抓斗卸船机抑尘方案设计及仿真研究

朱 勇 钱 昊
上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：桥式抓斗卸船机在抓斗作业时会产生粉尘飞扬，影响着港口环保的建设。虽然目前在粉尘防治方面有多种方案，但效果相对较差。文中对卸船机接卸木片类和粮食化肥类两种不同类型的物料，在采用了常规的水雾抑尘，真空除尘方法后，应用了防尘漏斗技术，微孔板形式的挡风壁技术，并对采用的抑尘除尘方案进行了计算机仿真模拟。计算机仿真模拟结果表明，采用该方案有明显防尘效果。

关键词：抓斗卸船机；除尘抑尘；防尘漏斗；微孔板；计算机仿真

中图分类号：U653.928 文献标识码：A 文章编号：1001-0785(2020)09-0047-04

0 引言
环境污染是近几年来国家重点关注需要解决的重要问题。干散货码头空气中固体颗粒物含量较高，对港口工作人员身体健康产生危害，同时对港口所在城市的空气质量也产生一定的影响。因此，在装卸船工作选择作业设备时，尤其要考虑该设备的环保性。由于受环境，接卸物料等因素的影响，众多港口码头无法选用连续式链斗机，螺旋机等高效环保性码头接卸设备。

桥式抓斗卸船机通过换取不同种类的抓斗可满足不同物料的作业，且效率较高，设备维护成本低廉，得到了较多港口的欢迎。然而，桥式抓斗卸船机环保性较差，抓斗从船舱抓料，运到漏斗上方，在抓斗打开放料时，物料将携带大量空气进入漏斗，在漏斗卸料区内形成很大的正压，对物料颗粒产生较大向上推力，质量和密度较小的颗粒将被夹带悬浮在空气中，大量高分散度粉尘沿漏斗璧及漏斗上的挡风壁往四周扩散，从而产生大量的粉尘，污染了周围的环境。因此，桥式抓斗卸船机作业时，可在漏斗区域，采取一定的技术措施，控制粉尘的逸出，降低和抑制了风尘的飞扬。某港口需新添一台卸船设备，用于卸化肥、粮食、木片等物料。物料特性如表1 所示。

该港口对桥式抓斗卸船机的除尘抑尘要求较高，需要达到的指标为：装卸机械的司机室和其他室内作业场所空气含粉尘浓度不得超过10 mg/m3，卸船机作业场所空气含尘浓度的不得超过20 mg/m3，测量方法按GBZT 192.1—2007《工作场所空气中粉尘测定》进行检测。

1 卸料系统
如图1 所示，桥式抓斗卸船机的卸料系统由海侧接料板、漏斗上方两侧挡风板、漏斗陆侧双开挡风门、漏斗、振动给料器、分叉漏斗、导料槽、水雾抑尘系统和真空除尘系统等部件组成。

图1 卸料系统

2 抑尘除尘方案
2.1 水雾抑尘系统
水雾抑尘技术是目前应用较多的一种抑尘技术。其原理是应用压缩空气冲击共振腔产生超声波，超声波把水雾化成浓密的、直径为1 ～ 20μm 的微细雾滴, 雾滴在局部密闭的产尘点内捕获、凝聚微细粉尘，使粉尘迅速沉降下来实现就地抑尘。由于影响干雾抑尘效率的因素是雾粒的大小，只要保证水雾颗粒粒径与所需治理粉尘粒径相近即可。而其对粉尘治理的根本原理在于水雾颗粒与粉尘颗粒相互吸附、凝结而沉降，只要水雾总量大于粉尘颗粒量，就能有效抑制粉尘，粉尘浓度的变化对设备的抑尘效率影响不大。

因此，在卸船机漏斗区域配置1 套水雾抑尘设备，由微米级水雾机、水雾箱总成、螺杆空压机、压缩储气罐、增压泵、防腐水箱、水雾箱控制器、万向节总成、水气分配器、管道、过滤器、阀件等组成。16 组水雾喷嘴分别布置在漏斗两侧挡风壁上的中间位置。水雾抑尘装置主要用于抓斗接卸木片类卸船作业。

2.2 真空除尘系统
真空除尘系统为使用多种纤维和滤膜制造而成的复合织物编织成滤袋，含尘气体在除尘风机产生的压差作用下被吸入这个滤袋。当气体通过滤袋后，粉尘将被阻留在滤袋内。阻留在滤袋内的粉尘通过振打或反吹可将粉尘从滤袋上清除，并通过专门的管道输送到指定的收集区；通过滤袋过滤过的清洁空气向大气空间排放。因此，在卸船机漏斗区域配置了一套真空除尘设备，由吸尘管、除尘器总成、吸风机、空气压缩系统、控制部分等组成。真空除尘中的两个吸风口分别布置在漏斗上方两侧挡风壁的下方处；另外两个吸风口布置在近漏斗口两侧的下方。真空除尘系统装置主要用于抓斗接卸粮食和化肥类的卸船作业。

2.3 防尘漏斗
如图2 所示，为了增加抑尘效果，采用防尘漏斗技术。防尘漏斗是在普通漏斗上方额外设计一个下端开口的抑尘仓。

当抓斗在漏斗中打开卸料时，富含粉尘的气流将沿斗壁上升，进入抑尘仓。由于抑尘仓上方是封闭的，故上升气流受到了阻断，气流流速将会突然下降，而粉尘在重力作用下将落回漏斗中，从而达到降低扬尘的功效。

2.4 微孔挡风板
在卸料过程中，卸船机抓斗在漏斗上方卸载物料，物料会将漏斗区的空气向四周排出，排出的空气夹带着大量微小粉尘，此时粉尘污染最严重。如图3 所示，若此时刚好有气流通过挡风壁，且漏斗上方两侧采用普通钢板形式的侧挡风壁时，气流在漏斗区内部行成了低压区，风向向下偏转，形成涡流区，吹散较大颗粒粉尘并带走水珠，造成污染的扩大化。

图2 防尘漏斗

若漏斗上方两侧采用钢板上开有微孔形式的侧挡风壁时，即钢板按一定规律布置的一定开孔率的微小孔。如图4 所示，当气流吹向侧挡风壁时，一部分风可透过微孔板，漏斗区内部就不会形成低压区，也就不会形成涡流风，从而减少较大颗粒粉尘的飞扬。

图4 钢板上开有微孔形式的侧挡风壁风向示意

因此，在卸船机漏斗上方的侧挡风壁和陆侧挡风门均采用了这样的结构形式：侧挡风板的下半部分采用普通钢板，便于安装真空除尘器的吸风口，同时保证真空除尘器的吸风效率。在侧挡风壁的上半部分，安装了单层微孔板。陆侧挡风门下半部分采用普通钢板，上半部分采用按一定间距布置的两层微孔板的结构形式（见图1）。

3 抓斗作业方式
在抓斗作业过程中，物料被高高举起，然后作自由落体运动，再加上气流的流动，造成粉尘的扩散。抓举高度越高，物料在空中飞扬的时间越长，产生的粉尘也越多。

因此，降低卸料高度是降低粉尘飞扬的重要手段之一。在保证作业安全的前提下，尽可能地降低抓斗与漏斗之间的落差。可有效控制粉尘的飞扬。该抓斗卸船机在作业时，根据不同的物料设定不同的打开高度要求。例如在接卸粮食类，化肥类物料时，抓斗打开高度与漏斗格栅落差约1 m 左右，这个位置恰好是在漏斗上抑尘仓附近，抓斗落料产生的扬尘一部分可通过抑尘仓降低，一部分可进入真空除尘系统；在接卸木片类物料时，考虑到木片抓斗打开度较大，且不必使用真空除尘系统。因此，抓斗打开落料位置距离漏斗上表面约1 m 左右，木片下落时产生的扬尘可通过水雾抑尘系统得到降低。

4 抑尘方案的分析
针对上述采取的抑尘方案，进行计算机仿真模拟分析。应用计算流体动力学（CFD）与离散单元法(DEM)耦合的方法进行数值分析和研究。将风看做流体，应用流体动力学方法进行模拟；将粉尘颗粒看做固体，应用离散单元法进行模拟。通过耦合交换数据，进行迭代计算，模拟二者之间的相互作用。在单纯通过计算流体动力学方法进行分析的基础上，引入了离散单元法用离散
的微小单元对粉尘颗粒进行描述与模拟，这与实际情况基本一致；同时离散单元法还可以对粉尘颗粒间的相互作用进行描述与模拟。因此，仿真模拟的场景与实际情况更为接近。计算结果较计算流体动力学中的简单气固二相流模型也更为直观和准确，并可通过直观分析扬尘在各种工况下的运动轨迹，进而确定抓斗卸船机抓斗在漏斗区打开时，粉尘的飞扬状况。

计算机模拟分析考虑的物料包含木片、粮食和化肥，其中木片密度0.4 t/m3，粮食密度0.8 t/m3，化肥密度1.1t/m3，每次仿真分析同时考虑三种物料进行分析，粉尘颗粒粒度按正态分布，均值设置为500μm。设定各种计算工况风速为10 m/s，风向分别按平行于大车轨道方
向和垂直于大车轨道方向。

4.1 计算工况及结果对比
通过CFD 与DEM 方法耦合方法，设立了多种工况及挡风壁的不同结构，进行了计算对比。仿真分析结果在EDEM 后处理中可直接观察。限于篇幅的原因，这里只罗列几种工况。
1）风平行大车轨道时，侧挡风门不同结构，抑尘效果仿真如图5、图6 所示。

图 5 真空吸尘器开启，无孔板的侧挡风壁

2）风垂直大车轨道时，陆侧挡风门不同方案防尘效果仿真如图7、图8 所示。

图7 陆侧挡风门采用单层微孔板

图8 陆侧挡风门采用双层微孔板

4.2 计算机模拟结果
4.2.1 大车轨道方向
在打开真空除尘器时，采用两侧微孔挡风板相比两侧挡风板不开孔时降尘量约达到95% 以上。
4.2.2 垂直大车轨道方向
后挡风门采用单层微孔挡风板相比后挡风门采用普通钢板降尘量约达10%；后挡风门采用双层微孔挡风板相比后挡风门采用单层微孔板降尘量约达到80% 以上；后挡风门采用双层微孔板相比后挡风门采用普通钢板板降尘量约达到90% 以上。

5 结语
桥式抓斗卸船机的粉尘防治工作是干散货港口一项长期性、艰巨性的工作，通过坚持科学的方法，不断对防尘抑尘技术进行创新和研究，并做好防尘抑尘设备设施技术的建设改造，港区的粉尘将可以得到有效的控制，达到创建绿色港口的目标。

参考文献
[1] GB/T 5817—2009 粉尘作业场所危害程度分级[S].
[2] 游景茂，张晓川. 抓斗卸船粉尘的治理[J]. 港口装卸，2008（5）：34-36.
[3] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].
[4] 付海明，沈恒根. 移动式卸船机除尘系统设计及应用[J].环境工程，2004（1）：41-43，4.
[5] 郝永刚. 布袋除尘器在输煤系统中的应用[J]. 内蒙古电力技术，2002(b6)：58，59.