棉紡車間空氣污染造成煤灰紗的成因分析與防治

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 摘要： 煤灰紗嚴(yán)重影響紡織產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也是難以解決的技術(shù)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)煤灰紗成因的分析，試圖找到煤灰紗形成的特征性規(guī)律，從而找到切實(shí)可行的技術(shù)解決途徑。

    關(guān)鍵詞： 棉紡車間 煤灰紗

    煤灰紗是指被空氣中煤煙塵污染的細(xì)紗。由于煙塵型污染，空氣進(jìn)入紡紗車間后，生產(chǎn)出來(lái)的潔白管紗會(huì)變成灰黑色，在管紗下部猶為嚴(yán)重。用煤灰紗織出的白坯布面上形成有不規(guī)則的黑條，不能用于漂白和淺色加工。煤灰紗的發(fā)生具有以下特點(diǎn)：1、時(shí)間長(zhǎng)，春秋季節(jié)會(huì)不同程度地發(fā)生，霉雨天氣，霧天最為厲害。2、影響面積大，如不采取有效防治措施，往往會(huì)出現(xiàn)大量的煤灰紗。3、 產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，至今還無(wú)十分有效的防治措施。

    1 產(chǎn)生原因

    1.1 室內(nèi)空氣中煙塵顆粒的存在

    室內(nèi)空氣中存在的煙塵顆粒由室內(nèi)外兩個(gè)污染源產(chǎn)生，即侵入室內(nèi)的室外空氣中煙塵顆粒和紡織機(jī)械滋生的油煙顆粒。

    室外空氣中的煙塵顆粒未經(jīng)有效過(guò)濾即進(jìn)入車間是煤灰紗的形成的條件之一。侵入途徑有：當(dāng)室外新風(fēng)進(jìn)入空調(diào)間時(shí)，大氣中的煙塵在沒(méi)有經(jīng)過(guò)有效過(guò)濾的情況下就與回風(fēng)混合進(jìn)入車間；由于風(fēng)壓和熱壓的作用使車間呈負(fù)壓，室外含煙塵空氣經(jīng)過(guò)門窗縫隙直接滲透進(jìn)入車間。

    處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的紡織機(jī)械零件所產(chǎn)生的高溫，會(huì)使機(jī)油析出細(xì)小顆粒甚至炭黑，造成室內(nèi)環(huán)境污染。

    1.2 靜電吸附作用

    被排放出來(lái)的煤煙灰，在其產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于相互摩擦、碰撞、接觸帶電體等原因，幾乎總帶有一定的電荷。另一方面，由于紡織纖維均為不良導(dǎo)體，在牽伸、卷繞過(guò)程中，纖維與纖維之間、纖維與皮輥之間、纖維與鋼絲圈之間的摩擦極易產(chǎn)生靜電。再則，紗穗在細(xì)紗機(jī)上，由于加捻和纏繞的需要，線速度很高，與空氣形成一對(duì)等值的反向摩擦力，它的荷電性和粘附性更強(qiáng)。正負(fù)電荷相互作用形成煤灰紗。紗的支數(shù)越高，紗穗在機(jī)上與空氣接觸的時(shí)間愈長(zhǎng)，線速度愈大，因而媒灰紗現(xiàn)象也愈嚴(yán)重。一般紡40支以上產(chǎn)品時(shí)，容易產(chǎn)生煤灰紗。

    總之，煤灰紗的產(chǎn)生是煙塵顆粒存在和靜電吸附共同作用的結(jié)果。

    2 大氣對(duì)煙塵顆粒的輸運(yùn)作用

    煤灰紗形成時(shí)大氣背景的惡化究其原因，與大氣對(duì)流層出現(xiàn)逆溫層，風(fēng)力輸運(yùn)，氣壓分布，日照時(shí)間等條件有關(guān)。因此，分析煙塵顆粒在大氣層中的流動(dòng)情況，即可清楚地了解煤灰紗形成的氣象條件。

    2.1 逆溫層中的熱泳作用

    由于煙氣內(nèi)含有水汽，屬濕絕熱膨脹，有汽化熱放出，并繼續(xù)上升，以湍流形式流向高空。這樣煙塵顆粒擴(kuò)散良好，附近紡織工廠紡紗過(guò)程中形成煤灰紗的幾率不大。若至夜晚，由于地面不再受到陽(yáng)光照射，地表溫度逐漸下降，而地面上空的空氣由于接近完全透明體，沒(méi)有多少輻射能散失，這樣會(huì)形成地表溫降快，而高空溫降慢，地表溫度低于其上面空氣的溫度。所以在晴朗的夜晚，會(huì)形成離地高度愈高，溫度亦愈高的現(xiàn)象，即形成逆溫層。一旦逆溫層高于煙囪排氣口一定距離，因?yàn)闊焽枧懦鰺煔饨^熱膨脹發(fā)生溫降，而其上空氣溫度比煙囪煙氣溫度高，則煙囪排出的煙氣不能很好的擴(kuò)散，由于熱泳作用溫度較低的煙氣發(fā)生下沉。加上未燃盡的炭粒和煤灰較空氣重，亦向下沉，故煙囪附近空氣污染嚴(yán)重，易發(fā)生煤灰紗。

    在氣候惡劣時(shí)，如冷空氣與熱濕空氣交鋒時(shí)，熱濕空氣爬到上方亦會(huì)形成逆溫層。在這種情況下，也易形成煤灰紗。清晨時(shí)，陽(yáng)光照射地面，地面吸收太陽(yáng)輻射能溫度上升，但近地面一部分空氣溫度低于地表面溫度，煙囪口上部仍為逆溫層，煙氣不能擴(kuò)散，往下沉，產(chǎn)生漫煙流，對(duì)周圍空氣的污染最為嚴(yán)重，紡織工廠此時(shí)煤灰紗亦最嚴(yán)重。

    2.2 風(fēng)力輸運(yùn)作用

    風(fēng)對(duì)煙塵顆粒有極強(qiáng)的裹挾輸運(yùn)作用， 總是將與空氣密度大體相近的煙塵輸送到遠(yuǎn)方。風(fēng)向決定了被煤煙灰污染的區(qū)域（總是在污染源的下風(fēng)方向）。風(fēng)向是忽上忽下、忽左忽右的，風(fēng)速也是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的，這種大氣湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，造成流場(chǎng)各部分之間強(qiáng)烈的混合。風(fēng)速愈大，湍流愈強(qiáng)，煤煙灰擴(kuò)散的速度就越快，稀釋的就愈好，空氣中的濃度也就愈低。但本地區(qū)空氣中煤煙灰的濃度低，即有可能造成其它地區(qū)煤煙灰的濃度升高。反之，即使本地區(qū)空氣質(zhì)量良好，也有可能由于風(fēng)力輸入了其它地區(qū)的煙塵，從而形成煤灰紗。

    2.3 氣壓分布的作用效應(yīng)

    空氣污染還與大氣壓有著密切的關(guān)系，低氣壓域內(nèi)，空氣有上升運(yùn)動(dòng)，而且通常風(fēng)速較大，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于煤煙灰的擴(kuò)散稀釋；相反，在較高的大氣壓域內(nèi)，天氣晴朗，風(fēng)速較小，空氣有較大范圍的下沉運(yùn)動(dòng)，形成逆溫，阻止向上湍流空氣的擴(kuò)散。如果有連續(xù)幾天的微風(fēng)和逆溫，便呈現(xiàn)“空氣停滯”現(xiàn)象，使大氣對(duì)煤煙灰的擴(kuò)散能力下降，從而出現(xiàn)較大范圍和較長(zhǎng)時(shí)間的污染危害。

    大氣條件屬自然力，從某種意義上講是無(wú)法抗拒與改變的。但是，我們可以探索并掌握其規(guī)律加以防備，改善現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，減輕甚至避免煤灰紗的產(chǎn)生。

    3 煤灰紗出現(xiàn)的特征性規(guī)律

    3.1 區(qū)域特征

    在城市中心區(qū)、重工業(yè)區(qū)、緊靠交通樞紐的地區(qū)極易產(chǎn)生煤灰紗。1.因?yàn)槌鞘兄行木用穸?，廠區(qū)周圍的居民設(shè)施多，有不少以燃煤為主；工廠、機(jī)關(guān)單位生活取暖、茶爐、鍋爐燃煤；都要產(chǎn)生大量煤煙排入空中，這一點(diǎn)在我國(guó)西北地區(qū)尤為突出。加之馬路上的細(xì)小塵埃，經(jīng)車輛行駛后飛起，也漂浮在低空中，進(jìn)入冬天。天冷氣壓低，這些黑灰大都在空氣的低層，形成了煤灰紗的污染源。2.在重工業(yè)區(qū)，由于動(dòng)力和工藝的要求，絕大部分地方都是煙囪林立。尤其是火力發(fā)電廠、煉鋼廠的周圍空氣污染及其嚴(yán)重。3.交通樞紐是物資周轉(zhuǎn)的中心，車船來(lái)往頻繁，由車船行駛散發(fā)和卷?yè)P(yáng)起的粉塵包括煙煤灰濃度極高，空氣污染情況嚴(yán)重，極易產(chǎn)生煤灰紗。

    3.2 季節(jié)特征

    產(chǎn)生煤灰紗機(jī)布較多的季節(jié)為l季度和4季度，即每年的10月初到次年的3月初，中國(guó)南方的梅雨季節(jié)。因?yàn)槊磕甑?0月初到次年的3月初，室外氣溫一般在0——l0℃或更低，相對(duì)濕度在85—100％的條件下，而且這種氣候氣壓更低，風(fēng)速0——0.2m／s，空氣處于基本無(wú)流動(dòng)狀態(tài)，大氣中的細(xì)小塵埃都分散在下層空間。形成煤灰紗污染源。同時(shí)，九月下旬至十月上旬，由于農(nóng)民焚燒秸桿造成空氣污染也不容忽視。

    3.3 日周期變化特征

    煤灰紗并非全天侯出現(xiàn)，在晴朗的白天，陽(yáng)光充足，地面溫度較高；而到夜晚靜風(fēng)無(wú)云，晝夜溫度變化較大時(shí)，易產(chǎn)生煤灰紗?？偟膩?lái)說(shuō)，一般產(chǎn)生于夜晚至清晨10時(shí)之前，究其原因，與大氣對(duì)流層出現(xiàn)逆溫層有關(guān)。

    清晨，陽(yáng)光照射地面，地面吸收太陽(yáng)輻射能，溫度上升。但近地面一部分空氣溫度低于地表溫度，煙囪口上部仍為逆溫層，煙氣不能擴(kuò)散，往下沉，產(chǎn)生漫煙型煙流，污染周圍空氣最為嚴(yán)重。及至上午9—10時(shí)以后，煙囪口的上空逆溫層逐漸消失，排出的煙又可充分向上擴(kuò)散，煤灰紗因此亦可消失。

    3.4 紡紗的品種特征

    所紡產(chǎn)品不同，煤灰紗疵布也不同，一般在滌棉、純滌品種上最為多見(jiàn)。而在純棉、純粘膠產(chǎn)品上則基本無(wú)煤灰紗。因?yàn)闇炀]產(chǎn)品易產(chǎn)生靜電，其可紡比電阻值應(yīng)是105Ωcm，但因?yàn)闇炀]生產(chǎn)廠家不同，此比電阻值有變化。細(xì)紗錠子在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，管紗與車間空氣摩擦而產(chǎn)生靜電，其周圍形成靜電場(chǎng)，在靜電的作用下，管紗對(duì)其周圍空氣中的煤灰有吸引力；同時(shí)管紗在高速回轉(zhuǎn)中對(duì)灰粒產(chǎn)生離心力?；伊Ｔ陟o電和離心力的同時(shí)作用下，就依附在管紗表面的毛羽尖端上，并逐步形成積聚，時(shí)間越長(zhǎng)，空氣中灰粒越多，煤灰微粒積聚也愈嚴(yán)重，最終形成煤灰紗。

    4 防治措施

    防治煤灰紗需要從兩方面考慮：1、防止煙塵顆粒的侵入；2、消除靜電效應(yīng)。只有將二者結(jié)合，才能比較有效的消除煤灰紗現(xiàn)象。

    4.1 防止煙塵顆粒的侵入

    從煙囪或汽車尾氣中大量排出未經(jīng)完全燃燒的碳黑及油煙顆粒很難用單一的除塵機(jī)理加以清除。由于油煙粒徑在0.03μm—1.0μm之間。而碳黑粒徑在 0.01μm—0.2μm之間，在此粒徑范圍內(nèi)塵埃和水滴表面存在一層氣膜。很難被水潤(rùn)濕洗滌沉降，也就是說(shuō)空調(diào)用淋水室失效。又因?yàn)榱椒秶苄?，用常?guī)的過(guò)濾方法也無(wú)能為力，所以必須層層設(shè)防，采用復(fù)合機(jī)理的方法加以有效清除。

    4.1.1 廠址、廠房型式的選擇

    紡織廠的廠址應(yīng)選在城市郊區(qū)，遠(yuǎn)離重工業(yè)帶和交通樞紐，并應(yīng)盡量處于上風(fēng)區(qū)（風(fēng)向資料可由當(dāng)?shù)貧庀笳?、臺(tái)提供）。如果條件不允許，也要偏離主風(fēng)帶，以避免風(fēng)力輸運(yùn)作用。在廠區(qū)周圍和內(nèi)部的綠化工作不容忽視，自然或人工植被是一道良好的污染物阻擋屏障。

    考慮到風(fēng)壓和熱壓的作用，廠房以新式封閉廠房為宜。舊廠房的改造因地制宜，各有特點(diǎn)，但一般采取增設(shè)過(guò)濾裝置（同時(shí)應(yīng)調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷），加強(qiáng)門窗的密封性等做法，但效果不盡人意?，F(xiàn)在出現(xiàn)的某些新方法也用于舊廠房的改造，效果有待檢驗(yàn)。

    4.1.2 新風(fēng)的處理

    新風(fēng)口直接從室外吸入空氣，是防止煙塵顆粒入侵的關(guān)鍵部位，必須加強(qiáng)防治工作。目前加設(shè)8mm厚過(guò)濾海綿窗或長(zhǎng)毛絨過(guò)濾材料，以及在鐵絲網(wǎng)或尼龍網(wǎng)框架涂副一層粘性較大機(jī)油的作法效果并不理想。

    有關(guān)資料提出靜電——纖維過(guò)濾方法。也就是，讓新風(fēng)在高壓電暈線和接地極板之間通過(guò)，使粉塵粒子荷電（或通過(guò)x射線，放射線輻射使粒子荷電）。荷電粒子隨氣流進(jìn)入過(guò)濾段，在纖維過(guò)濾層發(fā)生粉塵沉積。目前公認(rèn)的粉塵粒子荷電基本機(jī)理是：（1）離子碰撞，即離子與粉塵粒子發(fā)生碰撞，離子被粉塵粒子俘獲，使粉塵荷電；（2）離子擴(kuò)散，即離子濃度差引起離子擴(kuò)散，在此過(guò)程中，把電荷傳給粉塵粒子。雖然負(fù)電暈放電比正電暈放電效果好，但負(fù)電暈放電會(huì)產(chǎn)生比正電暈多的多的臭氧（03）和氮氧化物（N0x），故采用正電暈。在這種過(guò)濾器中，纖維濾料應(yīng)當(dāng)具有高比電阻和低吸濕性，以保持其中的電場(chǎng)?？梢杂媚纠w維、玻璃纖維、各種合成纖維以及石棉做過(guò)濾層，且氣流通過(guò)濾料必須保持低速度，因?yàn)殪o電作用對(duì)速度是敏感的。但低氣流速度，勢(shì)必造成設(shè)備投資增加，空調(diào)室占地面過(guò)大（這一點(diǎn)尤其不利于舊廠房的技術(shù)改造），同時(shí)加大了維修保養(yǎng)的難度。

    采用新型自荷電過(guò)濾材料，可以彌補(bǔ)靜電- -纖維過(guò)濾方法的不足。自荷電過(guò)濾材料的纖維本身帶有靜電，當(dāng)煙塵顆粒隨氣流通過(guò)濾料層時(shí)，隨即荷電被捕捉。此方法不僅省卻了荷電段減少了設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，而且維修保養(yǎng)極其方便，只須定期更換濾料即可。對(duì)于舊廠房改造有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

    4.1.3 回風(fēng)的處理

    實(shí)踐中往往只注意新風(fēng)口，而忽略回風(fēng)口的空氣過(guò)濾作用。其實(shí)室內(nèi)空氣污染也是形成煤灰紗的因素之一，這只有靠回風(fēng)過(guò)濾段來(lái)解決。紡織機(jī)械很多零件處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)油吸收摩擦熱后，會(huì)釋出細(xì)小的機(jī)油顆粒，如果溫度過(guò)高還會(huì)產(chǎn)生炭黑。若回風(fēng)未設(shè)過(guò)濾段，當(dāng)室內(nèi)污染物濃度達(dá)到一定濃度時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生煤灰紗。建議在回風(fēng)處加設(shè)過(guò)濾裝置。

    4.1.4 噴水室的改進(jìn)

    如果在新風(fēng)口只是設(shè)置了簡(jiǎn)單的過(guò)濾網(wǎng)而不是高效濾料，則可與皂化噴水室聯(lián)合使用，以達(dá)到凈化空氣的作用。這是一種空塔洗滌裝置，它借助于水滴及溶解其中的洗滌劑的共同作用，來(lái)達(dá)到凈化空氣的目的。當(dāng)氣流與水接觸時(shí)，除了塵粒的慣性碰撞、擴(kuò)散、凝聚等凈化機(jī)理外，還由于洗滌劑溶液降低了水的表面張力，并發(fā)生潤(rùn)濕、乳化、分散、起泡等作用，有較強(qiáng)的去污能力，使細(xì)小塵粒得以去除。

    水滴的霧化情況關(guān)系到除塵效果，為了增加氣液兩相的接觸面積，要求噴出的水滴細(xì)??；但過(guò)細(xì)的霧化增加了脫水和除沫的困難，且在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)易造成噴嘴堵塞，故宜選用中噴型噴嘴。但噴水室皂化對(duì)空氣的熱濕處理是否有影響，未除凈的泡沫對(duì)工藝和設(shè)備是否有影響，還有待商榷。

    筆者傾向于采用高效濾料，噴水室專職熱濕處理的結(jié)合。

    4.2 消除靜電效應(yīng)

    煤灰紗最終產(chǎn)生的原因是紗線產(chǎn)生靜電而捻加上煙塵。如果用抗靜電劑對(duì)紗線進(jìn)行處理，消除紗線上的靜電，必然會(huì)減少甚至消除煤灰紗。抗靜電劑是化學(xué)藥劑，具有較好的導(dǎo)電性和較強(qiáng)的吸濕性。在容易產(chǎn)生靜電的紡織材料中加入抗靜電劑后，能降低材料肋體積電阻或表面電阻，加速靜電泄漏，消除靜電?？轨o電劑是消除紡織靜電最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的方法。

    抗靜電劑是通過(guò)減少靜電的發(fā)生，加快靜電的逸散，或通過(guò)兩者相結(jié)合的方式而起到消電作用的。

    抗靜電劑在纖維表面形成了一層柔軟滑爽的親水性高聚物覆蓋膜，增大了纖維與摩擦物之間的接觸間隙，減小了接觸面積，減少了摩擦，起到了抑制靜電積累的作用。

    加快材料上靜電的散失速度是大多數(shù)抗靜電劑發(fā)揮作用的主要方式?？轨o電劑的分子由兩個(gè)基團(tuán)組成，一個(gè)是電子分布比較均勻?qū)ΨQ而無(wú)極性的基團(tuán)R，另一個(gè)是有極性的基X.對(duì)極性物質(zhì)水來(lái)說(shuō)，基團(tuán)R很難與水分子結(jié)合，稱疏水基；基團(tuán)X則易與水分子結(jié)合，稱親水基。當(dāng)抗靜電劑涂敷于纖維表面時(shí)，由于抗靜電劑的極性親水基團(tuán)與纖維極性基團(tuán)的相互作用，使抗靜電劑分子在纖維界面上形成定向排列，其疏水基向著纖維，而親水基朝向空氣，從而在纖維面上形成連續(xù)的親水表層，有利于吸收水分而使纖維的電阻值下降，加快材料上靜電的散失速度。

    抗靜電劑起作用的另一種方式是離子化。離子性的抗靜電劑本身具有良好的導(dǎo)電性，這種抗靜電劑分子在表層水分作用下發(fā)生電離，顯著提高了纖維表面的導(dǎo)電性。此外，離子性抗靜電劑還可通過(guò)中和表層電荷的方式消除帶電。

    5 結(jié)論

    煤灰紗現(xiàn)象不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，而是一個(gè)社會(huì)問(wèn)題，是社會(huì)整體生產(chǎn)背環(huán)境空氣惡化的產(chǎn)物。從過(guò)濾凈化技術(shù)上講，單一的除塵機(jī)理無(wú)法很好地解決這一問(wèn)題，必須采用多種除塵機(jī)理相結(jié)合的方法。從社會(huì)角度來(lái)說(shuō)，只有動(dòng)員社會(huì)的力量，改善能源結(jié)構(gòu)，對(duì)排放煤煙灰的工廠進(jìn)行綜合治理，才能收到事半功倍的效果。