高壓噴霧降塵技術在冬瓜山銅礦的應用研究

張少伍，李從華，張良貴

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

冬瓜山銅礦是我國大型企業銅陵有色金屬（集團）公司下屬采選聯合骨干礦山，是我國有色金屬礦山首座埋藏深度超過1000米，且處于熱礦區的特大型高硫銅礦。由于生產能力大，礦石含硫量高，在開采、破碎、運輸和選礦等過程中都會產生大量含硫粉塵，嚴重污染工作環境，危害工作人員身體健康。而礦區的產塵點有很多，主要包括打眼放炮掘進施工地、井下破碎站、各水平下礦溜井口、采場卸料口、選礦廠輸送系統轉載點及充填站等[1]。本文在介紹高壓噴霧降塵技術理論的基礎上，介紹-920m破碎站的高壓降塵方案，通過降塵結果分析相關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

粉塵問題一直是一個難題，目前除塵技術主要有機械式除塵、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，廣泛應用于礦山、冶金、發電等行業。高壓噴霧降塵技術是一種新型的濕式除塵方法，其原理是利用高壓產生大量的細小液滴顆粒噴向含塵氣體，通過液粒與氣體中粉塵的慣性碰撞、攔截、布朗擴散、靜電吸附、重力沉降等作用，捕集粉塵以達到降塵的目的[2]。在實際應用中，上述捕塵機理并不是同時一起發生作用，按照除塵的類型不同，各種機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破碎站承擔主礦井礦石的破碎任務，破碎能力高達1500t/h，其產塵量非常大，同時礦石在給料及裝運過中也會產生大量的粉塵，因此破碎站整個空間粉塵彌漫，污染十分嚴重。由于此處粉塵擴散面大（近30m2），無法進行塵源密閉，且粉塵含硫量大、破碎站地處較深、通風效果不好等特點，結合高壓噴霧除塵的應用特點，此處較適用高壓噴霧技術進行粉塵污染治理。

高壓噴霧降塵系統主要由高壓泵、過濾式自動控制水箱、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。過濾式自動控制水箱能實現水位自動控制，水位過高時自動關閉進水閥門，停止向水箱內注水；水位過低時高壓泵自動斷電，停止運轉，保證系統正常運行。根據破碎機上部控塵面積大小和粉塵量，在破碎機上方圍欄四周布置32個噴嘴，以覆蓋整個產塵擴散面。需要注意的是在給料機下料前2～3分鐘啟動高壓泵電源，開始噴霧；當破碎機和給料機停止工作后，需延時2～3分鐘再關閉電源，結束噴霧，以提高粉塵捕集效率[3]。

圖1 高壓噴霧降塵系統布置示意圖

3 高壓噴霧降塵效率影響因素分析

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

3.1 水的特性對噴霧降塵效果的影響[5]

水作為常用的噴霧降塵工作介質，經高壓裝置將其霧化，并與氣體中的粉塵發生慣性碰撞、攔截等作用而除塵，因此水對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/固體交界表面因內聚力作用而產生張緊的力，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，霧滴與粉塵的親和能力就越強，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劑，以達到減小表面張力，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正常運行的重要保證。酸性或堿性過強都會加快腐蝕金屬部件，并在表面積垢，從而降低噴霧系統的使用壽命，還會阻塞管路或噴嘴，影響噴霧效果。

3.1.3 水的電性影響

水經過高壓裝置時，會從噴嘴噴出水霧，由于水霧的電荷效應，使部分細小的霧粒通常帶上負電荷，而空氣中的塵粒在產生過程中由于碰撞、摩擦等因素，部分粉塵會帶上一定的正電荷，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。實驗證明霧粒帶電荷的數量及霧粒荷電比例由噴霧方式決定，減小霧粒、增加噴射速度等均可使霧粒攜帶負電荷的能力增強，但高荷電性也易造成粉塵自燃。

3.1.4 水中雜質影響

受井下環境和條件的限制，地面水很難送到產塵點，同時為了節約水資源，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，易使水中雜質較多。而高壓噴霧系統中如霧化噴嘴等元器件，由于其孔徑微小，雜質極易造成堵塞，導致噴霧效率降低甚至失效。而這種雜質的影響目前還沒有很好的解決辦法。

3.2 噴嘴對噴霧性能的影響

高壓噴霧裝置通過噴嘴將水霧化，同時噴嘴還將高壓泵提供的壓力能轉化為動壓能，使液滴獲得動能噴出。研究表明：噴嘴的內部幾何結構及動力性能參數對能量轉化的效率和水的霧化影響很大[4]。

3.2.1 噴嘴類型的影響

圖2為常用高壓水射流用噴霧噴嘴類型，其中螺旋導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。因此在實際應用中，一般都是采用螺旋導水芯結構的噴嘴。

圖2 高壓噴嘴類型

3.2.2 噴嘴參數的影響

噴嘴內孔表面粗糙度和噴嘴出口的圓柱段長度均會對噴霧性能產生影響。其中噴嘴內孔表面粗糙度的不同，不但會影響流體的動能，也會使高速流體流過時產生壓力波動，從而造成空穴現象。噴嘴內表面越粗糙，水噴出時的出口邊界厚度會越大，導致出口速度變小，射流密集性和切割能力變差，因此噴嘴內孔表面越光滑越好。而噴嘴出口圓柱段長度對噴霧效率影響很大，出口圓柱段的長度適當延長，霧滴出口速度會增大，但噴射密集段的長度卻會減小。因此出口圓柱段長度不宜過長或過短，考慮噴嘴圓柱錐段收斂角的大小及流體流動條件，一般出口圓柱段長度取噴嘴出口直徑的2.5～3倍。

3.3 噴霧系統參數對噴霧效果的影響

3.3.1 噴霧壓力的影響

噴霧除塵時霧粒粒度越接近粉塵的粒度，除塵效果越好。根據空氣中粉塵的大小，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驗公式[5]，由式可知：噴霧壓力越大，霧滴直徑越小，此時霧粒和粉塵的接觸面就會越大，降塵效果會大大提高。但過高的噴霧壓力會增加系統的成本和維護難度，噴霧系統的壽命也會大大降低，因此，在保證降塵效果的前提下，適當控制噴霧壓力，一般對直徑為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，經驗值是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

噴霧流量的大小嚴重影響降塵效果。噴霧流量越大，單位時間、單位體積內的霧粒數量越多，會相應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]。但噴霧流量增加會導致產塵點水分增多，帶來如排水問題和安全問題等，一般根據產塵量的大小及高壓噴霧系統的設置合理確定噴霧流量。

3.4 霧流特性對降塵效果的影響

霧粒大小、噴出速度及噴出位置和噴出時機對降塵效果的影響是很大的。根據噴霧降塵的機理，霧粒與塵粒的大小、相對速度等都會影響霧粒與塵粒的結合，因此霧粒速度越高、霧粒與塵粒的大小越接近，霧粒與塵粒的結合概率就越大，降塵效率也越高。同時根據就近集中除塵的原則，應在產塵點附近（盡量靠近產塵點）從上向下多方位進行噴霧，并能覆蓋整個產塵面，以免粉塵逃逸[6]。另外為增加空氣濕度，提高降塵效率，一般在粉塵產生前的2～3分鐘開始噴霧，在除塵結束適當延時才停止噴霧。

4 結果與分析

冬瓜山礦-920m破碎站采用上述高壓噴霧降塵系統，系統設計用水量為50L/min，按破碎能力1500t/h計算，每噸礦石增加水分僅為2L，對礦石的含水率影響很小。②由于高壓噴霧系統產生的霧粒直徑小、運動速度高，具有負壓引射效應及荷電作用，對粉塵的捕集效率高，實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系統采用8MPa～10MPa的高壓噴霧，霧粒運行速度快、射程遠，且霧化擴張角度大，由于有多個噴頭同時工作，能覆蓋近30m2，有效控制粉塵擴散。④系統采用高壓膠管進行供水，高壓膠管可以彎折，且其接頭均為U型快速連接卡，系統布置靈活方便。

5 結語

作為首座埋藏深度超過千米且含硫量高、生產能力大的有色金屬礦山，冬瓜山礦在開采、破碎、運輸和選礦等過程中都會產生大量含硫粉塵。本文在詳細介紹高壓噴霧技術影響降塵因素的基礎上，以產塵量特別大且工況復雜的-920m破碎站為例，說明高壓噴霧技術在冬瓜山礦的應用，經實踐驗證能有效降低產塵點的總粉塵和呼吸性粉塵，為其他礦山降塵除塵提供參考。