金屬礦山爆破微細(xì)粉塵云霧除塵機(jī)理及試驗(yàn)研究

郭敬中 金龍哲 李 剛 王天暘1

（1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京101601；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；4.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000）

金屬礦山開(kāi)采以爆破采礦為主，隨著開(kāi)采強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，采場(chǎng)粉塵產(chǎn)生量大幅增加。礦塵，尤其是微細(xì)粉塵隨著風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)道流向地面空氣，嚴(yán)重污染了井下及地面周邊環(huán)境，給附近居民身心健康帶來(lái)了傷害，因而加強(qiáng)金屬礦山爆破粉塵凈化十分必要。

噴霧是常用的降塵方式，水在壓力的作用下經(jīng)過(guò)噴嘴霧化并分散到空間，捕捉空氣中游離的粉塵顆粒，噴嘴霧化的霧滴粒徑越接近粉塵顆粒粒徑［1］，自然沉降效果越佳［2-3］。程衛(wèi)民等［4］、周剛等［5］通過(guò)噴嘴霧化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有高壓噴霧才能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸性粉塵的捕集。但高壓噴霧耗水量大、成本高，對(duì)此，侯騰彥等［6］、王曉英等［7］、蔣仲安等［8］以氣水噴嘴為研究對(duì)象，建立了數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為當(dāng)水流量一定時(shí)，氣體流量越大除塵效果越好；當(dāng)氣體流量一定時(shí)，降塵效率隨著水流量的增加先增大后降低。李剛等［9］、鄒聲華等［10］，徐廷萬(wàn)［11］、原路安［12］以干霧噴頭為工具，分析了抑塵機(jī)理，測(cè)定了不同工況下的霧流參數(shù)與降塵效果，認(rèn)為氣水兩相噴嘴較壓力噴嘴具有更好的霧化效果和降塵效果。張小艷等［13］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氣壓0.45 MPa、水量40 L/h情況下，超聲霧化噴頭霧化效果最佳；除塵系統(tǒng)的除塵效率受霧滴粒徑和霧滴數(shù)量影響，且霧滴粒徑影響更顯著。

綜上分析，目前對(duì)于微細(xì)粉塵的防治研究主要集中于各類噴嘴霧化特性（尤其是霧滴粒徑和霧滴數(shù)量方面）［14-19］、除塵系統(tǒng)組成和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果［20］等方面，總體上存在霧化降塵機(jī)理不明、噴霧除塵效率與影響因素之間的定量關(guān)系不清晰、除塵裝置復(fù)雜及體積龐大等方面的不足。本研究在分析云霧除塵機(jī)理的基礎(chǔ)上，搭建噴霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，尋求云霧噴嘴最佳工況點(diǎn)，研發(fā)云霧除塵主機(jī)和氣水源處理裝置，形成金屬礦山巷道全斷面云霧除塵技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為改善礦山周邊環(huán)境提供解決方案。

1 云霧噴嘴除塵機(jī)理與霧化特性

1.1 云霧噴嘴除塵機(jī)理

云霧噴嘴霧化能力強(qiáng)、霧化粒徑小、性能穩(wěn)定，主要由進(jìn)水路、進(jìn)氣路、水氣混合室和超聲共振腔組成（圖1）。其霧化機(jī)理可表述為：噴嘴開(kāi)啟時(shí)，按一定比例的壓力空氣和水分別自氣路和水路進(jìn)入混合室，氣液混合且液體被部分破碎；當(dāng)水氣兩相流從圓形噴嘴噴出時(shí)，氣流速度較大，水流速度較小，二者因速度差而產(chǎn)生摩擦，水在氣流的撕裂與剪切作用下被一次霧化；當(dāng)混合兩相流噴出后，沖擊到共振室，氣流反射產(chǎn)生振蕩波，細(xì)水顆粒在振蕩波作用下形成二次撞擊霧化，從而形成云霧。

云霧在空氣中易蒸發(fā)，使空氣中的水氣達(dá)到飽和狀態(tài)，在一定的溫度和外力作用下，會(huì)發(fā)生水氣的凝結(jié)作用。當(dāng)空氣中含有異質(zhì)（微細(xì)粉塵顆粒）時(shí)，水氣以微細(xì)顆粒為凝結(jié)核，發(fā)生異質(zhì)核化作用，形成新的混合液滴；新生成的混合液滴同樣具有液滴捕塵、自重降落、群體凝聚等作用，從而加速粉塵顆粒沉降。

1.2 云霧噴嘴霧化特性分析

1.2.1 試驗(yàn)

為分析噴嘴噴霧粒徑與氣壓、水壓、氣流量和水流量的關(guān)系，自行設(shè)計(jì)、搭建了噴霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖2）。噴霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由供水、供氣、噴嘴、檢測(cè)4個(gè)部分部分組成。在室溫常壓條件下，利用空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣，工作壓力為0～0.7 MPa；采用水壓直讀式增壓水泵提供水壓，給水壓力為（1.5～2.5）×105Pa，且實(shí)時(shí)顯示水泵的出水水壓。利用JL-3000型噴霧激光粒度測(cè)試儀測(cè)定霧化粒徑，量程為0.5～1 300 μm。測(cè)試指標(biāo)選用霧滴平均粒徑D50，D50指粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%。

試驗(yàn)過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段試驗(yàn)不同氣壓（GP）、水壓（WP）條件下的噴霧霧滴粒徑，并記錄不同工況條件下的氣流量（GQ）和水流量（WQ），其中氣壓調(diào)節(jié)范圍為0.2～0.7 MPa，水壓調(diào)節(jié)范圍為0.18～0.24 MPa，每種工況條件下測(cè)量3次，取平均值，獲得最佳工況點(diǎn)；第二階段，調(diào)整云霧噴嘴與噴霧激光粒度測(cè)試儀之間的距離，調(diào)整范圍為0.5～2.0 m，每次0.5 m，并記錄不同位置的中位粒徑D50。

1.2.2 云霧噴嘴流量特性

噴嘴內(nèi)兩種流體的運(yùn)動(dòng)不是獨(dú)立存在的，氣壓、氣流量、水壓及水流量之間相互影響［3］。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和水壓，獲得了不同水壓條件下水流量及氣流量的變化曲線，分別如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知：當(dāng)水壓一定時(shí)，水流量隨著氣壓增大而減小，氣流量隨著氣壓增大而增大；當(dāng)水壓增大時(shí)，水流量隨氣壓增大而增大，氣流量變小，但并不明顯。說(shuō)明水壓與水流量、氣壓與氣流量的關(guān)聯(lián)性大于水壓與氣流量、氣壓與水流量的關(guān)聯(lián)性；在一定條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓與水壓可以獲得噴嘴最佳工況點(diǎn)。

1.2.3 云霧噴嘴最佳工況點(diǎn)

通過(guò)分析霧滴粒徑隨氣壓的變化特征（圖5）可知：隨著水壓增大，霧滴粒徑D50變大；當(dāng)水壓一定時(shí)，隨著氣壓不斷增大，霧滴粒徑D50在一定范圍內(nèi)不斷減小，但氣壓達(dá)到一定值后，霧滴粒徑D50減小的趨勢(shì)不再明顯，有跳高現(xiàn)象；當(dāng)GP=0.5 MPa，WP=2.0×105Pa時(shí)，霧滴粒徑D50最小，約6.0 μm，即該噴頭的最佳工況點(diǎn)。此時(shí)，水流量為35 L/h，氣流量為2.65 m3/h。

1.2.4 霧滴粒徑與噴射距離的關(guān)系

受外界環(huán)境影響，在不同噴射距離上，霧滴分散度是不相同的。通過(guò)調(diào)整粒度測(cè)試儀與噴頭之間的距離，獲得了不同噴射距離處的霧滴中值粒徑D50，如圖6所示。

由圖6可知：距離噴嘴出口處越近，微細(xì)粒徑霧滴所占比例越大，如噴射距離0.5 m處中值粒徑只有3.12 μm；隨著噴射距離增大，霧滴中值粒徑加速增大，這是因?yàn)樵趪娮爝h(yuǎn)端會(huì)有部分已經(jīng)霧化的微細(xì)霧滴再次碰撞凝結(jié)成較大的霧滴，造成微細(xì)霧滴顆粒比例下降。在噴射距離不大于2.0 m的范圍內(nèi)，霧滴中值粒徑在20 μm以內(nèi)，對(duì)呼吸性粉塵能夠起到有效的抑制作用。

2 巷道云霧除塵技術(shù)

云霧除塵技術(shù)是基于氣液兩相流理論，將空氣和水通過(guò)調(diào)節(jié)閥按一定的比例壓縮進(jìn)云霧發(fā)生器，經(jīng)過(guò)兩次霧化，形成眾多高速運(yùn)動(dòng)的微細(xì)水霧，迅速擴(kuò)散到整個(gè)封閉半封閉空間，并且水滴霧化粒徑大部分小于20 μm，與微細(xì)粉塵粒徑匹配效果好，二者碰撞概率高，不斷發(fā)生團(tuán)聚，易在重力作用下自然沉降。

根據(jù)本研究對(duì)于云霧噴嘴的霧化特性與最佳工況點(diǎn)的分析，自行研制了云霧除塵裝置。該裝置主要由云霧除塵主機(jī)和氣水源處理裝置兩個(gè)部分組成，其中云霧除塵主機(jī)解決云霧噴嘴及其他組件的布局問(wèn)題，氣水源處理裝置完成對(duì)云霧噴嘴工作介質(zhì)的處理，提高云霧噴嘴的工作效率和使用壽命。

2.1 云霧除塵主機(jī)

云霧除塵主機(jī)指將云霧噴嘴按照一定角度與方向固定在拱形鋼架結(jié)構(gòu)上，分別向巷道四周和內(nèi)部噴霧，使云霧充滿巷道整個(gè)斷面，形成巷道全斷面霧簾，阻截粉塵擴(kuò)散并加速其沉降。由于金屬礦山爆破地點(diǎn)多且較為分散，故將云霧除塵裝置設(shè)計(jì)為手推車(chē)形式，移動(dòng)靈活，其他組件集成于小車(chē)上方箱體內(nèi)。

為使微細(xì)噴霧充滿巷道整個(gè)斷面，巷道內(nèi)各處?kù)F滴粒徑分布較為均勻，參照井下巷道斷面形狀（三心拱），自行研制了云霧除塵主機(jī)。主機(jī)上部為底角45°的等腰梯形，下部為矩形的鋼架結(jié)構(gòu)（圖7）。云霧噴頭固定于鋼架的設(shè)定位置。噴霧時(shí)，可充滿整個(gè)巷道斷面，正面噴頭正對(duì)著風(fēng)流方向噴霧，填補(bǔ)截面噴霧的不足。

與傳統(tǒng)裝置方式相比，云霧除塵裝置特點(diǎn)鮮明：①云霧除塵主機(jī)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的霧滴顆粒數(shù)量大，霧滴粒徑小，分布更加均勻細(xì)密，吸附能力強(qiáng)，能充分增加與粉塵顆粒的接觸面積，實(shí)現(xiàn)定向抑塵，消除呼吸性粉塵效果更好；②云霧除塵主機(jī)體積小、占用空間小、移動(dòng)方便，尤其適用于金屬礦山巷道、巷道型采場(chǎng)等有限空間內(nèi)的降塵。

2.2 氣水源處理裝置

針對(duì)金屬礦山井下水路中雜質(zhì)較多、硬度較高，噴嘴易發(fā)生堵塞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了水源兩級(jí)處理系統(tǒng)。選用800目的不銹鋼超濾網(wǎng)作為水源的一級(jí)過(guò)濾材料，雙層疊加使用，經(jīng)一級(jí)過(guò)濾后，水中顆粒物直徑可下降至10 μm左右；經(jīng)二級(jí)過(guò)濾器處理后，水中顆粒物降到5 μm以下，且具有反沖洗功能，完全能夠滿足云霧噴嘴對(duì)水質(zhì)的要求。在高壓氣源的沖擊與摩擦作用下，壓風(fēng)管路中含有較多鐵銹雜質(zhì)，影響噴嘴噴霧效果。參照水源處理思路，采用氣源二級(jí)過(guò)濾裝置凈化氣源中雜質(zhì)，使之滿足云霧噴嘴對(duì)氣源的要求。氣、水經(jīng)過(guò)氣水源處理裝置（圖8）凈化后，可大幅提高云霧噴嘴霧化效果。

3 巷道云霧除塵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 工程背景

試驗(yàn)場(chǎng)所選在梅山鐵礦-318 m水平西區(qū)北16巷道采場(chǎng)。采場(chǎng)斷面尺寸為6.0 m×4.0 m（寬×高），回采炮孔呈垂直扇形布置。采用中孔單排孔爆破落礦，單次爆破裝藥量近1.0 t，炸藥大多數(shù)能量用于爆破破巖并拋擲巖塊，部分能量轉(zhuǎn)化為空氣沖擊波在回采進(jìn)路中傳播?？諝鉀_擊波受到回采進(jìn)路密閉空間約束，經(jīng)巷道壁面的反射作用，比地表炸藥爆炸沖擊波的傳播特性復(fù)雜，對(duì)回采巷道內(nèi)人員、設(shè)備與管線等設(shè)施產(chǎn)生了潛在威脅。為避開(kāi)爆炸沖擊波的破壞，云霧除塵裝置移至與爆破主巷道間隔兩個(gè)巷道距離的回風(fēng)道拐角處，即攜帶大量粉塵風(fēng)流經(jīng)過(guò)的區(qū)域。

3.2 試驗(yàn)方案

在采場(chǎng)爆破前和采場(chǎng)爆破后，分別測(cè)定經(jīng)過(guò)云霧除塵裝置的粉塵濃度，研究云霧除塵裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。以云霧除塵裝置為中心，在除塵裝置前方5 m（A點(diǎn)）和后方5 m（B點(diǎn)）處分別安放一臺(tái)觀測(cè)臺(tái)車(chē)（圖9），觀測(cè)臺(tái)車(chē)上方安放一臺(tái)CCZ20呼吸性粉塵采樣器和一臺(tái)ICF-2粉塵采樣儀，分別進(jìn)行呼吸塵和全塵采樣。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

云霧除塵裝置開(kāi)啟后，借助風(fēng)流的作用，云霧迅速充滿整個(gè)巷道，巷道云霧填充距離達(dá)100 m，試驗(yàn)效果如圖10所示，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

綜合分析圖10及表1可知：①爆破前，云霧除塵裝置開(kāi)啟后，全塵、呼吸塵濃度分別下降到1.24 mg/m3、1.20 mg/m3，降塵效率分別為97.18%、95.20%，說(shuō)明云霧除塵效果良好，可有效降低沿風(fēng)流方向的呼吸性粉塵濃度；②爆破后，啟用云霧除塵裝置，全塵、呼吸塵的降塵效率分別為96.89%、96.04%，說(shuō)明應(yīng)用云霧除塵裝置能加速風(fēng)流中粉塵沉降，凈化爆破粉塵，改善金屬礦山井下及地面環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）云霧噴嘴霧化特性試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水壓為一定值時(shí)，云霧噴嘴的水流量隨氣壓的增大而減小，噴嘴的氣流量隨氣壓的增大而增大；當(dāng)水壓增大時(shí)，云霧噴嘴水流量隨氣壓增大而增大，其氣流量變小，但變化并不明顯。說(shuō)明水壓與水流量、氣壓與氣流量的關(guān)聯(lián)性大于水壓與氣流量、氣壓與水流量的關(guān)聯(lián)性。

（2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)氣壓為0.5 MPa，水壓為0.2 MPa，水流量為35 L/h，氣流量為2.65 m3/h時(shí)，云霧噴嘴霧滴中值粒徑D50最小，約6.0 μm，即為云霧噴嘴最佳工況點(diǎn)。

（3）研發(fā)了云霧除塵裝置，包括云霧除塵主機(jī)和氣水源處理兩部分。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：爆破落礦后，經(jīng)云霧除塵裝置凈化后，回風(fēng)流中全塵、呼吸塵的降塵效率分別為96.89%、96.04%，說(shuō)明云霧粒徑與粉塵粒徑匹配效果好，可有效降低沿風(fēng)流方向的微細(xì)粉塵濃度，提高降塵效率，改善金屬礦山井下及地面環(huán)境。