某鉛鋅礦回風井口霧氣影響因素分析及治理方案研究

王孝東，符浩南，劉 杰，童學林，陳書鵬

(昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093)

隨著我國深部采礦工程的不斷推進，地下通風工程規模不斷擴大，會出現各類環境災害問題。尤其在冬季外部環境氣溫較低，與井內環境溫度形成較大的溫差，井口段會產生大量霧氣。霧氣的形成范圍較大、透明度較低、持續時間較長，極大地降低了井口周圍道路能見度，對井下交通運輸產生較大的安全隱患，并且對井口構筑物和工程設備產生腐蝕作用，因此，有必要對回風井內霧氣形成的影響因素及除霧技術進行研究。國內外已經有部分學者進行過相關研究。錢潔[1]從礦井空氣的危害和防治探討了具體的方法和策略。陳小竹等[2]通過對井下空氣污染物濃度及來源分析，確定治理措施。吳吉南等[3]運用工程熱力學原理，對煤礦井下上山巷道大霧形成機理進行分析研究，并提出了相關可行性辦法。周夢晨[4]綜合除霧效率和能耗等因素，為新型除霧器的設計改造工作提供了數據支持和模型參考。袁惠新等[5]提出了一種將旋流場與靜電場相結合的除霧器，利用數值模擬的方法，分析了靜電-旋流除霧器操作性能。羅光前等[6]運用計算流體力學(CFD)技術，提出一種改良內部結構的新型除霧器。王澤龍等[7]對兩級旋流式、組合式、兩級折流式3種除霧器進行性能分析。楊琳[8]對除霧效率和壓降兩個重要問題進行了數值模擬研究。劉麗艷等[9]對引入液滴輔助捕集結構前后的折板除霧器內的流場和壓降進行模擬。呂超等[10]對文丘里熱解反應器內的氣-液兩相流進行了數值模擬研究，通過多組模擬最終確定了實驗模擬的最優工藝條件。張習軍[11]針對我國目前礦井降溫系統運行所面臨的高能耗問題，介紹了一種用于直接冷卻礦井風流的直接接觸式噴淋熱交換系統。

1 工程背景與現場測試

1.1 工程背景

云南某鉛鋅礦主回風井口海拔2 400 m，長800 m，承擔著整個礦山的回風。主回風井口溫度較低，每年11月中旬至次年2月中旬井口均不同程度地產生霧氣，霧氣擴散給周邊居民造成了不安全心理，使得回風井口長期封閉，對礦山整個回風系統造成嚴重的影響，回風困難，影響安全生產，加重了井下工作環境污染，不利于礦工身體健康。因此，開啟回風井井口進行回風已迫在眉睫。

1.2 現場測試

1.2.1 測試儀器

2020年12月份對回風井底及井口空氣參數進行了現場測試。測試儀器見表1。

表1 檢測使用相關設備及型號

1.2.2 測試方法

現場測點布置情況見圖1，為了得到高精度的測量數據，采用分格測量法見圖2、3(黑色圓點表示測點)，把巷道斷面劃分成9個面積大致相等的方格，再逐格在其中心測量各點風速v1，v2，…，v9，最后取平均值得平均風速v。

圖1 回風井成霧段縱向測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal measurement point layout of the fogging section of the return air shaft

圖2 井底橫斷面測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the layout of survey points on the bottom of the well

圖3 井口橫斷面測點布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of wellhead cross section

2 測試結果與分析

2.1 成霧凝水量計算

濕空氣的狀態參數主要有：濕空氣絕對濕度和相對濕度、濕空氣的含濕量、濕空氣的焓、濕空氣的比體積；其中不同溫、濕度下濕空氣的含濕量分別用d1、d2表示：

(1)

式中，φ為濕空氣的相對濕度，%；p、ps分別為大氣壓力和飽和水蒸氣分壓力，Pa。

(2)

式中，pa為干空氣的分壓力，Pa；V為濕空氣體積，m3；Rg為干空氣的比氣體常數，J/(kg·K)；Ta為濕空氣溫度，℃。

凝水量用Δmv表示：Δmv=ma(d2-d1)

(3)

式中，ma為濕空氣中干空氣的質量，kg；d1、d2為不同溫度和相對濕度下濕空氣的含濕量，g/kg干空氣。

2.2 影響因素對成霧析水量分析

綜合以上現場測算分析可知，如果空氣溫度或者大氣壓力發生變化，飽和水蒸氣量會逐漸減小，空氣中的一部分水分凝結成細小水滴，形成霧氣，使井巷顯得潮濕。因此需要通過氣壓、溫度、濕度和風速等觀測數據來分析霧氣形成的原因。回風井沿程冬季空氣參數測算表見表2。

表2 回風井沿程冬季空氣參數測算表

由表2可知：

1)氣壓的影響

根據空氣含濕量的原理，氣壓越高，空氣中含濕量越大。在1 274 m回風巷道測得的大氣壓力值為875.0 hPa，相對應的含濕量值為18.408 g/kg，隨著氣流上行，井內標高逐漸增加，氣壓下降，空氣所受的壓強減小而膨脹，空氣吸濕能力下降，當氣流到達井口時，大氣壓力降至755.1 hPa，所對應的含濕量值為10.647 g/kg，兩點間的含濕量差為7.761 g/kg，使空氣中的水分不斷析出，進而形成霧氣。

2)風流溫、濕度的影響

根據絕對濕度的定義，井下用風和回風線路的空氣溫度高，空氣的飽和水蒸氣分壓高，即溫度高的空氣比溫度低的空氣能容納更多的水蒸氣。在1 274 m回風巷道測得的干球溫度為24.1 ℃，濕球溫度為23.7 ℃，相對溫度為97 %，相對應的飽和水蒸氣分壓力為3 003.01 Pa，露點溫度為23.587 ℃。此時若溫度繼續降低，多余的水蒸氣就會從空氣中凝結出來。當氣流到達井口時，溫度降至15 ℃，空氣的飽和水蒸氣分壓力為1 705.26 Pa，空氣相對濕度增加至100%，沿途釋放水分，因此產生霧氣。

3)風量、風速的影響

風速越大，回風井內的水蒸發越快，巷道風流帶走的水汽越大，空氣中的水含量越大；反之，風速越小，巷道的水蒸發越慢，巷道風流帶走的水汽越少，空氣的含濕量越小；但當水蒸發量大于巷道風流帶走的水汽量時，巷道的霧氣現象越嚴重。由表2可知，回風量為50.24 m3/s，從主扇到井口成霧析出水量為448.07 g/s，若按每天24 h計算，回風井井口排出的成霧析出水量為38.71 t。

3 方案設計分析

設計采用在回風井口建立回風巷道(圖4)，在其內部分別安裝單級折流板除霧器、活性炭柱和雙級折流板除霧器，其中：

1)單級折流板除霧器安置于除霧巷道的中間位置，其作用有三個方面：(1)對井口氣流產生的霧氣進行第一次慣性碰撞分離，從濕空氣中分離出一部分霧氣液滴；(2)對井口高速氣流起到一定的減速作用；(3)單級折流板除霧器采用高分子材料安裝于門框中，形成自由開關的門，可同時兼顧一年中各個季節的霧氣產生狀況，即冬季霧氣大時關閉，其他季節霧氣小時打開。

2)活性炭以圓柱形狀安置于接近除霧巷道出口端，交叉布置為三排，其作用有兩個方面：(1)對空氣中的炮煙起到一定的吸附去除作用，活性炭具有約1 000 m2/g的內部表面積，被廣泛地用作空氣污染控制的吸附材料；(2)分離出空氣中的小部分霧氣液滴。

3)雙級折流板除霧器板片使用不銹鋼材料制作，安置于除霧巷道出口處，其作用為兩個方面：(1)采用雙級折流板葉片為最終除霧區域，具有從空氣中分離出絕大多數霧氣液滴的作用；(2)雙級折流板葉片安置于除霧巷道出口處，能有效地提高除霧效率。

圖4 除霧系統設備平面布置圖Fig.4 Layout plan of demister system equipment

4 數值模擬方法與驗證

4.1 幾何模型及初始條件

通過上述設計為了模擬巷道空間內出口段安置單級除霧器、活性炭柱和雙級除霧器組合的除霧情況。參考冬季寒冷天氣期間的氣象條件，設置數值模擬的初始條件為：井外大氣環境空氣溫度為10 ℃，巷道設置為水泥澆灌壁面，溫度為5 ℃；空氣入口為速度入口，風速設為4 m/s，流動方向為x軸正方向；巷道空氣出口為自由出口。網格劃分采用規則的六面體網格形式，網格數329 332個，見圖5。

圖5 幾何模型Fig.5 Geometric model

4.2 模型設計

1)單級除霧器模型設計

模型空間中布置單級梯形折線型除霧器，單片除霧器幾何模型尺寸為長×寬為6 000 mm×300 mm，葉片數量60片，葉片間距為50 mm，葉片折角為120°，安裝位置在距模型進入口處6 000 mm處。

2)活性炭模型設計

模型空間中交錯布置活性炭柱3排，每排10個，共30個，炭柱模型直徑為300 mm；第1個炭柱模型位置坐標為x=16 000 mm、y=0 mm，其余炭柱模型分別依次朝x和y軸正方向以間距300 mm交錯布置。

3)雙級除霧器模型設計

巷道空間中布置雙級梯形折線型除霧器，單片除霧器幾何模型尺寸為長×寬為6 000 mm×600 mm，葉片數量113片，葉片間距為30 mm，葉片折角為120°，除霧葉片為不銹鋼材質，安裝形式垂直安置。

控制方程進行計算的基礎條件是初始及邊界條件。本文在模擬計算時的具體邊界條件為：

(1)整個計算過程中溫度不變，且在除霧器通道內均勻分布；

(2)氣體入口為速度入口，在進口截面處氣流速度均勻分布；

(3)出口為壓力出口即自由出口；

(4)壁面、炭柱、單雙級除霧葉片設置為wall邊界，且壁面表面粗糙度設為零，無滑移，絕熱；

(5)加入霧氣液滴顆粒后，液滴進口速度與氣流速度相同，液滴在進口截面均勻分布；

(6)速度入口設置為射入(wall-jet)，壓力出口設置為逃逸(escape)，壁面、炭柱、單雙級除霧葉片設置為捕捉(trap即液滴撞擊到壁面即認為顆粒被捕捉而不再計算)；

(7)采取的算法為：壓力-速度耦合方式為SIMPLE算法，離散格式選用二階迎風格式，計算精度選取10-6。

4.3 模擬結果與分析

對井口霧氣運移的非定常流場進行模擬仿真后，可以得到巷道內溫度及壓力云圖、風速矢量圖、霧氣顆粒在巷道內的運移圖，進一步分析氣液分離的機理。

1)風速變化模擬分析

模擬設置入口風速為5 m/s時，平面巷道溫度、速度分布云圖見圖6。

圖6 速度、溫度云圖及矢量圖Fig.6 Speed，temperature cloud chart and vector diagrams

本次模擬巷道內風速依據1600中段巷道內主扇特性曲線的最高風速為依據，在入口氣流速度(空氣、霧氣液滴)的兩相流耦合作用下，數值模擬巷道空間氣流速度及溫度運動分布，由模擬結果圖6可以看出，氣流速度以5 m/s的速度射入巷道，呈現出勻速遞減的趨勢，從入口到出口氣流速度范圍在5～3.5 m/s；由于本次模擬不考慮氣流溫度降溫處理，因而溫度變化云圖及矢量圖保持穩定為15 ℃。從圖6中可以看出，整個模擬計算過程中，氣流速度和溫度運動變化過程基本處于一種平穩過渡狀態。

2)除霧器除霧效率分析

本次模擬計算主要依據回風井井口現場除霧試驗，由于回風井井口霧氣的排放量大，且霧氣液滴體積變化范圍大，進而設置霧氣液滴直徑范圍在10 ～100 μm隨機產生，進行建模、調試與運算。在模擬計算穩定的狀態下，得出模擬計算結果，如圖7所示。

圖7 除霧效果圖Fig.7 Defogging effect diagram

由圖7可知，除霧數值模擬計算時間為32 s時，隨機產生的霧氣顆粒為1 167 620粒并充滿整個巷道空間，其中，被巷道劈面及除霧器共同捕集的霧氣顆粒有1 149 650粒，從除霧器逃離的霧氣顆粒有6 320粒，整個巷道空間剩余的霧氣顆粒11 650粒，除霧效率達到90 %以上。首先，在模擬巷道5 000 mm處安置一級除霧葉片且葉片間距為60 mm，主要負責捕集大部分由巷道排出的體積相對大的霧氣液滴。由圖7(a)、(b)可以看出，當霧氣由入口進入時，瞬間充滿整個巷道，經過一級除霧葉片時，可以看出大部分霧氣液滴被捕集；其次，在模擬巷道14 000 mm處安置3排互相交錯的圓形炭柱，可捕集一部分隨氣流經過的霧氣液滴；最后，在模擬巷道出口處18 000 mm處布置雙級除霧葉片且葉片間距為30 mm，負責捕集巷道內剩余的少量且體積小的霧氣顆粒。從整個模擬結果可知，該方案設計可使巷道內產生的霧氣液滴經過多次捕集后去除，除霧效果明顯。

5 結論

1)根據研究結果，得出霧氣產生的原因主要與大氣壓力，風流溫、濕度，風量等參數變化有關。

2)回風井正常工況條件下，回風量為50.24 m3/s，井口濕空氣中的成霧析水量在448.07 g/s，一天析水量38.71 t。

3)根據數值模擬計算結果，巷道內產生的霧氣液滴經過多次捕集后去除，除霧效率達到90%以上，除霧效果明顯。