礦山溜破系統(tǒng)大風(fēng)量高壓干濕霧化除塵技術(shù)研究

王 志，吳潔葵，李亞俊

礦山溜破系統(tǒng)大風(fēng)量高壓干濕霧化除塵技術(shù)研究

王 志1, 2，吳潔葵1, 2，李亞俊1, 2

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)除塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

為解決礦山溜破系統(tǒng)礦石在下落過(guò)程中產(chǎn)生的大量粉塵與沖擊氣流，以凡口鉛鋅礦?455~?600 m中段溜井為工程背景，通過(guò)理論分析、室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)溜井沖擊性粉塵進(jìn)行綜合分析研究。結(jié)果表明：利用與溜井連通的平行井構(gòu)成卸壓系統(tǒng)可較好地解決沖擊氣壓的問(wèn)題；采用自主研發(fā)的大風(fēng)量濕式霧化除塵設(shè)備與微米級(jí)高壓干式霧化除塵技術(shù)，構(gòu)建了一套適用于深溜井除塵的綜合除塵凈化系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)除塵凈化后，其粉塵濃度僅為0.02 mg/m3，達(dá)到了較好的除塵效果。

溜破系統(tǒng);噴霧;除塵;粉塵濃度

0 前 言

礦山的礦石運(yùn)轉(zhuǎn)常采用溜井的放礦方式，在卸礦的過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，特別是巖性較脆、環(huán)境干燥且多中段同時(shí)卸礦的情況下，粉塵危害尤為嚴(yán)重。常規(guī)的除塵措施如封閉噴水降塵、抽風(fēng)排塵等方法，除塵效果欠佳，而且還存在除塵效率低、耗水量大、除塵費(fèi)用高等問(wèn)題。因此，開(kāi)展大風(fēng)量高壓干濕霧化除塵技術(shù)研究，對(duì)控制井下粉塵污染，改善作業(yè)環(huán)境和條件具有重要的 意義。

1 礦山溜破系統(tǒng)

1.1 溜破系統(tǒng)現(xiàn)狀

廣東凡口鉛鋅礦現(xiàn)年產(chǎn)量超過(guò)140萬(wàn)t，井下同時(shí)生產(chǎn)中段數(shù)已經(jīng)達(dá)到了22個(gè)，是國(guó)內(nèi)同時(shí)生產(chǎn)中段數(shù)較多的礦山之一，其中?160~?750 m中段均設(shè)置了溜礦系統(tǒng)，在?385 m、?680 m中段設(shè)置了破碎系統(tǒng)。目前井下溜破系統(tǒng)日處理能力為5500 t，溜井放礦高差大，礦石在下落過(guò)程中與井壁及礦石間的碰撞、沖擊產(chǎn)生了大量的粉塵，高濃度的含塵沖擊氣流瞬間大量涌出，通過(guò)卸礦硐室、卸礦平巷污染了中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)源，對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)造成極大的粉塵危害[1]，其系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

1.2 沖擊氣流治理措施

建立?600～?455 m中段降壓緩沖井系統(tǒng)，在緩沖天井與主溜井之間每隔15～30 m高度掘進(jìn)一條卸壓連通平巷，形成沖擊氣流內(nèi)循環(huán)，解決大型礦山深溜井多中段卸礦降壓和沖擊氣流夾帶粉塵而污染進(jìn)風(fēng)風(fēng)源問(wèn)題，其系統(tǒng)縱剖面見(jiàn)圖2。

圖1 溜破系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 緩沖卸壓系統(tǒng)示意

2 高壓干濕霧化除塵技術(shù)研究

2.1 霧化除塵原理

噴霧降塵是水霧顆粒與粉塵顆粒相互結(jié)合而沉降的過(guò)程[2]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)粉塵顆粒與水霧顆粒大小相等或相近時(shí)，粉塵顆粒與水霧顆粒碰撞凝結(jié)的幾率最大，從而在自重的作用下沉降，達(dá)到除塵的目的，其過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 噴霧除塵機(jī)理

2.2 除塵系統(tǒng)構(gòu)成

除塵系統(tǒng)采用二級(jí)凈化除塵方式。一級(jí)凈化除塵系統(tǒng)采用濕式霧化除塵，二級(jí)凈化除塵系統(tǒng)采用高壓微米級(jí)干式霧化除塵。

一級(jí)除塵凈化系統(tǒng)是通過(guò)除塵風(fēng)機(jī)出口大風(fēng)速與安裝在具有一定水壓的環(huán)管螺旋噴嘴的共同作用下，產(chǎn)生10 μm以上細(xì)水霧與粉塵顆粒粘結(jié) 沉降。

二級(jí)除塵凈化系統(tǒng)的噴霧除塵裝置是由一定強(qiáng)度的壓縮空氣在噴嘴的狹小結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)高速霧化產(chǎn)生10 μm及以下的水霧顆粒，使水霧與粉塵相互結(jié)合，在重力的作用下沉降，達(dá)到除塵的作用。

2.3 濕式噴霧除塵系統(tǒng)

2.3.1 除塵風(fēng)機(jī)的選型

卸礦場(chǎng)所的排塵風(fēng)速參照排塵風(fēng)速要求，?500，?550，?600 m中段有廢石溜井及礦石溜井兩個(gè)系統(tǒng)，計(jì)算總需風(fēng)量為24.96 m3/s，風(fēng)壓為807.15 Pa。因此選擇K55-4NO13(55kw)型風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)風(fēng)量為17.3～32.6 m3/s，風(fēng)壓為675～1295 Pa，葉片安裝角度35°，工況效率為88%，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為26 m3/s。

2.3.2 除塵水量

為了達(dá)到較好的除塵效果，水氣比取值范圍為0.1～3.5 L/m3，濕式霧化除塵器的壓力損失為100～300 Pa。本設(shè)計(jì)采用水氣比為0.1 L/m3，由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量為26 m3/s，則供水量為156 L/min。

2.3.3 水管材質(zhì)及管徑

根據(jù)管路及噴嘴的流速要求及壓頭損失，濕式螺旋型噴嘴連接管采用管路直徑為25 mm的鍍 鋅管。

2.3.4 噴嘴選型及布置

設(shè)計(jì)在擴(kuò)散器風(fēng)筒圓周上安裝一組螺旋型噴嘴[3]，噴嘴型號(hào)HB0101-SPJT-SS，管子尺寸1/4，額定噴孔直徑4 mm，噴射擴(kuò)散角度為60°，每相隔15°圓心角安裝一個(gè)噴嘴，噴嘴安裝角度為沿筒中心往風(fēng)筒內(nèi)偏15°，安裝示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 濕式霧化噴嘴安裝

2.4 高壓干式霧化除塵系統(tǒng)

2.4.1 高壓干式霧化系統(tǒng)組成

高壓微米級(jí)干式霧化除塵系統(tǒng)裝置是采用模塊化組裝。其系統(tǒng)組成由干霧機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、控制系統(tǒng)、水氣分配器、萬(wàn)向節(jié)總成、水氣連接管線(xiàn)等組成。

2.4.2 噴嘴壓力實(shí)驗(yàn)

為了研究霧化系統(tǒng)噴嘴所需最優(yōu)壓力，使霧滴達(dá)到除塵凈化的粒徑要求，同時(shí)盡量減少壓力浪費(fèi)，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和分析[4]。

為保障實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，對(duì)氣壓分別在0.2，0.6，0.7 MPa下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，其中水壓保持不變。結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在水壓一定的情況下，氣壓逐漸增大至一定值時(shí)，水霧顆粒直徑在10 μm以下的體積占比約50%，隨著氣壓的不斷上升，直徑較大的水霧顆粒的體積占比隨著氣壓的上升而增 大[5-6]。因此，確定本霧化系統(tǒng)最優(yōu)的壓力為 0.6 MPa。

圖5 水霧顆?？傮w積分布

2.4.3 除塵水量

噴霧除塵的供水量按式（1）計(jì)算：

式中，為噴霧除塵所需要的供水量，m3/h；為噴嘴個(gè)數(shù)，個(gè)；為噴嘴同時(shí)供水的系數(shù)，一般取0.6~0.7；為單個(gè)噴嘴的耗水量，m3/h。

噴嘴流量與系統(tǒng)壓力有關(guān)[7-8]，隨著系統(tǒng)壓力的增大而增大。流量和壓力的關(guān)系見(jiàn)式（2）：

式中，為流量，/min；為壓力，Pa；1 Pa=1.02 kg/cm2。

不同型號(hào)噴嘴的耗水量隨著水壓、作用長(zhǎng)度、張開(kāi)角及出口直徑的不同而變化[9]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及式（2）計(jì)算得出除塵水量為14.85 L/min。

2.4.4 高壓噴霧水管材質(zhì)及管徑

因高壓噴霧系統(tǒng)噴嘴口徑小，為了防止噴嘴堵塞，噴嘴與管道連接選用不銹鋼管，與干霧機(jī)出口連接選用高壓膠管[10]。

輸水管徑的大小直接影響管路系統(tǒng)的壓頭損失[1]。輸水管徑按式（3）計(jì)算：

式中，為輸水管徑；mm；為流速，m/s主管流速取0.5 m/s，高壓膠管流速取1.4 m/s。

根據(jù)式（3）計(jì)算得出主管內(nèi)徑為25 mm，高壓膠管內(nèi)徑為15 mm。

2.4.5 噴嘴布置

根據(jù)工程實(shí)際情況，萬(wàn)向節(jié)總成安裝巷道斷面以及井下溜破系統(tǒng)二級(jí)凈化除塵的要求，設(shè)計(jì)采用SLG-05型噴嘴[11]，其覆蓋角度為30°；噴嘴與巷道壁的安裝夾角為75°，在巷道斷面的頂部布置4套噴嘴如圖6所示。

圖6 高壓干式霧化噴嘴安裝

2.5 輔助保障系統(tǒng)

含塵氣流經(jīng)過(guò)兩級(jí)霧化除塵之后，空氣中形成大量水霧，為了保障環(huán)境清潔，須采用除霧措施。研究采用百葉窗除霧器，根據(jù)其原理，除霧器截面風(fēng)速在2～3 m/s時(shí)，除霧效率最高[12]。

由于除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為26 m3/s，為了取得良好的除霧效果，巷道風(fēng)速為2～3 m/s的位置安裝除霧器。除霧器安裝位置的巷道斷面面積約為10.32 m2，則此處的風(fēng)速約為2.5 m/s，風(fēng)速滿(mǎn)足除霧要求。除霧器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 除霧器結(jié)構(gòu)

3 高壓干濕霧化除塵工程實(shí)施效果

通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)的研究，在廣東凡口鉛鋅礦井下?455 m中段建立了溜破系統(tǒng)大風(fēng)量高壓干濕霧化除塵系統(tǒng)，對(duì)井下?500，?550和?600 m中段的礦石溜井與廢石溜井卸礦時(shí)產(chǎn)生的高濃度含塵沖擊氣流取得了較好的除塵效果。經(jīng)二級(jí)霧化除塵后，其環(huán)境粉塵濃度僅為0.02 mg/m3，遠(yuǎn)低于職業(yè)接觸限值，其除塵凈化效率約為99%。

4 結(jié) 論

（1）采用降壓緩沖井系統(tǒng)，在緩沖天井與主溜井之間每隔15～30 m高度，掘進(jìn)一條卸壓連通平巷，形成沖擊氣流內(nèi)循環(huán)，解決了大型礦山深溜井多中段卸礦降壓和沖擊氣流夾帶粉塵而污染進(jìn)風(fēng)風(fēng)源問(wèn)題。

（2）采用深溜井高壓干濕霧化結(jié)合多級(jí)串聯(lián)除塵凈化技術(shù)，構(gòu)建了一套適用于深溜井除塵的綜合除塵凈化系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)除塵凈化后，其粉塵濃度為0.02 mg/m3，遠(yuǎn)低于進(jìn)風(fēng)源粉塵濃度不超過(guò)0.5 mg/m3的安全規(guī)程要求。

（3）該技術(shù)成功應(yīng)用于礦山井下溜破系統(tǒng)通風(fēng)除塵，大大減少了粉塵對(duì)礦山企業(yè)人員和設(shè)備的危害，可為其他礦山溜井除塵技術(shù)方案提供參考，具有較好適用性。

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(2019-03-15)

王 志(1985—)，男，湖南衡陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，主要從事采礦與通風(fēng)除塵技術(shù)方面的研究工作，E-mail:wangzhi611@126.com。