胡佑兵

秦皇島港股份有限公司第六港務(wù)分公司 河北秦皇島 066000

煤 炭作為我國(guó)的主要能源，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。由于煤炭資源和消費(fèi)在空間上的差異化分布，目前我國(guó)基本形成“西煤東運(yùn)、北煤南調(diào)”的格局，煤炭港口已基本形成以環(huán)渤海港口“秦皇島港、天津港、黃驊港、京唐港、曹妃甸港”為主，“青島港、日照港、連云港、營(yíng)口港、錦州港、煙臺(tái)港”為輔的北煤下水體系。水路運(yùn)輸憑借其便捷和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，使煤炭港口得到快速發(fā)展，但同時(shí)也給沿海港口城市的大氣環(huán)境造成不同程度的污染[1]。

煤炭在港口要經(jīng)過(guò)翻 (卸) 車、輸送、堆垛、取料、輸送、裝船等多個(gè)環(huán)節(jié)，由于物料撞擊、落差以及氣流沖擊、設(shè)備攪動(dòng)、振動(dòng)等因素會(huì)產(chǎn)生大量煤塵，這些煤塵嚴(yán)重危害到人員健康和設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著人們的環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，目前各港口均采取了大量抑塵措施，環(huán)境污染問(wèn)題得到明顯改善，但是對(duì)港口企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何能夠在抑塵的同時(shí)兼顧節(jié)能和煤質(zhì)，是一個(gè)重要的研究課題[2]。

帶式輸送機(jī)是港口輸煤系統(tǒng)的重要設(shè)備，其分布范圍最廣、線路最長(zhǎng)，煤炭在帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，由于輸送帶振動(dòng)、落料沖擊、煤炭濕度小等原因，極易產(chǎn)生揚(yáng)塵，而灑水是最直接有效的抑塵手段。水能夠使干燥細(xì)小的煤塵顆粒粘連成較大顆粒，從而使顆粒增大，不易飛揚(yáng)，因此分布在帶式輸送機(jī)沿線的灑水除塵設(shè)備最多。但就目前實(shí)施效果來(lái)說(shuō)，主要問(wèn)題有 2 點(diǎn)：①灑水只作用于煤炭表面，導(dǎo)致只有一小部分煤炭濕潤(rùn)，大部分煤炭仍然干燥的情況，抑塵效果不好；② 灑水設(shè)備不能根據(jù)是否起塵、起塵量多少進(jìn)行灑水量調(diào)節(jié)，只是跟隨流程啟停，這樣就會(huì)不可避免地存在灑水過(guò)投現(xiàn)象，不僅浪費(fèi)水電，對(duì)煤炭熱值也會(huì)產(chǎn)生影響。只有在煤炭落至輸送帶之前減少煤塵，才能將灑水設(shè)備減投甚至停用，從而降低成本。針對(duì)第 1 點(diǎn)問(wèn)題，目前翻堆作業(yè)線上較為先進(jìn)的辦法是，在帶式輸送機(jī)的源頭即翻車機(jī)底層給料器里進(jìn)行灑水，在給料下煤過(guò)程中讓所有煤炭得到充分濕潤(rùn)，使煤炭在帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不再起塵，達(dá)到一次灑水全流程無(wú)塵的效果。但如何解決第 2 點(diǎn)問(wèn)題，即何時(shí)投入灑水、投灑多少量的水，在環(huán)保抑塵的前提下，節(jié)水節(jié)能的同時(shí)還能降低灑水對(duì)煤炭熱值的影響，目前各煤炭港口都在積極探索。筆者以秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線煤塵治理為例，詳細(xì)地論述了一種新型的灑水系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)粉塵檢測(cè)裝置調(diào)控底層灑水，有效地實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的目的。

1 可行性分析

要想改變?yōu)⑺{(diào)控模式，讓環(huán)保設(shè)備不再簡(jiǎn)單地跟隨流程啟停，而是依據(jù)翻堆作業(yè)線帶式輸送機(jī)起塵情況決定灑水投用量，就需要對(duì)起塵情況進(jìn)行定量分析。事實(shí)上最簡(jiǎn)單粗獷的方法是目測(cè)，起塵時(shí)就將灑水投入，起塵量大時(shí)就多投灑，但操作工不可能持續(xù)盯著帶式輸送機(jī)沿線起塵情況來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)灑水量，因此，需要使用設(shè)備檢測(cè)代替人工目測(cè)。用設(shè)備檢測(cè)起塵情況，就需要有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，用于判定起塵大小。雖然煤炭的含水率、煤化程度、粒度等因素對(duì)煤炭起塵都會(huì)產(chǎn)生影響，但卻不能根據(jù)這些因素判定起塵多少，因?yàn)橥幻悍N在不同作業(yè)環(huán)境、不同天氣下的起塵情況不同，起塵大小是由單位體積內(nèi)煤塵數(shù)量決定的，即其質(zhì)量濃度。粉塵質(zhì)量濃度是反映起塵大小的最直觀數(shù)據(jù)，因此無(wú)需考慮煤炭自身狀況如何，只需找到一種粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)設(shè)備用于判定輸煤帶式輸送機(jī)起塵大小，再用檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)灑水設(shè)備的投用情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種快速有效的控制算法，就能夠很好地解決第 2 點(diǎn)問(wèn)題。

2 粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置

2.1 安裝位置的選擇

為了能夠確保翻堆作業(yè)一次灑水全流程不起塵，粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置應(yīng)當(dāng)安裝在輸煤帶式輸送機(jī)起塵最大位置，該位置通常為 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔導(dǎo)料槽處。此處煤炭落差大，受沖擊性氣流影響，起塵最大，且導(dǎo)料槽為半封閉空間，檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。煤炭在翻車機(jī)底層被灑水后，轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)接塔導(dǎo)料槽處，如果不起塵，說(shuō)明底層的灑水是有效的，帶式輸送機(jī)沿線其他地方也不會(huì)起塵。

2.2 粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

目前并未有適用輸煤帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)時(shí)在線粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置，筆者選用了一種靜電式粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀的原理是，當(dāng)管道內(nèi)含有粉塵顆粒的氣流經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的傳感器時(shí)，粉塵顆粒在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的微弱電流被傳感器采集并傳送至變送器，經(jīng)變送器過(guò)濾、放大，處理成為一個(gè)與粉塵質(zhì)量深度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)輸出值。該檢測(cè)儀主要用于管道粉塵檢測(cè)，要求最低需在 80 cm 長(zhǎng)的金屬管道中使用，且風(fēng)速不能低于 3 m/s。為使其能夠應(yīng)用于輸煤帶式輸送機(jī)沿線上，設(shè)計(jì)了一段送風(fēng)集塵管道 (見(jiàn)圖1)，以滿足其使用條件。該管道由 3 段組成，呈門字形，兩端各裝 1 個(gè)風(fēng)機(jī)，左側(cè)風(fēng)機(jī)將煤塵從導(dǎo)料槽中抽入管道，右側(cè)風(fēng)機(jī)將煤塵從管道中送回導(dǎo)料槽，煤塵得以在管道中流動(dòng)。導(dǎo)料槽內(nèi)起塵大小不一，風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)抽到的煤塵量自然不同，則該檢測(cè)儀檢測(cè)到的煤塵質(zhì)量濃度就有差異，這種差異反映了煤塵大小，用于指導(dǎo)底層電動(dòng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)。

圖1 粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置Fig. 1 Dust mass concentration detection device

3 灑水管路布置

在翻堆作業(yè)線要想達(dá)到一次灑水全流程無(wú)塵的效果，目前最先進(jìn)的辦法就是在翻車機(jī)底層給料器里灑水，但各煤炭港口設(shè)備情況不同，管路布置方案自然會(huì)略有差異。秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線共有 2 臺(tái)翻車機(jī)、2 臺(tái)堆料機(jī)、4 個(gè)轉(zhuǎn)接塔和 7 條帶式輸送機(jī)，每臺(tái)翻車機(jī)底層有 6 個(gè)給料器，煤炭在帶式輸送機(jī)沿線上的轉(zhuǎn)運(yùn)流程起始位置是翻車機(jī)底層?；谠摲炎鳂I(yè)線設(shè)計(jì)的粉塵檢測(cè)與翻車機(jī)底層灑水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)如圖 2 所示。在翻車機(jī)底層給料器布置灑水管路，包括1 根主供水路和 6 根分支水路，在主供水路設(shè)置手輪式蝶閥、電動(dòng)閥和流量計(jì)，6 根分支水路分別進(jìn)入給料器，分支水路末端安裝霧化噴頭，在煤炭經(jīng)給料器落料過(guò)程中，水霧與煤炭充分混合。由于 6 臺(tái)給料器是同時(shí)落料，且下方輸送帶又在不停運(yùn)轉(zhuǎn)，因此落至輸送帶上的煤炭呈多層分布，且每一層煤炭均得到濕潤(rùn)，因此只要灑水量適當(dāng)，無(wú)論煤炭在帶式輸送機(jī)沿線如何振動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、受落料沖擊，都不會(huì)起塵[3]。

圖2 粉塵檢測(cè)與翻車機(jī)底層灑水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)示意Fig. 2 Sketch of linkage system of dust detection and sprinkler at bottom of car dumper

4 控制方案

4.1 控制系統(tǒng)

如圖 3 所示，控制系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程邏輯控制器 (PLC)、粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置、電動(dòng)閥、流量計(jì)及手輪式蝶閥等組成。手輪式蝶閥控制水流量上限，電動(dòng)閥調(diào)節(jié)瞬時(shí)流量，流量計(jì)反饋瞬時(shí)流量，粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)煤塵質(zhì)量濃度。電動(dòng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)信號(hào)和反饋信號(hào)、流量計(jì)反饋信號(hào)及粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置信號(hào)均引入 PLC，系統(tǒng)通過(guò) PLC 程序快速有效地自主尋找到最少灑水量。上位機(jī)用于系統(tǒng)的手自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、電動(dòng)閥開(kāi)度的顯示。

圖3 控制算法原理Fig. 3 Sketch of control algorithm

4.2 標(biāo)定煤炭起塵閾值

為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)灑水調(diào)節(jié)，需要確定煤炭起塵的閾值，即粉塵質(zhì)量濃度小于多少時(shí)沒(méi)有可見(jiàn)揚(yáng)塵。關(guān)閉帶式輸送機(jī)沿線上所有除塵設(shè)備，安排人員對(duì)帶式輸送機(jī)沿線起塵情況進(jìn)行觀測(cè)，重點(diǎn)是粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置所在轉(zhuǎn)接塔處的煤塵情況。帶式輸送機(jī)作業(yè)時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)翻車機(jī)底層灑水，逐漸加大灑水量，直至起塵消失，記錄消失時(shí)的煤塵質(zhì)量濃度，如此對(duì)多列火車多個(gè)煤種進(jìn)行多次標(biāo)定，即可確定煤炭在翻堆帶式輸送機(jī)沿線上的起塵閾值。秦皇島港煤三期翻堆作業(yè)線上的起塵閾值標(biāo)定值為 8 mg/m3，在線標(biāo)定記錄如表 1 所列。

表1 煤炭起塵閾值在線標(biāo)定記錄Tab.1 Online calibration record of coal dusting threshold

4.3 控制算法

控制算法的核心思路是，依據(jù)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置檢測(cè)值與起塵閾值比對(duì)結(jié)果，利用 PLC 給予電動(dòng)閥控制信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整其開(kāi)度，直至煤塵質(zhì)量濃度略低于起塵閾值，此時(shí)電動(dòng)閥開(kāi)度最佳，抑塵所用灑水量最少。由于灑水管路在翻車機(jī)底層，而粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置在 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔，即檢測(cè)點(diǎn)滯后于灑水點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到煤塵質(zhì)量濃度高時(shí)，調(diào)節(jié)底層灑水量后，需要間隔一定時(shí)間才能檢驗(yàn)灑水效果。如果按照通常的反饋調(diào)節(jié)思路，檢測(cè)值與閾值比較一次，調(diào)節(jié)一次灑水，那么想要找到最少灑水量，就需要反復(fù)檢測(cè)和調(diào)節(jié)電動(dòng)閥，系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期會(huì)很長(zhǎng)，期間會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間揚(yáng)塵或過(guò)量灑水，這與系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷相悖。

為了快速尋找到最少灑水量并抑制住煤塵，需要縮短檢測(cè)周期?？刂扑惴ㄔ砣鐖D 3 所示，帶式輸送機(jī)上料啟動(dòng)后，采用前饋控制方法，在 BF 帶式輸送機(jī) (見(jiàn)圖 2) 第 1 個(gè)單程長(zhǎng)度 250 m 內(nèi)，電動(dòng)閥開(kāi)度直接由 100% 開(kāi)到 0，預(yù)灑 1 遍，以便從中找出最合適的灑水量。電動(dòng)閥開(kāi)度之所以由最大逐步關(guān)閉，是為了盡可能消除粉塵在檢測(cè)點(diǎn)累積的影響。BF 帶式輸送機(jī)重載帶速為 4.6 m/s，運(yùn)行 250 m 的時(shí)間約為54 s，電動(dòng)閥在此期間由最大開(kāi)度逐步關(guān)閉，其控制信號(hào)由 20 mA 減小至 4 mA，則每 1 mA 對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)約為 3.2 s，灑水長(zhǎng)度約為 14.7 m，這樣就得到了 17個(gè) (250÷14.7) 煤炭灑水樣本。這 17 個(gè)樣本的灑水量依次遞減，樣本經(jīng) 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔落料至 BH 帶式輸送機(jī)(見(jiàn)圖 2)，由粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀依次檢測(cè)。對(duì)每個(gè)樣本均采樣 4 次，求平均值后與起塵閾值比對(duì)，判斷哪個(gè)樣本的煤塵質(zhì)量濃度低于起塵閾值 0.5 mg/m3，系統(tǒng)就認(rèn)為該樣本的灑水量能夠有效抑制帶式輸送機(jī)沿線起塵，電動(dòng)閥維持該樣本所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度。在取得煤炭灑水樣本后，未找到合適灑水量之前，電動(dòng)閥維持最大開(kāi)度，以確保粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀檢測(cè)期間帶式輸送機(jī)沿線不起塵。選定電動(dòng)閥開(kāi)度之后，再采用反饋控制方法，粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)煤塵質(zhì)量濃度，若煤塵質(zhì)量濃度變化，則電動(dòng)閥相應(yīng)地減小或增大開(kāi)度，但通常情況下，單次作業(yè)煤塵質(zhì)量濃度變化不大。

4.4 灑水精度的控制

由前文可知，抑塵的標(biāo)準(zhǔn)就是要把煤塵質(zhì)量濃度檢測(cè)值降低到閾值以下，但若檢測(cè)值遠(yuǎn)低于閾值，那說(shuō)明電動(dòng)閥開(kāi)度非常大，灑水存在過(guò)投情況，因此越接近閾值，系統(tǒng)的節(jié)水作用就越明顯，而只有精準(zhǔn)地控制灑水量，才能讓煤塵質(zhì)量濃度檢測(cè)值不斷接近閾值。該系統(tǒng)的灑水精度由電動(dòng)閥步幅和管內(nèi)流量上限調(diào)整，電動(dòng)閥步幅和流量上限越小，電動(dòng)閥每次步進(jìn)所釋放的水流量就越小。流量上限可以由手輪式蝶閥控制，電動(dòng)閥的步幅計(jì)算如下。

假定一級(jí)帶式輸送機(jī)輸送長(zhǎng)度為L(zhǎng)，重載速度為v，電動(dòng)閥控制信號(hào)量程長(zhǎng)度為R，粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)裝置響應(yīng)時(shí)間為t。樣本經(jīng)過(guò)檢測(cè)裝置處的時(shí)間不能小于該響應(yīng)時(shí)間，則樣本最小長(zhǎng)度為vt，樣本最大數(shù)量Nmax=L/vt，則電動(dòng)閥最小步幅Imin=R/Nmax=Rvt/L。依據(jù)實(shí)際情況，合理選擇電動(dòng)閥步幅，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)灑水的精準(zhǔn)控制。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

該粉塵檢測(cè)與翻車機(jī)底層灑水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭的分層灑水，煤炭與水霧充分混合；

(2) 灑水在給料器內(nèi)部，空間相對(duì)密閉，水資源利用率高；

(3) 灑水管路在翻車機(jī)底層、地面 17 m 以下，冬季不結(jié)冰，無(wú)需伴熱系統(tǒng)，節(jié)約電能；

(4) 一次灑水即可達(dá)到全流程煤塵零排放；

(5) 系統(tǒng)能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機(jī)械振動(dòng)等因素影響，全程無(wú)需人工干預(yù)。

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)實(shí)施的粉塵檢測(cè)與翻車機(jī)底層灑水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)能夠解決港口翻堆作業(yè)線輸煤帶式輸送機(jī)煤塵的控制問(wèn)題，通過(guò)定量分析帶式輸送機(jī)的起塵情況，并據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)翻車機(jī)底層灑水，達(dá)到單點(diǎn)灑水全流程無(wú)塵的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)停帶式輸送機(jī)沿線其他灑水裝置的目的，節(jié)水節(jié)能效果明顯。經(jīng)測(cè)算，該系統(tǒng)應(yīng)用后較原灑水系統(tǒng)水電費(fèi)用節(jié)約 30% 左右。該系統(tǒng)能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機(jī)械振動(dòng)等因素影響，全程無(wú)需人工干預(yù)，真正做到了“按需除塵”，在環(huán)保的同時(shí)兼顧節(jié)能和煤質(zhì)，取得良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，在港口同類行業(yè)中極具推廣價(jià)值。