棉纺车间空气污染造成煤灰纱的成因分析与防治

摘要： 煤灰纱严重影响纺织产品质量，同时也是难以解决的技术问题。本文通过对煤灰纱成因的分析，试图找到煤灰纱形成的特征性规律，从而找到切实可行的技术解决途径。
    关键词： 棉纺车间 煤灰纱
    煤灰纱是指被空气中煤烟尘污染的细纱。由于烟尘型污染，空气进入纺纱车间后，生产出来的洁白管纱会变成灰黑色，在管纱下部犹为严重。用煤灰纱织出的白坯布面上形成有不规则的黑条，不能用于漂白和浅色加工。煤灰纱的发生具有以下特点：1、时间长，春秋季节会不同程度地发生，霉雨天气，雾天最为厉害。2、影响面积大，如不采取有效防治措施，往往会出现大量的煤灰纱。3、 产生机理复杂，影响因素多，至今还无十分有效的防治措施。
    1 产生原因
    1.1 室内空气中烟尘颗粒的存在
    室内空气中存在的烟尘颗粒由室内外两个污染源产生，即侵入室内的室外空气中烟尘颗粒和纺织机械滋生的油烟颗粒。
    室外空气中的烟尘颗粒未经有效过滤即进入车间是煤灰纱的形成的条件之一。侵入途径有：当室外新风进入空调间时，大气中的烟尘在没有经过有效过滤的情况下就与回风混合进入车间；由于风压和热压的作用使车间呈负压，室外含烟尘空气经过门窗缝隙直接渗透进入车间。
    处于高速旋转状态的纺织机械零件所产生的高温，会使机油析出细小颗粒甚至炭黑，造成室内环境污染。
    1.2 静电吸附作用
    被排放出来的煤烟灰，在其产生和运动过程中，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。另一方面，由于纺织纤维均为不良导体，在牵伸、卷绕过程中，纤维与纤维之间、纤维与皮辊之间、纤维与钢丝圈之间的摩擦极易产生静电。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。正负电荷相互作用形成煤灰纱。纱的支数越高，纱穗在机上与空气接触的时间愈长，线速度愈大，因而媒灰纱现象也愈严重。一般纺40支以上产品时，容易产生煤灰纱。
    总之，煤灰纱的产生是烟尘颗粒存在和静电吸附共同作用的结果。
    2 大气对烟尘颗粒的输运作用
    煤灰纱形成时大气背景的恶化究其原因，与大气对流层出现逆温层，风力输运，气压分布，日照时间等条件有关。因此，分析烟尘颗粒在大气层中的流动情况，即可清楚地了解煤灰纱形成的气象条件。
    2.1 逆温层中的热泳作用
    由于烟气内含有水汽，属湿绝热膨胀，有汽化热放出，并继续上升，以湍流形式流向高空。这样烟尘颗粒扩散良好，附近纺织工厂纺纱过程中形成煤灰纱的几率不大。若至夜晚，由于地面不再受到阳光照射，地表温度逐渐下降，而地面上空的空气由于接近完全透明体，没有多少辐射能散失，这样会形成地表温降快，而高空温降慢，地表温度低于其上面空气的温度。所以在晴朗的夜晚，会形成离地高度愈高，温度亦愈高的现象，即形成逆温层。一旦逆温层高于烟囱排气口一定距离，因为烟囱排出烟气绝热膨胀发生温降，而其上空气温度比烟囱烟气温度高，则烟囱排出的烟气不能很好的扩散，由于热泳作用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。
    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逆温层。在这种情况下，也易形成煤灰纱。清晨时，阳光照射地面，地面吸收太阳辐射能温度上升，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，产生漫烟流，对周围空气的污染最为严重，纺织工厂此时煤灰纱亦最严重。
    2.2 风力输运作用
    风对烟尘颗粒有极强的裹挟输运作用， 总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（总是在污染源的下风方向）。风向是忽上忽下、忽左忽右的，风速也是时强时弱的，这种大气湍流运动的结果，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，稀释的就愈好，空气中的浓度也就愈低。但本地区空气中煤烟灰的浓度低，即有可能造成其它地区煤烟灰的浓度升高。反之，即使本地区空气质量良好，也有可能由于风力输入了其它地区的烟尘，从而形成煤灰纱。
    2.3 气压分布的作用效应
    空气污染还与大气压有着密切的关系，低气压域内，空气有上升运动，而且通常风速较大，大气处于不稳定状态，有利于煤烟灰的扩散稀释；相反，在较高的大气压域内，天气晴朗，风速较小，空气有较大范围的下沉运动，形成逆温，阻止向上湍流空气的扩散。如果有连续几天的微风和逆温，便呈现“空气停滞”现象，使大气对煤烟灰的扩散能力下降，从而出现较大范围和较长时间的污染危害。
    大气条件属自然力，从某种意义上讲是无法抗拒与改变的。但是，我们可以探索并掌握其规律加以防备，改善现有的生产条件，减轻甚至避免煤灰纱的产生。
    3 煤灰纱出现的特征性规律
    3.1 区域特征
    在城市中心区、重工业区、紧靠交通枢纽的地区极易产生煤灰纱。1.因为城市中心居民多，厂区周围的居民设施多，有不少以燃煤为主；工厂、机关单位生活取暖、茶炉、锅炉燃煤；都要产生大量煤烟排入空中，这一点在我国西北地区尤为突出。加之马路上的细小尘埃，经车辆行驶后飞起，也漂浮在低空中，进入冬天。天冷气压低，这些黑灰大都在空气的低层，形成了煤灰纱的污染源。2.在重工业区，由于动力和工艺的要求，绝大部分地方都是烟囱林立。尤其是火力发电厂、炼钢厂的周围空气污染及其严重。3.交通枢纽是物资周转的中心，车船来往频繁，由车船行驶散发和卷扬起的粉尘包括烟煤灰浓度极高，空气污染情况严重，极易产生煤灰纱。
    3.2 季节特征
    产生煤灰纱机布较多的季节为l季度和4季度，即每年的10月初到次年的3月初，中国南方的梅雨季节。因为每年的10月初到次年的3月初，室外气温一般在0——l0℃或更低，相对湿度在85—100％的条件下，而且这种气候气压更低，风速0——0.2m／s，空气处于基本无流动状态，大气中的细小尘埃都分散在下层空间。形成煤灰纱污染源。同时，九月下旬至十月上旬，由于农民焚烧秸杆造成空气污染也不容忽视。
    3.3 日周期变化特征
    煤灰纱并非全天侯出现，在晴朗的白天，阳光充足，地面温度较高；而到夜晚静风无云，昼夜温度变化较大时，易产生煤灰纱。总的来说，一般产生于夜晚至清晨10时之前，究其原因，与大气对流层出现逆温层有关。
    清晨，阳光照射地面，地面吸收太阳辐射能，温度上升。但近地面一部分空气温度低于地表温度，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，污染周围空气最为严重。及至上午9—10时以后，烟囱口的上空逆温层逐渐消失，排出的烟又可充分向上扩散，煤灰纱因此亦可消失。
    3.4 纺纱的品种特征
    所纺产品不同，煤灰纱疵布也不同，一般在涤棉、纯涤品种上最为多见。而在纯棉、纯粘胶产品上则基本无煤灰纱。因为涤纶产品易产生静电，其可纺比电阻值应是105Ωcm，但因为涤纶生产厂家不同，此比电阻值有变化。细纱锭子在高速回转时，管纱与车间空气摩擦而产生静电，其周围形成静电场，在静电的作用下，管纱对其周围空气中的煤灰有吸引力；同时管纱在高速回转中对灰粒产生离心力。灰粒在静电和离心力的同时作用下，就依附在管纱表面的毛羽尖端上，并逐步形成积聚，时间越长，空气中灰粒越多，煤灰微粒积聚也愈严重，最终形成煤灰纱。
    4 防治措施
    防治煤灰纱需要从两方面考虑：1、防止烟尘颗粒的侵入；2、消除静电效应。只有将二者结合，才能比较有效的消除煤灰纱现象。
    4.1 防止烟尘颗粒的侵入
    从烟囱或汽车尾气中大量排出未经完全燃烧的碳黑及油烟颗粒很难用单一的除尘机理加以清除。由于油烟粒径在0.03μm—1.0μm之间。而碳黑粒径在 0.01μm—0.2μm之间，在此粒径范围内尘埃和水滴表面存在一层气膜。很难被水润湿洗涤沉降，也就是说空调用淋水室失效。又因为粒径范围很小，用常规的过滤方法也无能为力，所以必须层层设防，采用复合机理的方法加以有效清除。
    4.1.1 厂址、厂房型式的选择
    纺织厂的厂址应选在城市郊区，远离重工业带和交通枢纽，并应尽量处于上风区（风向资料可由当地气象站、台提供）。如果条件不允许，也要偏离主风带，以避免风力输运作用。在厂区周围和内部的绿化工作不容忽视，自然或人工植被是一道良好的污染物阻挡屏障。
    考虑到风压和热压的作用，厂房以新式封闭厂房为宜。旧厂房的改造因地制宜，各有特点，但一般采取增设过滤装置（同时应调整风机负荷），加强门窗的密封性等做法，但效果不尽人意。现在出现的某些新方法也用于旧厂房的改造，效果有待检验。
    4.1.2 新风的处理
    新风口直接从室外吸入空气，是防止烟尘颗粒入侵的关键部位，必须加强防治工作。目前加设8mm厚过滤海绵窗或长毛绒过滤材料，以及在铁丝网或尼龙网框架涂副一层粘性较大机油的作法效果并不理想。
    有关资料提出静电——纤维过滤方法。也就是，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（或通过x射线，放射线辐射使粒子荷电）。荷电粒子随气流进入过滤段，在纤维过滤层发生粉尘沉积。目前公认的粉尘粒子荷电基本机理是：（1）离子碰撞，即离子与粉尘粒子发生碰撞，离子被粉尘粒子俘获，使粉尘荷电；（2）离子扩散，即离子浓度差引起离子扩散，在此过程中，把电荷传给粉尘粒子。虽然负电晕放电比正电晕放电效果好，但负电晕放电会产生比正电晕多的多的臭氧（03）和氮氧化物（N0x），故采用正电晕。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。可以用木纤维、玻璃纤维、各种合成纤维以及石棉做过滤层，且气流通过滤料必须保持低速度，因为静电作用对速度是敏感的。但低气流速度，势必造成设备投资增加，空调室占地面过大（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。
    采用新型自荷电过滤材料，可以弥补静电- -纤维过滤方法的不足。自荷电过滤材料的纤维本身带有静电，当烟尘颗粒随气流通过滤料层时，随即荷电被捕捉。此方法不仅省却了荷电段减少了设备投资和运行费用，而且维修保养极其方便，只须定期更换滤料即可。对于旧厂房改造有不可比拟的优势。
    4.1.3 回风的处理
    实践中往往只注意新风口，而忽略回风口的空气过滤作用。其实室内空气污染也是形成煤灰纱的因素之一，这只有靠回风过滤段来解决。纺织机械很多零件处于高速旋转状态，机油吸收摩擦热后，会释出细小的机油颗粒，如果温度过高还会产生炭黑。若回风未设过滤段，当室内污染物浓度达到一定浓度时，也会产生煤灰纱。建议在回风处加设过滤装置。
    4.1.4 喷水室的改进
    如果在新风口只是设置了简单的过滤网而不是高效滤料，则可与皂化喷水室联合使用，以达到净化空气的作用。这是一种空塔洗涤装置，它借助于水滴及溶解其中的洗涤剂的共同作用，来达到净化空气的目的。当气流与水接触时，除了尘粒的惯性碰撞、扩散、凝聚等净化机理外，还由于洗涤剂溶液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。
    水滴的雾化情况关系到除尘效果，为了增加气液两相的接触面积，要求喷出的水滴细小；但过细的雾化增加了脱水和除沫的困难，且在生产现场应用时易造成喷嘴堵塞，故宜选用中喷型喷嘴。但喷水室皂化对空气的热湿处理是否有影响，未除净的泡沫对工艺和设备是否有影响，还有待商榷。
    笔者倾向于采用高效滤料，喷水室专职热湿处理的结合。
    4.2 消除静电效应
    煤灰纱最终产生的原因是纱线产生静电而捻加上烟尘。如果用抗静电剂对纱线进行处理，消除纱线上的静电，必然会减少甚至消除煤灰纱。抗静电剂是化学药剂，具有较好的导电性和较强的吸湿性。在容易产生静电的纺织材料中加入抗静电剂后，能降低材料肋体积电阻或表面电阻，加速静电泄漏，消除静电。抗静电剂是消除纺织静电最经济、最实用的方法。
    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而起到消电作用的。
    抗静电剂在纤维表面形成了一层柔软滑爽的亲水性高聚物覆盖膜，增大了纤维与摩擦物之间的接触间隙，减小了接触面积，减少了摩擦，起到了抑制静电积累的作用。
    加快材料上静电的散失速度是大多数抗静电剂发挥作用的主要方式。抗静电剂的分子由两个基团组成，一个是电子分布比较均匀对称而无极性的基团R，另一个是有极性的基X.对极性物质水来说，基团R很难与水分子结合，称疏水基；基团X则易与水分子结合，称亲水基。当抗静电剂涂敷于纤维表面时，由于抗静电剂的极性亲水基团与纤维极性基团的相互作用，使抗静电剂分子在纤维界面上形成定向排列，其疏水基向着纤维，而亲水基朝向空气，从而在纤维面上形成连续的亲水表层，有利于吸收水分而使纤维的电阻值下降，加快材料上静电的散失速度。
    抗静电剂起作用的另一种方式是离子化。离子性的抗静电剂本身具有良好的导电性，这种抗静电剂分子在表层水分作用下发生电离，显著提高了纤维表面的导电性。此外，离子性抗静电剂还可通过中和表层电荷的方式消除带电。
    5 结论
    煤灰纱现象不仅仅是技术问题，而是一个社会问题，是社会整体生产背环境空气恶化的产物。从过滤净化技术上讲，单一的除尘机理无法很好地解决这一问题，必须采用多种除尘机理相结合的方法。从社会角度来说，只有动员社会的力量，改善能源结构，对排放煤烟灰的工厂进行综合治理，才能收到事半功倍的效果。
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