肖 凯

（秦皇岛港股份有限公司第二港务分公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

随着国家环保要求逐步提高，建于20 世纪80 年代的煤炭堆场环保水平必须与之相适应。近年来，针对煤炭堆场环保建设也加大投入力度。但由于需在原址上对堆场环保除尘设备进行升级改造，受到环境、空间等因素限制，因此需要因地制宜，找出最合理的途径，既满足环保新要求又能解决实际问题。

为弥补喷枪出水量大且抑制浮尘效果较差、防风网因空间受限不能形成合围的缺陷，找出一种能有效抑制浮尘、彻底整治卫生死角的手段势在必行。受高压微雾依靠高压水、经过特制喷嘴后形成细小水雾、利用打散的水雾颗粒捕捉浮尘原理启发，一种大功率、大雾量的风送式抑尘喷雾机应用到堆场浮尘治理的想法应运而生。基本思路为：在堆场外侧增加风送式抑尘喷雾机，利用加压泵使水滴形成细小的水雾，配合轴流风机系统将增加水雾覆盖范围，多台使用形成水雾屏障，捕捉空气中漂浮的粉尘，与粉尘相结合后形成较大颗粒，使其快速沉降到地面，从而产生显著的抑尘、固尘效果。

1 技术方案

1.1 抑尘原理

根据空气动力学原理，含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞被捕捉，即通过粉尘粒子与液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现捕捉的，其被捕捉的概率与雾滴直径、粉尘受力情况有关：雾滴大时，尘粒仅仅是随绕流绕过雾滴而未能被捕集；雾滴与尘粒粒径相近时，更容易与尘粒相撞而捕集到粉尘。

在喷雾区内，液滴迅速蒸发时必然会在液滴附近区域内产生蒸汽组分的浓度梯度，形成由液滴向外流动扩散的斯蒂芬流。同样，当蒸汽在某一核上凝结时，也会造成核周围蒸汽浓度的不断降低，形成由核周围向凝结核运动的斯蒂芬流。因此，悬浮于喷雾区中的“呼吸性粉尘”颗粒，必然会在斯蒂芬流的输送作用下运动，最后接触并粘附在凝结液滴上被湿润捕集。形成的凝结核不断变大变重，在重力作用下自然沉降，进而达到抑制粉尘的目的，实现固尘效果（图1）。

图1 抑尘原理

1.2 抑尘机参数及功能

每隔80 m 安装1 台抑尘机，射程60 m、流量6 m3、雾化颗粒30～150 μm、总功率24.75 kW，喷嘴数量为72 个。每台抑尘机由高压供水系统、水雾化系统、轴流风机系统、俯仰液压系统、水平回转系统、电控系统等部分组成。

（1）高压供水系统将水加压提高至5 MPa，经过管道输入到双层雾环，再经72 个高压喷嘴雾化形水雾，水雾经由轴流风机所喷射的高速空气将其发送到较远距离，形成较大范围水雾屏障。

（2）俯仰液压系统：由液压泵、油缸等部件组成，可根据风力、风向在-10°～45°范围内调整至最佳喷射角度并锁止。

（3）水平回转系统：由回转电机、齿轮、轴承等组成，可通过本地或远程控制喷筒在-160°～+160°范围内调整到最优角度并锁止。此外，还可控制其在回转范围内往复转动。

（4）轴流风机系统：主要包括9 个部分，分别为进风筒、风机段、出风筒、轮毅叶片、电机、电机座、导叶筒和导叶。工作原理是，将叶片旋转的机械能转换成流动空气总压的增加而使空气连续流动，通过改变流体动量来实现能量的转换。当叶轮旋转时，气体从集流器吸入，气体受到叶轮叶片的推挤而获得能量，然后流入导叶，导叶的作用是将一部分偏转的气流转化为轴向流动，使气体的动能变为静压能，从出风筒流出。轴流风机的叶片一般是可以转动角度的，即安装角可调。通过调节叶片的安装角并保持在一定角度，使其在变工况工作时仍具有较高的效率。

（5）水雾化系统：水经过过滤器—多级增压泵—喷雾环—喷头；可以在喷雾环上均布安装若干个水雾喷头。其中最主要的就是水雾喷头，它是将水细化的重要元器件。高压水流高速通过喷头的过渡导流孔，在超高的水流速度下，收缩喷口使空气加速，并产生高频率旋转水流，冲击出水细孔形成细化水滴，配合高速的喷射式轴流风机形成水雾，喷射的水雾颗粒直径≤100 μm，实现对悬浮在空气中的粉尘颗粒进行有效吸附的要求，使粉尘受重力作用而沉降，从而达到抑尘作用。

1.3 远程控制通信方案

基本的设计思路为，铺设光纤到除尘泵房内，每处抑尘机通过T-BOX 以太网模块连接控制器及上位操作系统。要求T-BOX 以太网模块支持Modbus-RTU 串口设备，实际上，安装的控制器适合这种工业以太网控制系统。在每处抑尘机处设置控制系统箱，系统内包含全套的电气元件及PLC 等，采用信捷XD 系列可编程控制器作为核心控制元件，此类型控制器为以太网型控制器，具备RJ45 口，支持TCP/IP 协议，可实现基于以太网的MODBUS-TCP 通信、自由格式通信。支持程序上下载、在线监控、远程监控、与其他TCP/IP 设备通信。XD 系列PLC 拥有更快的指令处理速度，相当于同类型控制器的12～15倍以上，重点表现在浮点指令运算速度提高显著，扫描周期单位为“μs”。

1.4 逻辑控制

抑尘机启动时延时响铃报警，报警30 s 结束后供水电磁阀开启、加压水泵运行；轴流风机按顺序依次启动，自动回转系统运行，依靠限位做往复运动。抑尘机停止时，电磁阀、加压水泵、轴流风机回转系统停止运行，泄水电磁阀打开并在5 min 后自动关闭。另外，应将管路中的水尽量放空，防止冬季冻结结冰。

1.5 上位系统开发

抑尘机可通过雾环处动画效果实时显示设备运行状态，电磁阀、水泵、旋转左右极限也可通过点亮图标显示。旋转切换按钮可在自动运行状态下锁定或解除任一台抑尘机的旋转功能，可实现定点喷洒。自动启动和停止可同时控制三台抑尘机的启用和停止。在自动状态下，点击设备的自动启动按钮，第一台设备先启动，当第一台设备完全启动后，系统发出第二台设备的启动信号来控制第二台设备的启动，当第二台设备完全启动后，系统发出第三台设备启动信号控制第三台设备启动；点击自动停止按钮，设备全部停止。根据现场实际需求，可单独设定每台设备的运行时间、报警时间。

此外，每台抑尘机还可实现分控，点击锁定按钮，可实现某一抑尘机可随或可不随自动状态运行；也可在手动状态下调整任抑尘机回转、俯仰以及启停；并且自动、手动状态都能显示低温、缺水、通信、控制以及各功能运行状态，方便操作或检修人员及时发现故障，及时处理。

2 辅助功能设计

2.1 行人避让方案

因设备布置于皮带机沿线，高压喷雾可能对设备维修保养人员造成伤害，故需要考虑增加行人保护系统，并在设备之间设置供行人快速撤离的扶梯。每台抑尘机设置启动报警系统，并可单独设置运行时间和响铃时间（报警时间不少于30 s），在此区域的行人听到响铃后可就近选择扶梯撤离到安全位置，防止误伤。

2.2 避让大机解决方案

在正常启动抑尘时，喷雾可能喷射至在此区域大机上，会加速大机钢结构锈蚀速度，冬季喷洒还会造成设备结冰，影响设备运行及上下人员安全。因此，针对此问题设计大机行走限位，防止水雾喷洒到大机导致影响设备稳定运行。

大机上安装碰铁，地面上南北两侧距离每台抑尘机40 m处设置双触点限位器，PLC 连接两组双触点限位器来反馈大机行走位置信号。在自动除尘的情况下，当大机行走或停留在任何一台抑尘机喷射范围外时，抑尘机自动除尘均正常运行。大机上安装碰铁，当触碰任一抑尘机限位器触点，判断大机进入喷射范围，相应抑尘机停止喷射。当大机再次触碰或触碰另一限位器时，判断大机离开喷射区域，相应抑尘机解除限制，自动状态恢复。大机行走限位的启用与禁用可以通过上位操作系统进行更改，且上位系统设置复位功能，防止误动作。

2.3 泄水功能实现方案

由于抑尘机停止运行后，雾环中的水只能依靠喷嘴缓慢流出，考虑到冬季低温可能会造成喷嘴结冰，因此对设备加以改进，解决此问题。设计思路为取消机上原有电磁阀，在地面供水管路处设置供水电磁阀，并在靠近设备端设置泄水电磁阀。工作原理为正常工作时，供水电磁阀打开、泄水电磁阀关闭，抑尘机正常工作；停止运行时，供水电磁阀关闭、泄水电磁阀打开，雾环、水泵、中间旋转接头及所有管路中的水一并泄出，延时5 min关闭，时间可根据实际情况任意更改，再配合保温伴热，实现一年四季投用。

3 主要技术创新点

（1）利用布朗运动技术捕捉空气中细小粉尘。通过加压泵及雾化喷嘴形成水雾，微粒表面张力基本为零，能迅速吸附空气中的粉尘颗粒，有效与粉尘结合后沉降，从而产生固尘效果。

（2）精细化设计上位操作界面及功能，方便操作或检修人员及时查看抑尘机运行或故障信息，并与现场喷枪站画面融合，实现集中控制，达到人员精简目的。

（3）设计大机避让系统，可实现抑尘机随大机位置变化自动投用或停止，防止大机进入抑尘机区域后造成设备腐蚀或冬季结冰现场，减少对大机稳定运行的影响。

（4）设计泄水功能，将雾环、水泵、旋转接头以及机上所用管路中的水在极短时间内完全卸出，配合保温伴热功能，解决原设备设计缺陷，保证一年四季可正常投入使用。

（5）抑尘机中间位置设置走梯，配合运行前响铃报警以及筒体角度固定，保证人员可安全通行或快速撤离此区域。

4 实施效果

根据大气污染防治要求可实现定时、定点或不间断运行，配合堆场喷枪系统，形成双重屏障，有效降低粉尘浓度，抑制粉尘外溢，为绿色港口建设提供有力保障。