礦山溜破系統大風量高壓干濕霧化除塵技術研究

王 志，吳潔葵，李亞俊

礦山溜破系統大風量高壓干濕霧化除塵技術研究

王 志1, 2，吳潔葵1, 2，李亞俊1, 2

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014；2.非煤礦山通風除塵湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014)

為解決礦山溜破系統礦石在下落過程中產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，通過理論分析、室內及現場實驗、現場監測相結合的方法對溜井沖擊性粉塵進行綜合分析研究。結果表明：利用與溜井連通的平行井構成卸壓系統可較好地解決沖擊氣壓的問題；采用自主研發的大風量濕式霧化除塵設備與微米級高壓干式霧化除塵技術，構建了一套適用于深溜井除塵的綜合除塵凈化系統，經過該系統進行多級除塵凈化后，其粉塵濃度僅為0.02 mg/m3，達到了較好的除塵效果。

溜破系統;噴霧;除塵;粉塵濃度

0 前 言

礦山的礦石運轉常采用溜井的放礦方式，在卸礦的過程中不可避免會產生大量的粉塵，特別是巖性較脆、環境干燥且多中段同時卸礦的情況下，粉塵危害尤為嚴重。常規的除塵措施如封閉噴水降塵、抽風排塵等方法，除塵效果欠佳，而且還存在除塵效率低、耗水量大、除塵費用高等問題。因此，開展大風量高壓干濕霧化除塵技術研究，對控制井下粉塵污染，改善作業環境和條件具有重要的 意義。

1 礦山溜破系統

1.1 溜破系統現狀

廣東凡口鉛鋅礦現年產量超過140萬t，井下同時生產中段數已經達到了22個，是國內同時生產中段數較多的礦山之一，其中?160~?750 m中段均設置了溜礦系統，在?385 m、?680 m中段設置了破碎系統。目前井下溜破系統日處理能力為5500 t，溜井放礦高差大，礦石在下落過程中與井壁及礦石間的碰撞、沖擊產生了大量的粉塵，高濃度的含塵沖擊氣流瞬間大量涌出，通過卸礦硐室、卸礦平巷污染了中段進風風源，對井下通風系統造成極大的粉塵危害[1]，其系統見圖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，在緩沖天井與主溜井之間每隔15～30 m高度掘進一條卸壓連通平巷，形成沖擊氣流內循環，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風風源問題，其系統縱剖面見圖2。

圖1 溜破系統結構示意

圖2 緩沖卸壓系統示意

2 高壓干濕霧化除塵技術研究

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合而沉降的過程[2]。經實驗研究表明，當粉塵顆粒與水霧顆粒大小相等或相近時，粉塵顆粒與水霧顆粒碰撞凝結的幾率最大，從而在自重的作用下沉降，達到除塵的目的，其過程見圖3。

圖3 噴霧除塵機理

2.2 除塵系統構成

除塵系統采用二級凈化除塵方式。一級凈化除塵系統采用濕式霧化除塵，二級凈化除塵系統采用高壓微米級干式霧化除塵。

一級除塵凈化系統是通過除塵風機出口大風速與安裝在具有一定水壓的環管螺旋噴嘴的共同作用下，產生10 μm以上細水霧與粉塵顆粒粘結 沉降。

二級除塵凈化系統的噴霧除塵裝置是由一定強度的壓縮空氣在噴嘴的狹小結構范圍內高速霧化產生10 μm及以下的水霧顆粒，使水霧與粉塵相互結合，在重力的作用下沉降，達到除塵的作用。

2.3 濕式噴霧除塵系統

2.3.1 除塵風機的選型

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

2.3.2 除塵水量

為了達到較好的除塵效果，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。本設計采用水氣比為0.1 L/m3，由于風機風量為26 m3/s，則供水量為156 L/min。

2.3.3 水管材質及管徑

根據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

設計在擴散器風筒圓周上安裝一組螺旋型噴嘴[3]，噴嘴型號HB0101-SPJT-SS，管子尺寸1/4，額定噴孔直徑4 mm，噴射擴散角度為60°，每相隔15°圓心角安裝一個噴嘴，噴嘴安裝角度為沿筒中心往風筒內偏15°，安裝示意圖見圖4。

圖4 濕式霧化噴嘴安裝

2.4 高壓干式霧化除塵系統

2.4.1 高壓干式霧化系統組成

高壓微米級干式霧化除塵系統裝置是采用模塊化組裝。其系統組成由干霧機、螺桿式空壓機、控制系統、水氣分配器、萬向節總成、水氣連接管線等組成。

2.4.2 噴嘴壓力實驗

為了研究霧化系統噴嘴所需最優壓力，使霧滴達到除塵凈化的粒徑要求，同時盡量減少壓力浪費，進行了相關實驗研究和分析[4]。

為保障實驗的科學性，對氣壓分別在0.2，0.6，0.7 MPa下進行多次實驗，其中水壓保持不變。結果見圖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，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，確定本霧化系統最優的壓力為 0.6 MPa。

圖5 水霧顆粒總體積分布

2.4.3 除塵水量

噴霧除塵的供水量按式（1）計算：

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

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

式中，為流量，/min；為壓力，Pa；1 Pa=1.02 kg/cm2。

不同型號噴嘴的耗水量隨著水壓、作用長度、張開角及出口直徑的不同而變化[9]。根據現場實際情況及式（2）計算得出除塵水量為14.85 L/min。

2.4.4 高壓噴霧水管材質及管徑

因高壓噴霧系統噴嘴口徑小，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的壓頭損失[1]。輸水管徑按式（3）計算：

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。

根據式（3）計算得出主管內徑為25 mm，高壓膠管內徑為15 mm。

2.4.5 噴嘴布置

根據工程實際情況，萬向節總成安裝巷道斷面以及井下溜破系統二級凈化除塵的要求，設計采用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

含塵氣流經過兩級霧化除塵之后，空氣中形成大量水霧，為了保障環境清潔，須采用除霧措施。研究采用百葉窗除霧器，根據其原理，除霧器截面風速在2～3 m/s時，除霧效率最高[12]。

由于除塵風機風量約為26 m3/s，為了取得良好的除霧效果，巷道風速為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，則此處的風速約為2.5 m/s，風速滿足除霧要求。除霧器結構示意圖見圖7。

圖7 除霧器結構

3 高壓干濕霧化除塵工程實施效果

通過本項技術的研究，在廣東凡口鉛鋅礦井下?455 m中段建立了溜破系統大風量高壓干濕霧化除塵系統，對井下?500，?550和?600 m中段的礦石溜井與廢石溜井卸礦時產生的高濃度含塵沖擊氣流取得了較好的除塵效果。經二級霧化除塵后，其環境粉塵濃度僅為0.02 mg/m3，遠低于職業接觸限值，其除塵凈化效率約為99%。

4 結 論

（1）采用降壓緩沖井系統，在緩沖天井與主溜井之間每隔15～30 m高度，掘進一條卸壓連通平巷，形成沖擊氣流內循環，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風風源問題。

（2）采用深溜井高壓干濕霧化結合多級串聯除塵凈化技術，構建了一套適用于深溜井除塵的綜合除塵凈化系統。經過該系統進行多級除塵凈化后，其粉塵濃度為0.02 mg/m3，遠低于進風源粉塵濃度不超過0.5 mg/m3的安全規程要求。

（3）該技術成功應用于礦山井下溜破系統通風除塵，大大減少了粉塵對礦山企業人員和設備的危害，可為其他礦山溜井除塵技術方案提供參考，具有較好適用性。

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(2019-03-15)

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