哈尔乌素露天煤矿运输道路粉尘抑制技术

马 鹏

（神华准格尔能源有限责任公司哈尔乌素露天矿,内蒙古鄂尔多斯 017000）

粉尘抑制剂具有用量小、效果好，有效期长、适应性强的特点，所以国内外相关研究单位致力于研发高效的化学抑尘剂[1]。北京科技大学、武汉理工大学等高校对化学抑尘剂的中试验进行了探讨[2]。国外研究主要研究抑尘剂的抑尘机理，开发高效、环保、经济的新型化学抑尘剂[3]。关于化学抑尘剂在煤矿现场应用的研究较少。由于不同煤矿的气候、地质、工艺等条件的不同，导致化学抑尘剂的抑尘效果有所差异[4]，为促进化学抑尘剂的应用、提高抑尘效果，有必要对其实际运行进行研究。

1 研究必要性

哈尔乌素露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，矿区面积67 km2，原煤储量17.3亿t，是世界单坑产能最大的露天煤矿之一[5]。哈尔乌素露天煤矿的开发利用使当地经济上升到一个新的增长极，但粗放的开采运输方式所引发的扬尘一直以来是该矿迫切想解决的问题之一。据报道，露天煤矿的日均粉尘浓度为5～ 15 mg/m3，超过国家排放标准数百倍。汽车运输过程是粉尘产生的主要环节，其粉尘产量占全矿总产尘量的70%～ 90%[6]，且瞬时粉尘浓度高达200～ 500 mg/m3，严重影响生产作业、运输安全和工人身体健康[7-8]。因此，采用科学手段抑制运输道路扬尘，最大限度控制扬尘污染迫在眉睫。

2 防尘实验及抑尘机理

2.1 实验材料和实验方案

1）实验材料。Resinator 化学抑制剂主要由表面活性剂、合成树脂、木质素聚合物和水组成，Resinator 化学抑制剂主要化学成分见表1。实验所用水为黄河水，均取自哈尔乌素煤矿给水站，无需进一步净化。

2）实验方案。用5 台洒水车进行30 km 路面抑尘实验，其中部分道路（18 km 重载路段）喷洒抑尘剂，其余道路（12 km 非重载路段）加大洒水车密度，使道路粉尘浓度达到或接近国家规定粉尘标准小于等于4 mg/m3。对4 种不同抑尘剂浓度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）方案进行比较，找出技术可行、经济最佳的方案。根据现场道路情况，制订多种不同施工方案。对实施不同抑尘剂浓度比例（1∶23、1∶18、1∶14、1：12）、不同喷洒工艺（方案A：重载道路每公里0.5 桶抑制剂，非重载道路每天洒水6 次；方案B：重载道路每公里0.5 桶抑制剂，非重载道路每天洒水9 次；方案C：重载道路每公里0.5 桶抑制剂，非重载道路每天洒水12次；方案D：重载道路和每公里0.5 桶抑制剂，非重载道路每天洒水1 次）、不同施工道路（重载路面、非重载路面）进行比较。充分利用现有的5 辆水车能力（不新增水车），在重载道路（18 km）喷洒抑尘剂，非重载道路（12 km）加大洒水车密度，使道路粉尘浓度达到或接近国家规定粉尘标准≤4 mg/m3。每桶抑制剂单价为3.3 万元，分别核算4 种方案抑制剂年总费用，找出经济可行的方案。

表1 Resinator 化学抑制剂主要化学成分

2.2 Resinator 抑尘机理

抑制剂的抑尘机理主要分为黏结、聚集、网捕、保水4 个步骤，Resinator 化学抑制剂抑尘机理示意图如图1。

图1 Resinator 化学抑制剂抑尘机理示意图

首先粉尘颗粒与水通过抑尘剂中的表面活性剂和聚合物发生黏结。如图1（a），未加抑制剂时粉尘表面呈疏水性，在疏水作用和静电排斥作用下粉尘与水滴难以黏粘。加入抑制剂后（图1（b）），由于抑制剂中表面活性剂具有两亲性，有效改变了粉尘表面的疏水性，使粉尘和水珠容易黏结在一起。此外，抑制剂中的合成树脂和木质素等聚合物可以显著增加抑制剂溶液的表观黏度，使水珠更容易黏附在粉尘表面，发生聚集行为。在此过程中，合成树脂具有桥连作用，使水珠牢牢固定在粉尘表面，形成粉尘-水珠聚集体，其示意图如图1（c）。粉尘-水珠聚集体一方面可以固定水分，起保水作用；另一方面可以通过网捕作用进一步捕集粉尘。抑制剂中的合成树脂和木质素有效增强了粉尘-水珠聚集体的机械性强度，使其在轮胎摩擦过程中不易破碎，因此，抑制剂可有效增长抑尘效果的持续时间。

3 抑尘影响因子

为筛选出技术可行、经济最佳的粉尘抑制方案，分别研究了喷洒量、抑制剂浓度、道路类型和喷洒工艺对抑尘效果和抑尘持续时间的影响。

3.1 道路类型

每次分别喷洒30、50、70、90、110 t 浓度为1∶18的抑制剂溶液，考察喷洒量对粉尘抑制效果持续时间的影响，抑制剂溶液喷洒量对抑尘效果持续时间的影响如图2。

图2 抑制剂溶液喷洒量对抑尘效果持续时间的影响

当喷洒量低于70 t/次时，重载道路抑尘效果持续时间随喷洒量增加而增加；当喷洒量高于70 t/次时，重载道路抑尘效果持续时间为7 h 且随喷洒量继续增加几乎保持不变。喷洒量较低（低于70 t/次）时，水分大量蒸发，抑制剂渗入路面的深度较浅，对路面粉尘的黏附性较弱，在车轮碾压的情况下易失效，因此抑尘效果保持时间较短[9]。随着喷洒量的逐渐增加，抑制剂渗入路面的深度随之增加，对路面粉尘的黏附性增强，因此抑尘效果保持时间随之增加。对于非重载道路，其粉尘抑制效果持续时间随喷洒量的变化趋势与重载道路一样，但由于非重载道路受轮胎摩擦和碾压作用较弱，所以抑尘效果保持时间明显大于重载路面。综合考虑抑尘效果和运行成本，选取70 t/次为最佳喷洒。

3.2 抑制剂浓度

固定喷洒量为70 t/次，考察不同抑制剂浓度（1∶23、1∶18、1∶14、1∶12）对抑尘效果持续时间的影响，抑制剂浓度对t 重载道路和非重载道路抑尘效果持续时间的影响如图3。

图3 抑制剂浓度对t 重载道路和非重载道路抑尘效果持续时间的影响

相比于水的抑尘效果，加入抑制剂后抑尘效果持续时间明显增长。重载道路的抑尘效果持续时间随抑制剂浓度增加而增加，当抑制剂浓度为1∶23时，抑尘效果持续时间约为3.5 h；而当抑制剂浓度为1∶12 时，其抑尘效果持续时间约为5.0 h。抑制剂浓度增加约1 倍，而抑尘效果持续时间增加明显小于1 倍，所以，低抑制剂浓度更有利于抑尘效果。对于低浓度抑制剂（1∶23），其黏度较小，更易渗入路面使粉尘聚集成块；而对于高浓度抑制剂（1∶12），虽然其对粉尘的黏附聚集能力增加，但由于其黏度较大，不易渗入路面，因此对粉尘的固定深度较浅。所以，低浓度抑制剂对粉尘抑制的效率更高。对于非重载道路，抑制剂浓度对抑尘效果保持时间影响不大，较低的抑制剂浓度（1∶23）就可以使粉尘抑制效果持续时间达到24 h。所以，综合考虑抑制剂成本和效率，选取抑制剂浓度为1∶23 为最佳浓度。

3.3 运行方式

固定喷洒量为70 t/次，选取抑制剂浓度为1∶23，考察运行方案A～D 方案对实际抑尘率的影响，运行方案对粉尘去除率的影响如图4。

图4 运行方案对粉尘去除率的影响

方案A～D 方案对重载道路均有较好的抑尘效果，这主要归因于重载道路喷洒低浓度（1∶23）抑制剂抑尘。对于非重载道路，抑尘效果与水的喷洒量呈正相关，当水的喷洒量为每天6 次时，抑尘效果达到100%。综合比较4 种方案，只有方案C 和方案D 可以满足抑尘要求。方案D 的优势在于，对于非重载道路每天只需喷洒1 次低浓度抑制剂溶液，可以有效降低喷洒频率。但是抑制剂费用较大，所以，需要核算方案C 和方案D 的运行成本。

4 经济技术可行性分析

基于上述研究结果，发现只有运行方案C 和方案D 满足抑尘要求，所以仅需核算C 和方案D 的运行成本即可。按照抑制剂浓度为1∶23，，则重载道路的抑制剂消耗量为每天0.5 桶/km，若抑尘效果持续3.5 h，则每天喷洒7 次；非重载道路的抑制剂消耗量为每天0.062 5 桶/km，若抑尘效果持续24 h，则每天喷洒1 次。水费为6.5 元/t；油费为800 元/次。车辆和设备折旧费和维修费为1 600 元/次。运行方案成本核算见表2。

方案C 运行成本为351 245 元/d，方案D 运行成本为344 590 元/d。因此，方案D 运行成本较低，再考虑到实际工作强度和实施难度，方案D 更具有优势。

表2 运行方案成本核算

5 结语

化学抑制剂对哈尔乌素露天煤矿道路扬尘具有极好的抑制效果。研究结果表明：低浓度抑制剂（浓度为1∶23）更有利于抑制剂渗入地面进行抑尘；抑制剂溶液喷洒量为70 t/次时具有最佳的抑尘效果持续时间。结合成本分析和实施难度，重载道路和非重载道路均采取化学抑尘具有明显的经济优势。