張少伍，李從華，張良貴

（1.銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽銅陵244000；2.安徽銅陵有色冬瓜山銅礦，安徽銅陵244000）

冬瓜山銅礦是我國(guó)大型企業(yè)銅陵有色金屬（集團(tuán)）公司下屬采選聯(lián)合骨干礦山，是我國(guó)有色金屬礦山首座埋藏深度超過(guò)1000米，且處于熱礦區(qū)的特大型高硫銅礦。由于生產(chǎn)能力大，礦石含硫量高，在開(kāi)采、破碎、運(yùn)輸和選礦等過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量含硫粉塵，嚴(yán)重污染工作環(huán)境，危害工作人員身體健康。而礦區(qū)的產(chǎn)塵點(diǎn)有很多，主要包括打眼放炮掘進(jìn)施工地、井下破碎站、各水平下礦溜井口、采場(chǎng)卸料口、選礦廠輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)及充填站等[1]。本文在介紹高壓噴霧降塵技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，介紹-920m破碎站的高壓降塵方案，通過(guò)降塵結(jié)果分析相關(guān)高壓噴霧效率影響因素，為其他礦山的降塵方案提供參考。

1 高壓噴霧降塵技術(shù)

粉塵問(wèn)題一直是一個(gè)難題，目前除塵技術(shù)主要有機(jī)械式除塵、濕式除塵、靜電除塵和袋式除塵，其中濕式除塵是利用氣液接觸洗滌原理去除氣體中的粉塵，是目前最常用、最有效的一種除塵方法，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、發(fā)電等行業(yè)。高壓噴霧降塵技術(shù)是一種新型的濕式除塵方法，其原理是利用高壓產(chǎn)生大量的細(xì)小液滴顆粒噴向含塵氣體，通過(guò)液粒與氣體中粉塵的慣性碰撞、攔截、布朗擴(kuò)散、靜電吸附、重力沉降等作用，捕集粉塵以達(dá)到降塵的目的[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，上述捕塵機(jī)理并不是同時(shí)一起發(fā)生作用，按照除塵的類(lèi)型不同，各種機(jī)理除塵的效果各不相同。

2 冬瓜山礦-920m破碎站降塵方案

冬瓜山礦-920m破碎站承擔(dān)主礦井礦石的破碎任務(wù)，破碎能力高達(dá)1500t/h，其產(chǎn)塵量非常大，同時(shí)礦石在給料及裝運(yùn)過(guò)中也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，因此破碎站整個(gè)空間粉塵彌漫，污染十分嚴(yán)重。由于此處粉塵擴(kuò)散面大（近30m2），無(wú)法進(jìn)行塵源密閉，且粉塵含硫量大、破碎站地處較深、通風(fēng)效果不好等特點(diǎn)，結(jié)合高壓噴霧除塵的應(yīng)用特點(diǎn)，此處較適用高壓噴霧技術(shù)進(jìn)行粉塵污染治理。

高壓噴霧降塵系統(tǒng)主要由高壓泵、過(guò)濾式自動(dòng)控制水箱、高壓噴嘴及其管路等組成，如圖1所示。其中高壓泵提供8MPa～10MPa的高壓噴霧水源，保證噴霧壓力和流量的要求。過(guò)濾式自動(dòng)控制水箱能實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)控制，水位過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)，停止向水箱內(nèi)注水；水位過(guò)低時(shí)高壓泵自動(dòng)斷電，停止運(yùn)轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)破碎機(jī)上部控塵面積大小和粉塵量，在破碎機(jī)上方圍欄四周布置32個(gè)噴嘴，以覆蓋整個(gè)產(chǎn)塵擴(kuò)散面。需要注意的是在給料機(jī)下料前2～3分鐘啟動(dòng)高壓泵電源，開(kāi)始噴霧；當(dāng)破碎機(jī)和給料機(jī)停止工作后，需延時(shí)2～3分鐘再關(guān)閉電源，結(jié)束噴霧，以提高粉塵捕集效率[3]。

圖1 高壓噴霧降塵系統(tǒng)布置示意圖

3 高壓噴霧降塵效率影響因素分析

液體霧粒粒徑、性質(zhì)、速度及帶電性，氣體中的粉塵粒度和密度等因素，都會(huì)影響除塵效果，而液體霧粒屬性與噴霧裝置及液體（一般為水）的性質(zhì)有關(guān)[4]。

3.1 水的特性對(duì)噴霧降塵效果的影響[5]

水作為常用的噴霧降塵工作介質(zhì)，經(jīng)高壓裝置將其霧化，并與氣體中的粉塵發(fā)生慣性碰撞、攔截等作用而除塵，因此水對(duì)噴霧效果有著重要的影響。

3.1.1 水的表面張力影響

表面張力是水與氣體/固體交界表面因內(nèi)聚力作用而產(chǎn)生張緊的力，由于水的表面張力和水與固體之間的附著力并不相同，捕塵效果也不同。水的表面張力越小，附著力越強(qiáng)，霧滴與粉塵的親和能力就越強(qiáng)，捕捉粉塵的效果也就越好。所以通常采用在水中加入少量濕潤(rùn)劑，以達(dá)到減小表面張力，增加與粉塵的吸附作用的目的。

3.1.2 水的酸堿性影響

水的酸堿性是噴霧系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保證。酸性或堿性過(guò)強(qiáng)都會(huì)加快腐蝕金屬部件，并在表面積垢，從而降低噴霧系統(tǒng)的使用壽命，還會(huì)阻塞管路或噴嘴，影響噴霧效果。

3.1.3 水的電性影響

水經(jīng)過(guò)高壓裝置時(shí)，會(huì)從噴嘴噴出水霧，由于水霧的電荷效應(yīng)，使部分細(xì)小的霧粒通常帶上負(fù)電荷，而空氣中的塵粒在產(chǎn)生過(guò)程中由于碰撞、摩擦等因素，部分粉塵會(huì)帶上一定的正電荷，這種荷電性能增加了霧粒和塵粒的吸附能力，提高降塵效率。實(shí)驗(yàn)證明霧粒帶電荷的數(shù)量及霧粒荷電比例由噴霧方式?jīng)Q定，減小霧粒、增加噴射速度等均可使霧粒攜帶負(fù)電荷的能力增強(qiáng)，但高荷電性也易造成粉塵自燃。

3.1.4 水中雜質(zhì)影響

受井下環(huán)境和條件的限制，地面水很難送到產(chǎn)塵點(diǎn)，同時(shí)為了節(jié)約水資源，因此高壓噴霧用水需要回收再利用。高壓水在多次使用中由于水的酸堿性及水在管路中沖擊、空穴、摩擦等因素影響，易使水中雜質(zhì)較多。而高壓噴霧系統(tǒng)中如霧化噴嘴等元器件，由于其孔徑微小，雜質(zhì)極易造成堵塞，導(dǎo)致噴霧效率降低甚至失效。而這種雜質(zhì)的影響目前還沒(méi)有很好的解決辦法。

3.2 噴嘴對(duì)噴霧性能的影響

高壓噴霧裝置通過(guò)噴嘴將水霧化，同時(shí)噴嘴還將高壓泵提供的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓能，使液滴獲得動(dòng)能?chē)姵?。研究表明：噴嘴的?nèi)部幾何結(jié)構(gòu)及動(dòng)力性能參數(shù)對(duì)能量轉(zhuǎn)化的效率和水的霧化影響很大[4]。

3.2.1 噴嘴類(lèi)型的影響

圖2為常用高壓水射流用噴霧噴嘴類(lèi)型，其中螺旋導(dǎo)水芯噴嘴采用壓力和離心力作用，將高壓水以空心圓錐體形狀噴出，有較大的擴(kuò)散面積，且噴出的液滴滴徑較小，粒度分布均勻，完全符合除塵要求。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般都是采用螺旋導(dǎo)水芯結(jié)構(gòu)的噴嘴。

圖2 高壓噴嘴類(lèi)型

3.2.2 噴嘴參數(shù)的影響

噴嘴內(nèi)孔表面粗糙度和噴嘴出口的圓柱段長(zhǎng)度均會(huì)對(duì)噴霧性能產(chǎn)生影響。其中噴嘴內(nèi)孔表面粗糙度的不同，不但會(huì)影響流體的動(dòng)能，也會(huì)使高速流體流過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而造成空穴現(xiàn)象。噴嘴內(nèi)表面越粗糙，水噴出時(shí)的出口邊界厚度會(huì)越大，導(dǎo)致出口速度變小，射流密集性和切割能力變差，因此噴嘴內(nèi)孔表面越光滑越好。而噴嘴出口圓柱段長(zhǎng)度對(duì)噴霧效率影響很大，出口圓柱段的長(zhǎng)度適當(dāng)延長(zhǎng)，霧滴出口速度會(huì)增大，但噴射密集段的長(zhǎng)度卻會(huì)減小。因此出口圓柱段長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，考慮噴嘴圓柱錐段收斂角的大小及流體流動(dòng)條件，一般出口圓柱段長(zhǎng)度取噴嘴出口直徑的2.5～3倍。

3.3 噴霧系統(tǒng)參數(shù)對(duì)噴霧效果的影響

3.3.1 噴霧壓力的影響

噴霧除塵時(shí)霧粒粒度越接近粉塵的粒度，除塵效果越好。根據(jù)空氣中粉塵的大小，一般理想的霧粒直徑為50～80μm。式（1）為霧粒直徑、噴嘴直徑及噴霧壓力間的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，由式可知：噴霧壓力越大，霧滴直徑越小，此時(shí)霧粒和粉塵的接觸面就會(huì)越大，降塵效果會(huì)大大提高。但過(guò)高的噴霧壓力會(huì)增加系統(tǒng)的成本和維護(hù)難度，噴霧系統(tǒng)的壽命也會(huì)大大降低，因此，在保證降塵效果的前提下，適當(dāng)控制噴霧壓力，一般對(duì)直徑為0.8mm、l.0 mm、1.2mm的噴嘴選擇7.5～12.5MPa的噴霧壓力。

其中，d0為霧粒直徑，單位是μm；K為比例系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值是34530；D為噴嘴直徑，單位是mm；P為噴霧壓力，單位是kg/cm2

3.3.2 噴霧流量的影響

噴霧流量的大小嚴(yán)重影響降塵效果。噴霧流量越大，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)的霧粒數(shù)量越多，會(huì)相應(yīng)增加與粉塵接觸的表面積，捕獲粉塵的概率變大，降塵效果提高[4]。但噴霧流量增加會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)塵點(diǎn)水分增多，帶來(lái)如排水問(wèn)題和安全問(wèn)題等，一般根據(jù)產(chǎn)塵量的大小及高壓噴霧系統(tǒng)的設(shè)置合理確定噴霧流量。

3.4 霧流特性對(duì)降塵效果的影響

霧粒大小、噴出速度及噴出位置和噴出時(shí)機(jī)對(duì)降塵效果的影響是很大的。根據(jù)噴霧降塵的機(jī)理，霧粒與塵粒的大小、相對(duì)速度等都會(huì)影響霧粒與塵粒的結(jié)合，因此霧粒速度越高、霧粒與塵粒的大小越接近，霧粒與塵粒的結(jié)合概率就越大，降塵效率也越高。同時(shí)根據(jù)就近集中除塵的原則，應(yīng)在產(chǎn)塵點(diǎn)附近（盡量靠近產(chǎn)塵點(diǎn)）從上向下多方位進(jìn)行噴霧，并能覆蓋整個(gè)產(chǎn)塵面，以免粉塵逃逸[6]。另外為增加空氣濕度，提高降塵效率，一般在粉塵產(chǎn)生前的2～3分鐘開(kāi)始噴霧，在除塵結(jié)束適當(dāng)延時(shí)才停止噴霧。

4 結(jié)果與分析

冬瓜山礦-920m破碎站采用上述高壓噴霧降塵系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)用水量為50L/min，按破碎能力1500t/h計(jì)算，每噸礦石增加水分僅為2L，對(duì)礦石的含水率影響很小。②由于高壓噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的霧粒直徑小、運(yùn)動(dòng)速度高，具有負(fù)壓引射效應(yīng)及荷電作用，對(duì)粉塵的捕集效率高，實(shí)踐證明總粉塵降塵效率比常壓噴霧高80%以上，呼吸性粉塵降塵效率比常壓噴霧高2倍以上。③系統(tǒng)采用8MPa～10MPa的高壓噴霧，霧粒運(yùn)行速度快、射程遠(yuǎn)，且霧化擴(kuò)張角度大，由于有多個(gè)噴頭同時(shí)工作，能覆蓋近30m2，有效控制粉塵擴(kuò)散。④系統(tǒng)采用高壓膠管進(jìn)行供水，高壓膠管可以彎折，且其接頭均為U型快速連接卡，系統(tǒng)布置靈活方便。

5 結(jié)語(yǔ)

作為首座埋藏深度超過(guò)千米且含硫量高、生產(chǎn)能力大的有色金屬礦山，冬瓜山礦在開(kāi)采、破碎、運(yùn)輸和選礦等過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量含硫粉塵。本文在詳細(xì)介紹高壓噴霧技術(shù)影響降塵因素的基礎(chǔ)上，以產(chǎn)塵量特別大且工況復(fù)雜的-920m破碎站為例，說(shuō)明高壓噴霧技術(shù)在冬瓜山礦的應(yīng)用，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證能有效降低產(chǎn)塵點(diǎn)的總粉塵和呼吸性粉塵，為其他礦山降塵除塵提供參考。