面粉塵的黏附性較弱，在車輪碾壓的情況下易失效，因此抑塵效果保持時間較短[9]。隨著噴灑量的逐漸增加，抑制劑滲入路面的深度隨之增加，對路面粉塵的黏附性增強(qiáng)，因此抑塵效果保持時間隨之增加。對于非重載道路，其粉塵抑制效果持續(xù)時間隨噴灑量的變化趨勢與重載道路一樣，但由于非重載道路受輪胎摩擦和碾壓作用較弱，所以抑塵效果保持時間明顯大于重載路面。綜合考慮抑塵效果和運(yùn)行成本，選取70 t/次為最佳噴灑。

3.2 抑制劑濃度

固定噴灑量為70 t/次，考察不同抑制劑濃度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）對抑塵效果持續(xù)時間的影響，抑制劑濃度對t 重載道路和非重載道路抑塵效果持續(xù)時間的影響如圖3。

圖3 抑制劑濃度對t 重載道路和非重載道路抑塵效果持續(xù)時間的影響

相比于水的抑塵效果，加入抑制劑后抑塵效果持續(xù)時間明顯增長。重載道路的抑塵效果持續(xù)時間隨抑制劑濃度增加而增加，當(dāng)抑制劑濃度為1∶23時，抑塵效果持續(xù)時間約為3.5 h；而當(dāng)抑制劑濃度為1∶12 時，其抑塵效果持續(xù)時間約為5.0 h。抑制劑濃度增加約1 倍，而抑塵效果持續(xù)時間增加明顯小于1 倍，所以，低抑制劑濃度更有利于抑塵效果。對于低濃度抑制劑（1∶23），其黏度較小，更易滲入路面使粉塵聚集成塊；而對于高濃度抑制劑（1∶12），雖然其對粉塵的黏附聚集能力增加，但由于其黏度較大，不易滲入路面，因此對粉塵的固定深度較淺。所以，低濃度抑制劑對粉塵抑制的效率更高。對于非重載道路，抑制劑濃度對抑塵效果保持時間影響不大，較低的抑制劑濃度（1∶23）就可以使粉塵抑制效果持續(xù)時間達(dá)到24 h。所以，綜合考慮抑制劑成本和效率，選取抑制劑濃度為1∶23 為最佳濃度。

3.3 運(yùn)行方式

固定噴灑量為70 t/次，選取抑制劑濃度為1∶23，考察運(yùn)行方案A～D 方案對實際抑塵率的影響，運(yùn)行方案對粉塵去除率的影響如圖4。

圖4 運(yùn)行方案對粉塵去除率的影響

方案A～D 方案對重載道路均有較好的抑塵效果，這主要歸因于重載道路噴灑低濃度（1∶23）抑制劑抑塵。對于非重載道路，抑塵效果與水的噴灑量呈正相關(guān)，當(dāng)水的噴灑量為每天6 次時，抑塵效果達(dá)到100%。綜合比較4 種方案，只有方案C 和方案D 可以滿足抑塵要求。方案D 的優(yōu)勢在于，對于非重載道路每天只需噴灑1 次低濃度抑制劑溶液，可以有效降低噴灑頻率。但是抑制劑費(fèi)用較大，所以，需要核算方案C 和方案D 的運(yùn)行成本。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析

基于上述研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)只有運(yùn)行方案C 和方案D 滿足抑塵要求，所以僅需核算C 和方案D 的運(yùn)行成本即可。按照抑制劑濃度為1∶23，，則重載道路的抑制劑消耗量為每天0.5 桶/km，若抑塵效果持續(xù)3.5 h，則每天噴灑7 次；非重載道路的抑制劑消耗量為每天0.062 5 桶/km，若抑塵效果持續(xù)24 h，則每天噴灑1 次。水費(fèi)為6.5 元/t；油費(fèi)為800 元/次。車輛和設(shè)備折舊費(fèi)和維修費(fèi)為1 600 元/次。運(yùn)行方案成本核算見表2。

方案C 運(yùn)行成本為351 245 元/d，方案D 運(yùn)行成本為344 590 元/d。因此，方案D 運(yùn)行成本較低，再考慮到實際工作強(qiáng)度和實施難度，方案D 更具有優(yōu)勢。

表2 運(yùn)行方案成本核算

5 結(jié)語

化學(xué)抑制劑對哈爾烏素露天煤礦道路揚(yáng)塵具有極好的抑制效果。研究結(jié)果表明：低濃度抑制劑（濃度為1∶23）更有利于抑制劑滲入地面進(jìn)行抑塵；抑制劑溶液噴灑量為70 t/次時具有最佳的抑塵效果持續(xù)時間。結(jié)合成本分析和實施難度，重載道路和非重載道路均采取化學(xué)抑塵具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。