金屬礦山爆破微細粉塵云霧除塵機理及試驗研究

郭敬中 金龍哲 李 剛 王天暘1

（1.華北科技學院安全工程學院，北京101601；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；3.中鋼集團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家重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

金屬礦山開采以爆破采礦為主，隨著開采強度持續增強，采場粉塵產生量大幅增加。礦塵，尤其是微細粉塵隨著風流經回風道流向地面空氣，嚴重污染了井下及地面周邊環境，給附近居民身心健康帶來了傷害，因而加強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過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］。程衛民等［4］、周剛等［5］通過噴嘴霧化試驗，發現只有高壓噴霧才能很好地實現對呼吸性粉塵的捕集。但高壓噴霧耗水量大、成本高，對此，侯騰彥等［6］、王曉英等［7］、蔣仲安等［8］以氣水噴嘴為研究對象，建立了數學模型，認為當水流量一定時，氣體流量越大除塵效果越好；當氣體流量一定時，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［11］、原路安［12］以干霧噴頭為工具，分析了抑塵機理，測定了不同工況下的霧流參數與降塵效果，認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］通過試驗發現，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；除塵系統的除塵效率受霧滴粒徑和霧滴數量影響，且霧滴粒徑影響更顯著。

綜上分析，目前對于微細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量方面）［14-19］、除塵系統組成和現場試驗效果［20］等方面，總體上存在霧化降塵機理不明、噴霧除塵效率與影響因素之間的定量關系不清晰、除塵裝置復雜及體積龐大等方面的不足。本研究在分析云霧除塵機理的基礎上，搭建噴霧實驗平臺，尋求云霧噴嘴最佳工況點，研發云霧除塵主機和氣水源處理裝置，形成金屬礦山巷道全斷面云霧除塵技術，并進行現場試驗，為改善礦山周邊環境提供解決方案。

1 云霧噴嘴除塵機理與霧化特性

1.1 云霧噴嘴除塵機理

云霧噴嘴霧化能力強、霧化粒徑小、性能穩定，主要由進水路、進氣路、水氣混合室和超聲共振腔組成（圖1）。其霧化機理可表述為：噴嘴開啟時，按一定比例的壓力空氣和水分別自氣路和水路進入混合室，氣液混合且液體被部分破碎；當水氣兩相流從圓形噴嘴噴出時，氣流速度較大，水流速度較小，二者因速度差而產生摩擦，水在氣流的撕裂與剪切作用下被一次霧化；當混合兩相流噴出后，沖擊到共振室，氣流反射產生振蕩波，細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，使空氣中的水氣達到飽和狀態，在一定的溫度和外力作用下，會發生水氣的凝結作用。當空氣中含有異質（微細粉塵顆粒）時，水氣以微細顆粒為凝結核，發生異質核化作用，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

為分析噴嘴噴霧粒徑與氣壓、水壓、氣流量和水流量的關系，自行設計、搭建了噴霧實驗平臺（圖2）。噴霧實驗平臺主要由供水、供氣、噴嘴、檢測4個部分部分組成。在室溫常壓條件下，利用空氣壓縮機提供壓縮空氣，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，且實時顯示水泵的出水水壓。利用JL-3000型噴霧激光粒度測試儀測定霧化粒徑，量程為0.5～1 300 μm。測試指標選用霧滴平均粒徑D50，D50指粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%。

試驗過程分兩個階段進行：第一階段試驗不同氣壓（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），其中氣壓調節范圍為0.2～0.7 MPa，水壓調節范圍為0.18～0.24 MPa，每種工況條件下測量3次，取平均值，獲得最佳工況點；第二階段，調整云霧噴嘴與噴霧激光粒度測試儀之間的距離，調整范圍為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

噴嘴內兩種流體的運動不是獨立存在的，氣壓、氣流量、水壓及水流量之間相互影響［3］。通過調節氣壓和水壓，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：當水壓一定時，水流量隨著氣壓增大而減小，氣流量隨著氣壓增大而增大；當水壓增大時，水流量隨氣壓增大而增大，氣流量變小，但并不明顯。說明水壓與水流量、氣壓與氣流量的關聯性大于水壓與氣流量、氣壓與水流量的關聯性；在一定條件下，通過調節氣壓與水壓可以獲得噴嘴最佳工況點。

1.2.3 云霧噴嘴最佳工況點

通過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；當水壓一定時，隨著氣壓不斷增大，霧滴粒徑D50在一定范圍內不斷減小，但氣壓達到一定值后，霧滴粒徑D50減小的趨勢不再明顯，有跳高現象；當GP=0.5 MPa，WP=2.0×105Pa時，霧滴粒徑D50最小，約6.0 μm，即該噴頭的最佳工況點。此時，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系

受外界環境影響，在不同噴射距離上，霧滴分散度是不相同的。通過調整粒度測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，這是因為在噴嘴遠端會有部分已經霧化的微細霧滴再次碰撞凝結成較大的霧滴，造成微細霧滴顆粒比例下降。在噴射距離不大于2.0 m的范圍內，霧滴中值粒徑在20 μm以內，對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

云霧除塵技術是基于氣液兩相流理論，將空氣和水通過調節閥按一定的比例壓縮進云霧發生器，經過兩次霧化，形成眾多高速運動的微細水霧，迅速擴散到整個封閉半封閉空間，并且水滴霧化粒徑大部分小于20 μm，與微細粉塵粒徑匹配效果好，二者碰撞概率高，不斷發生團聚，易在重力作用下自然沉降。

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

2.1 云霧除塵主機

云霧除塵主機指將云霧噴嘴按照一定角度與方向固定在拱形鋼架結構上，分別向巷道四周和內部噴霧，使云霧充滿巷道整個斷面，形成巷道全斷面霧簾，阻截粉塵擴散并加速其沉降。由于金屬礦山爆破地點多且較為分散，故將云霧除塵裝置設計為手推車形式，移動靈活，其他組件集成于小車上方箱體內。

為使微細噴霧充滿巷道整個斷面，巷道內各處霧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。主機上部為底角45°的等腰梯形，下部為矩形的鋼架結構（圖7）。云霧噴頭固定于鋼架的設定位置。噴霧時，可充滿整個巷道斷面，正面噴頭正對著風流方向噴霧，填補截面噴霧的不足。

與傳統裝置方式相比，云霧除塵裝置特點鮮明：①云霧除塵主機單位時間內產生的霧滴顆粒數量大，霧滴粒徑小，分布更加均勻細密，吸附能力強，能充分增加與粉塵顆粒的接觸面積，實現定向抑塵，消除呼吸性粉塵效果更好；②云霧除塵主機體積小、占用空間小、移動方便，尤其適用于金屬礦山巷道、巷道型采場等有限空間內的降塵。

2.2 氣水源處理裝置

針對金屬礦山井下水路中雜質較多、硬度較高，噴嘴易發生堵塞的問題，設計了水源兩級處理系統。選用800目的不銹鋼超濾網作為水源的一級過濾材料，雙層疊加使用，經一級過濾后，水中顆粒物直徑可下降至10 μm左右；經二級過濾器處理后，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水質的要求。在高壓氣源的沖擊與摩擦作用下，壓風管路中含有較多鐵銹雜質，影響噴嘴噴霧效果。參照水源處理思路，采用氣源二級過濾裝置凈化氣源中雜質，使之滿足云霧噴嘴對氣源的要求。氣、水經過氣水源處理裝置（圖8）凈化后，可大幅提高云霧噴嘴霧化效果。

3 巷道云霧除塵現場試驗

3.1 工程背景

試驗場所選在梅山鐵礦-318 m水平西區北16巷道采場。采場斷面尺寸為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，炸藥大多數能量用于爆破破巖并拋擲巖塊，部分能量轉化為空氣沖擊波在回采進路中傳播。空氣沖擊波受到回采進路密閉空間約束，經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雜，對回采巷道內人員、設備與管線等設施產生了潛在威脅。為避開爆炸沖擊波的破壞，云霧除塵裝置移至與爆破主巷道間隔兩個巷道距離的回風道拐角處，即攜帶大量粉塵風流經過的區域。

3.2 試驗方案

在采場爆破前和采場爆破后，分別測定經過云霧除塵裝置的粉塵濃度，研究云霧除塵裝置現場應用效果。以云霧除塵裝置為中心，在除塵裝置前方5 m（A點）和后方5 m（B點）處分別安放一臺觀測臺車（圖9），觀測臺車上方安放一臺CCZ20呼吸性粉塵采樣器和一臺ICF-2粉塵采樣儀，分別進行呼吸塵和全塵采樣。

3.3 試驗結果分析

云霧除塵裝置開啟后，借助風流的作用，云霧迅速充滿整個巷道，巷道云霧填充距離達100 m，試驗效果如圖10所示，測定結果見表1。

綜合分析圖10及表1可知：①爆破前，云霧除塵裝置開啟后，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%，說明云霧除塵效果良好，可有效降低沿風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%，說明應用云霧除塵裝置能加速風流中粉塵沉降，凈化爆破粉塵，改善金屬礦山井下及地面環境。

4 結論

（1）云霧噴嘴霧化特性試驗結果表明：當水壓為一定值時，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；當水壓增大時，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。說明水壓與水流量、氣壓與氣流量的關聯性大于水壓與氣流量、氣壓與水流量的關聯性。

（2）試驗結果顯示，當氣壓為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，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。

（3）研發了云霧除塵裝置，包括云霧除塵主機和氣水源處理兩部分。現場試驗結果表明：爆破落礦后，經云霧除塵裝置凈化后，回風流中全塵、呼吸塵的降塵效率分別為96.89%、96.04%，說明云霧粒徑與粉塵粒徑匹配效果好，可有效降低沿風流方向的微細粉塵濃度，提高降塵效率，改善金屬礦山井下及地面環境。