通风设计中防治煤灰纱形成污染物因素分析

1 煤灰纱形成的影响因素

1.1 环境空气状况及车间卫生标准

随着现代工业的迅猛发展,对空气的污染也日趋严重。我国的大气污染以煤烟型为主,少数城市为煤烟型与汽车尾气污染并重。北方城市大气污染程度高于南方,冬季高于夏季,早晚高于中午和下午,产煤区及重工业区、化工区更为严重。大颗粒的煤尘为降尘,微细的油烟和碳黑颗粒则会长时间的悬浮在空中,这些颗粒会随空调系统的新风或经门、窗缝隙进入细纱车间,被吸附在高速运转的管纱表面,达到一定量时就会形成煤灰纱。我们应加强环境保护,改善能源结构,严格执行室外环境空气质量控制标准,以从环境根源上防治煤灰纱。

我国现行《工业企业设计卫生标准》所规定的工作地点生产性粉尘的最高容许浓度中,纺织车间空气最高容许浓度按“含10%以下游离SiO2的无毒性矿物性与动植物性粉尘(最高容许浓度10mg/m3)”执行。但近年来测试发现车间SiO2含量有的已达到20%～30%,远在10%以上。所以棉纺织厂空气含尘浓度应按中国纺织工程学会召开的除尘会议上建议采用的含尘浓度(老厂3.5mg/m3,新厂2.5mg/m3)[2]。

1.2 室外气象条件的影响

煤灰纱一般产生于夜晚或早晨10点以前,或某些气候条件变化时。从煤烟灰排放到降落,要经过大气的传输扩散。这种扩散与稀释能力主要与风和湍流有关[3],另外还与大气对流层出现逆温层有关。

1.2.1 风力输运与湍流作用

风对烟尘颗粒的输运作用主要是将与空气密度大体相近的烟尘输送到远方。风向决定了被煤烟灰污染的区域。若纺织厂的细纱车间在污染源的下风向,煤灰纱现象会更严重。风亦有对污染烟尘的冲淡、稀释作用,烟尘浓度与风速成反比。风向、风速变化形成大气湍流运动,造成流场各部分之间强烈的混合。风速愈大,湍流愈强,煤烟灰扩散的速度就越快,稀释就愈好,空气中的浓度也就愈低,煤灰纱现象也就越不明显。其它气象因子都是通过风和湍流的作用问接影响空气污染的。凡是有利于增大风速,加强湍流的气象条件都有利于烟尘的扩散稀释。

1.2.2 逆温层作用

在晴朗的白天,大气温度呈干绝热递减状态,而烟气内含有水汽,上升发生湿绝热膨胀,温降小于大气,故较周围大气温度高,烟气会继续膨胀上升,形成不稳定湍流流向高空。这样污染物扩散效果良好,附近纺织厂纺纱过程中形成煤灰纱的几率不大。

在晴朗无云或少云、风速不大的夜晚,地面辐射冷却快,较高气层温降慢,地表温度低于其上面空气的温度。出现离地高度愈高,温度亦愈高的现象,形成所谓逆温层,即辐射逆温[3]。一旦逆温层高于烟囱排气口一定距离,逆温层阻碍着气流的垂直运动,则烟囱排出的烟气不能很好的扩散,温度较低的烟气发生下沉。加上未燃尽的炭粒和煤灰较空气重,亦向下沉,故烟囱附近空气污染严重,易发生煤灰纱。日落前1小时逆温开始形成并逐渐扩展,黎明时逆温最强。日出后太阳辐射增强,地面温度上升,但近地面一部分空气温度低于地表面温度,烟囱口上部仍为逆温层,烟气不能扩散,往下沉,产生漫烟型烟流,使近地面处污染最为严重,此时最易形成煤灰纱。上午10时左右,逆温层完全消失,排烟又可充分向上扩散,煤灰纱亦可消失。

另外,在气候恶劣时,如冷空气与热湿空气交锋时,热湿空气爬到上方亦会形成锋面逆温层。在这种情况下,也易形成煤灰纱。当冬季中纬度沿海地区海上暖空气流到大陆上,以及暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时,会形成平流逆温[3]。

因此,要消除煤灰纱,在逆温层形成到消失的阶段是防治的重点时期。

实践证明,大雾天和室外气温在0～1O℃,相对湿度在85～100%的条件下,极易产生煤灰纱[4]。北方干燥多风的天气,飞尘大量增加也易形成煤灰纱。简言之,气象条件对煤灰纱的影响都是通过风和湍流作用的,自然现象从某种意义上讲是无法抗拒与改变的,但我们可以探索并掌握其规律,加以防备和改善现有的生产条件,减轻甚至避免煤灰纱的产生。

1.3 工艺有害物的产生

纺织设备连续24小时运转,很多零件处于高速旋转状态,摩擦所产生的高温,致使各种润滑、减磨、降温的油类挥发析出细小颗粒,如果温度过高还会产生炭黑,这些油烟颗粒的滋生造成室内环境恶化。应当注意的是,当锭子加油不当或钢铃回磨时不注意,也会形成一种类似的油污纱,较煤灰纱稍黑些,这是保全、保养工应注意的问题,不属于煤灰纱。

1.4 静电作用

被排放出来的煤烟灰,由于相互摩擦、碰撞、接触带电体等原因,几乎总带有一定的电荷。而纺织纤维均为不良导体,在牵伸、卷绕过程中,相互之间的摩擦极易产生静电,加上煤烟灰的粘附性,纱线极易吸附夹带在空气中的煤烟灰。尤其是化纤涤纶电阻高,回潮率小,产生的静电更为严重。再则,纱穗在细纱机上,由于加捻和缠绕的需要,线速度很高,与空气形成一对等值的反向摩擦力,它的荷电性和粘附性更强,因而煤灰纱现象也愈严重。

1.5 煤灰纱形成的规律

基于以上分析,煤灰纱产生有如下规律:①周围有散发灰尘、油尘、飞尘的场所,如城市中心区、重工业区等,污染严重,极易产生煤灰纱。②在整年度中,煤灰纱容易产生在夏秋之交或黄梅季节和深秋之季。九月下旬至十月上旬,农民焚烧秸杆的不良习惯造成空气污染也是形成煤灰纱的一个污染源。③每天夜晚及清晨10时之前为煤灰产生较多的时间段。

另外,所纺产品不同,煤灰纱疵布也不同。一般在涤棉、纯涤上最为多见,在纯棉、纯粘胶产品上则基本无煤灰纱。纱的支数越高,纱线在细纱机上与空气接触的时间愈长,线速度愈大,煤灰纱现象愈严重。一般纺40支以上产品时,才会产生煤灰纱。如纺14.6tex及以上产品时,100%会产生煤灰纱[1]。

2 防治措施

2.1 工艺措施抑制煤灰纱

煤灰纱产生的条件之一是细纱机纺纱过程中产生静电而吸附上烟尘,用抗静电剂处理消除纱线上的静电,必会减少甚至消除“煤灰纱”的出现。抗静电剂是通过减少静电的发生,加快静电的逸散,或通过两者相结合的方式起到消电作用。抗静电剂是消除纺织静电最经济、最实用的方法[5]。虽然生产过程中一般都会用抗静电剂进行处理,但到细纱工序时抗静电剂的性能已经明显下降。因此,需研究在细纱工序前粗纱的抗静电剂处理及其剂量、针对不同纤维的结构特点选择阳(阴)离子型抗静电剂等问题,使这种投资少且处理方法极为简单的治理煤灰纱方法,能尽快在纺织厂推广使用。

减少静电产生的另一种方法就是要打破工艺上形成的气圈空气附面层。如引用外部气流或利于空调送、回风气流组织来干扰和破坏气圈。改变纱管周围空气附面层的气流运行规律,从纺织气流的研究入手,寻求减少静电产生的方法,破坏“煤灰纱”形成的条件[6]。

此外,为了减少煤灰纱的产生,在纺织工艺上可采取:①安装高压吹管,利用高压吹气的办法清洁煤灰纱;②在细纱工序操作上,提高纱底高度,减轻纱底部污染程度;③缩短细纱纺纱时间;④根据细纱机实际情况,制作手推小车,推动小车利用上面装的两把毛刷把附在纱表面的少量油灰清除掉。

2.2 新(回)风的过滤净化措施

环境空气未经有效过滤即进入细纱车间,是形成“煤灰纱”的主要原因。新风口是防止烟尘颗粒入侵的关键部位。目前加设8mm厚过滤海绵窗或长毛绒过滤材料,以及油幕法的效果并不理想。

2.2.1 静电-纤维过滤法

双区静电除尘在纺织厂用于过滤新风,防治煤灰纱是可行的。但因纺织厂附近有较多的长纤维飞扬,为防止极板间发生搭桥短路,宜在前面加一初级过滤将长纤维滤去。有关资料提出静电-纤维过滤法[7],即让新风在高压电晕线和接地极板之间通过,使粉尘粒子荷电。荷电粒子随气流进入过滤段,在纤维过滤层发生粉尘沉积。在这种过滤器中,纤维滤料应当具有高比电阻和低吸湿性,以保持其中的电场,且气流通过滤料必须保持低速度,因为静电作用对速度比较敏感。但低气流速度,势必造成设备投资增加,空调室占地面积过大(这一点尤其不利于旧厂房的技术改造),同时加大了维修保养的难度。

2.2.2 驻极体滤料过滤法

降低过滤风速或使用高效常规滤料会使能耗增加或新风量减少,需研究适于煤灰纱的高效低阻的滤料。驻极体是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料。驻极体空气过滤材料的纤维间的静电排斥作用,使其扩散成网状孔洞,间隙尺寸远大于粉尘的尺寸,具有低阻高效的特点[8]。可采用熔喷聚丙烯非织造布等以电晕放电法进行驻极。

此方法优点:①与同类效率的机械过滤器相比,压力损失小。②与同类效率的静电过滤器相比,减少了设备投资和运行费用,耗能少,操作简单。③容尘量大,维修保养方便,只须定期更换滤料即可,龙其适于旧厂房改造。④驻极体的强电场和微电流可以导致细菌死亡,强电场亦可抑制细菌的繁殖。

此外,室内空气污染也是形成煤灰纱的因素之一,在回风处应加设过滤装置。

2.3 空调喷淋室的改进

据相关探讨,造成煤灰纱现象的粉尘粒度在2μm及以下,而中位径5μm以下,特别是lμm以下的尘埃,由于和水滴表面存在着一层气膜,很难被水润湿洗涤沉降,常规空调喷淋室无法将其洗涤除掉。

2.3.1 皂洗法

若在新风口只设置简单的过滤网而不是高效滤料,则可采用皂洗法与喷淋室联合使用,借助于水滴及溶解其中的洗涤剂的共同作用,增加粉尘与水之间的润湿性,达到净化空气的的目的。当含尘气流与水接触时,除惯性碰撞、扩散、凝聚等净化机理,洗涤剂溶液亦降低了水的表面张力,并发生润湿、乳化、分散、起泡等作用,有较强的去污能力,使细小尘粒得以去除。采用皂洗法对清除空气中的细小灰尘有较明显的效果,只要选择合适的洗涤剂,在0.5‰～1‰浓度下即能较有效地防治“煤灰纱”[9]。

采用皂洗法会消耗大量的洗涤剂,增加清洁工作量,设备的使用也受到一定的限制,且空调回水会污染环境。对空气的热湿处理是否有影响,未除净的泡沫对人体以及工艺设备是否有影响,还有待研究。

2.3.2 超声波法

为提高喷淋室除尘效率,须打破细粉尘表面的气膜。破坏气膜的方法有增加空气侧水蒸气分压力和物理破坏。流体动力式超声波凝聚喷淋室综合运用超声波凝聚、蒸气凝结凝聚、碰撞阻留作用来破坏细粉尘表面的气膜以增加粉尘与水滴之间的润湿性[10]。该法不改变常规喷淋室结构,只在原有基础上增加一排蒸汽喷排,上装蒸汽源流体动力式超声波喷嘴。可利用纺织厂原有蒸汽源,改造方便。

2.4 其它措施

以往的作法是大量使用回风,尽量少用新风。但由于滤尘系统的部分排风导致车间内呈负压,仍有许多室外含尘空气进入车间,也会产生煤灰纱,只是程度有所减轻。有条件的纺织厂可考虑另设新风进风道,并加装防煤灰过滤装置,以供0～10时或气候恶劣时使用。既不影响空调室正常供风,又可降低日常运行费用。

要健全各项规章制度,值班人员应勤巡回、巡察,掌握天气变化情况,及时采取预防措施。当天气条件不利,有可能产生煤灰纱时,空调室要少用新风,所进新风要通过过滤,同时车间必须保持正压。待天气转变为不会产生煤灰纱的条件时,空调室使用新风即可不经过过滤器而直接进入空调室,以延长过滤器的使用寿命。还要与气象部门挂钩,提供产生煤灰纱的有关资料,与气象台提供历年气象资料综合分析,摸索大环境与企业小气候对煤灰纱出现的影响,积极做好“煤灰纱”的预报防灰工作。

3 结语

煤灰纱不仅仅是技术问题,更是一个社会问题,是社会整体生产背景恶化的产物。煤灰纱的发生具有时间长、影响面积大(有时只能落半纱甚至更少)、产生机理复杂、影响因素众多的特点,由于不能有效预见煤灰纱的出现,并无十分有效的防治措施。

从社会角度来说,要改善能源结构,对排放煤烟灰的工厂进行综合治理,加强卫生及排放标准的执行。从纺织工艺上讲,要加强纺织静电及纺织气流的研究。从过滤净化技术上讲,必须采用多种除尘机理相结合的方法。保证细纱车间的微正压,提高新风净化设备的过滤效率,同时降低系统的阻力,是有效地治理“煤灰纱”的重要途径。因此,研发高效低阻的过滤材料并采用合理的正压净化设备是非常必要的。驻极体空气过滤材料等多机理空气滤料有一定的发展前景。空调喷淋室能实现多种热、湿处理,并能洗涤净化空气,在纺织厂大量使用。应充分利用原有设施,加强喷淋室在治理煤灰纱方面的研究。

参考文献:

[1] 杨公利,肖琪,等.纺纱车间防治煤灰纱空调改造.山东纺织科技,2000,(5):36～38

[2] 黄翔.纺织空调除尘技术手册.北京:中国纺织出版社,2003

[3] 郝吉明,马广大.大气污染控制工程(第二版).北京:高等教育出版社,2002

[4] 呼云汉.棉纺生产中煤灰纱的成因及其治理.陕西纺织,1995,(2):30～32

[5] 马峰,杨定君.纺织静电.西安:陕西科学技术出版社,1991

[6] 黄翔.“煤灰纱”治理方法的研究现状与发展方向.棉纺织技术,2002,30(9):29～32

[7] 陈柳等.治理“煤灰纱”现象的新思路.北京纺织,2001,22(1):55～57

[8] 赵登育,董惠民.煤灰纱与驻极体.四川纺织科技,2003,(5):13～14

[9] 董惠民等.采用皂洗法净化空气的研究-“煤灰纱”防治初探.西北纺织工学院学报,1996,(2):140～144.

[10] 李刚,黄翔.流体动力式超声波喷水室治理“煤灰纱”研究.棉纺织技术,2005,33(7):20～22.