玲瓏金礦尾礦庫抑塵劑實驗研究及應用

王壽東WANG Shou-dong

（山東黃金礦業（玲瓏）有限公司，煙臺 265400）

0 引言

隨著礦山開采的不斷深入，金屬礦尾礦庫粉塵污染情況日趨嚴重，粉塵污染不僅影響礦區周邊環境空氣質量、降低人員作業效率，并且會危害人體健康[1-3]。

人類認識噴霧除塵技術是從雨滴洗滌大氣中的塵埃開始的，以后逐漸推廣應用到控制污染物和粉塵。20 世紀20 年代，英國、美國等開始采用噴霧降塵技術，并與50 年代后逐步出現離心式霧化、旋流式霧化、撞擊式霧化等方式，但是降塵效率較低，平均僅為30%。20 世紀40 年代中期，Penney 研制出了世界上第一臺荷電水霧除塵器。隨后，美國、日本、法國、英國、加拿大及前蘇聯等國家對此項技術均做過廣泛而深入的研究[4]。但是對噴霧除塵技術的應用研究始于1976 年美國學者布朗和斯考溫格德提出的微細水霧捕塵理論。該理論認為在微細水霧中，不僅存在著各種動力學現象，而且還有蒸發、凝結以及水蒸氣濃度差異造成的擴散現象等，這都對微細粉塵的捕集起重要作用。美國、俄羅斯、以色列等國家都對微細水霧捕塵技術進行了多方面研究，并取得了一定的成果，但當時的研究工作還不夠細致，沒有上升到理論層次，僅限于實驗和數值模擬。

目前國內外針對金屬礦尾礦庫抑塵研究已開展大量工作，但受工藝復雜、適用條件單一、腐蝕污染等問題限制，未得到可廣泛用于尾礦庫抑塵的技術措施[5-7]，目前針對尾礦庫的抑塵研究工作迫在眉睫。

1 工程背景

玲瓏尾礦庫堆積壩標高355m，總壩高150m，尾砂以泥漿和細尾砂方式堆存，庫內有沉積干灘，灘面由干燥尾砂形成。上下兩級庫區灘面面積約為25 萬平方米，上級庫區氣候較為惡劣，風吹日曬導致水分揮發很快，往年尾礦庫在可放礦的生產條件下，灘面防揚塵措施一般采用多點均勻放礦的方式保持灘面潤濕，保證灘面不揚塵。

而隨著環保壓力的不斷增大，尾礦庫揚塵治理迫在眉睫。玲瓏金礦先后在灘面上采用敷設防塵網、噴霧降塵等措施進行尾礦庫揚塵治理，雖耗費巨大精力及成本，取得部分成效，但仍未達到環保要求。

玲瓏金礦通過多次試驗研究，確定液體抑塵劑對防塵能夠起到良好的效果，且投入較少，符合當前企業的生產實際及環保要求，于2020 年3 月于玲瓏尾礦庫進行應用，截至目前，達到預期應用高效果。

2 液體降塵機理

液體降塵機理大致同單一液滴的捕集機理類似，水幕降塵是濕式除塵技術的一種，長期以來，經過對液滴噴射霧化與塵粒的運動規律的研究，總結出主要的除塵機理。概括性的降塵機理包括兩個方面：①塵粒與水直接接觸被捕獲；②塵粒在水的作用下凝集性增加。這兩種作用使得粉塵從含塵氣流中分離出來。水幕系統具體的降塵機理見圖1，圖中流線是歐拉法用來描述流動的一種方法，認為流體是某一相同時刻在流場中畫出的一條空間曲線，給出了該時間不同流體質點的速度方向，是速度場的幾何表示。

針對圖1 所示的四種捕塵機理，具體的解釋說明如下。

圖1 霧滴捕集塵粒的典型機理示意圖

①慣性碰撞。

塵粒在無外部因素的干擾下是有跡可循的，當突遇障礙物時會在其周圍出現氣體流線。但是當較大的塵粒在遇到液滴時，因其質量較大、顆粒較粗，相應具有較大的慣性作用力，從而無法沿著流線的軌跡運動，仍保持其原來的運動方向運動，靠慣性作用與水滴發生碰撞并粘附于水滴表面，凝聚成大顆粒，最終被液滴捕獲，進而獲得更大的重量實現加速沉降，1μm 以上的塵粒主要是靠慣性碰撞捕獲。影響慣性碰撞的因素有：氣體速度在液滴周圍的分布、塵粒的運動軌跡、塵粒對液滴的附著。

②重力沉降。

當塵粒具有一定的大小和密度時，塵粒會在重力作用下沉降到液滴上，這時固態塵粒與液滴的惰性凝結過程使得塵粒被濕潤，自重增加而沉降。在重力作用下粉塵能夠實現沉降取決于塵粒的大小、密度和流速，塵粒只有在顆粒比較大、密度大且流速小時，重力沉降的捕集效率才明顯。重力沉降在捕集細小粉塵時發揮的作用并不大。

③布朗擴散。

懸浮在液體或氣體中的微粒一直在作無規則、無秩序的運動。當微細塵粒受到氣流的夾帶作用圍繞液滴運動時，因為一直存在的布朗擴散，塵粒的運動軌跡與氣流流線不一致而沉積在液滴上。塵粒越小，尤其是粒徑小于0.5μm 的粉塵，布朗擴散越強烈。

④攔截捕塵。

當風流攜帶塵粒沿氣體流線隨著氣流直接向液滴運動的過程中，流線不能突然發生折轉，塵粒會在離液滴距離不遠處開始繞流水霧運動。風流中質量較大、顆粒較粗的塵粒因慣性的作用會脫離流線而保持向液滴運動。在不考慮塵粒的質量情況下，塵粒會和風流同步，因塵粒是立體具有體積，粉塵粒質心所在流線與液滴的距離小于塵粒半徑時，即氣流流線離液滴表面的距離在dp/2 粒徑范圍以內時，塵粒便會與水滴接觸被攔截下來，使塵粒附著在液滴上。對截留捕塵起作用的是塵粒大小，而不是塵粒的慣性，并且與氣流速度無關。

除了上述和流線有關的降塵機理以外，水幕降塵系統采用的高壓噴嘴使得噴出的水霧由于水霧電荷效應部分霧粒帶電，再結合塵粒的荷電性質，礦井中的粉塵在產生和運動的過程中，由于摩擦、碰撞、接觸帶電等一系列原因，粉塵與霧粒均帶有電荷，當雙方所帶電荷相反時，會相互吸引產生凝結現象，從而達到加速沉降的目的。這種降塵機理稱之為靜電凝結或非惰性凝結，捕塵的效率與所帶電荷量、以及霧粒與粉塵粒度及兩者之間的距離有關。

3 實驗研究

3.1 液體抑制劑實驗

試驗現場，液體抑塵劑采用1:100 和1:70 的配比，劃區域分別試驗。詳見表1。

表1 液體抑塵劑配比數據

稀釋液配制：按照1:100 的配比選取原液0.2kg，先在臉盆里放入3kg 左右清水，然后倒入0.2kg 原液，攪拌均勻后倒入容量20kg 的噴霧器中，再注入清水攪拌勻，形成1:100的稀釋液，共計試驗面積約80m2；1:70 的稀釋液共計試驗面積約50m2。噴灑比例均按照1.5-2kg/m2執行。

檢驗效果：第二天分別對配比1∶100 和1∶70 液體抑制劑進行檢驗，兩者試驗區域表面均結殼約2-5mm，配比1∶100 和1∶70 沒有明顯的區別，都可起到抑制揚塵的作用。建議按照1∶100 的配比，噴灑面積2kg/m2對尾礦庫進行噴灑抑塵。試驗效果圖2、圖3 所示。

圖2 液體抑塵劑噴灑后效果

圖3 液體抑塵劑噴灑后效果

3.2 固體1612 粉塵抑制劑

試驗現場，固體抑塵劑采用1∶100 和1∶130 的配比，劃區域分別試驗。但在攪拌稀釋過程中結塊現象嚴重，操作較為復雜，因此放棄固體抑塵劑試驗。

4 抑塵劑應用分析

4.1 應用過程

應用灑水車、蛇皮軟管等設備，技術要點如下：

①灑水車高壓水槍與蛇皮軟管應能夠連接嚴密，無滴漏；

②利用灑水車高壓水槍飽和噴灑于尾礦庫干灘表層；

③按照2kg/m2在尾礦庫噴灑液體抑塵劑稀釋液后，表層結膜厚度約為5mm 左右。如需結膜厚度增加，可調整稀釋液配比和噴灑量；

④產品原液粘稠、易滑，兌水作業時要注意安全。

尾礦庫抑塵劑施工及噴灑后效果如圖4、圖5 所示。

圖4 尾礦庫抑塵劑施工現場

圖5 尾礦庫抑塵劑噴灑后

4.2 液體抑塵劑的噴灑效果分析

通過在尾礦庫噴灑液體抑塵劑稀釋液后，降塵率達80%以上，與清水噴霧相比，降塵率平均提高20%以上。

①液體抑塵劑與固體抑塵劑效果分析：液體抑塵劑配制方法簡單，溶解速度快，容易操作；固體抑塵劑配制方法較復雜，攪拌時易結塊影響噴灑及防塵效果。

②液體抑塵劑與防塵網效果對比分析：液體抑塵劑會在松動的砂層表面形成軟膜，有效抑制大風天氣尾礦庫揚砂；防塵網濾網的孔徑較大，大風天氣時細顆粒尾砂容易從濾網飛出，甚至把防塵網吹卷，經不起風吹日曬。

③有效期方面分析：液體抑塵劑透水性能好、抗紫外線能力較強，形成軟膜后，有效期2-6 個月；固體抑塵劑透水性能一般，抗紫外線能力一般，形成軟膜后，有效期為1-3 個月之間；防塵網透水性能好，抗紫外線能力一般，夏季鋪設后，有效壽命一般在3 個月左右，需不斷更新防塵網方能達到防塵效果，勞動量極大。

④美觀化方面分析：噴灑液體抑塵劑時，可同時考慮加入色素，來分辨噴灑區域，一方面能夠提醒和防止人為破壞，同時也能起到較好的視覺美觀作用。

4.3 成本分析

根據前期玲瓏尾礦庫對各種方法的實踐，以此為依據進行成本分析。

4.3.1 防塵網敷設

①材料成本：玲瓏尾礦庫共敷設防塵網9 萬平方米，共計使用防塵網22t，單價為11.87 元/公斤，共計花費261140 元，使用壽命為3 個月，材料成本為261140/90000/3=0.97 元/平方米/月。

②人工成本：敷設防塵網9 萬平方米，共計300 人次，平均300 平方米/人次.天，按照人工單位成本300 元/天計算，人工成本為300*300/90000/3=0.33 元/平米/月。

綜上所述，防塵網敷設單位成本為0.97+0.33=1.3 元/平米/月。

4.3.2 液體抑塵劑

①材料成本：玲瓏尾礦庫共計噴灑抑塵劑9 萬平方米，共計花費120000 元，使用壽命按照3 個月計算，材料成本為120000/90000/3=0.45 元/平方米/月。

②人工成本：液體抑塵劑噴灑9 萬平方米，共計使用人工30 人次，平均3000 平方米/人次.天，按照人工單位成本300 元/天計算，人工成本為300*30/90000/3=0.03 元/平方米/月。

經濟效益：按照玲瓏尾礦庫上下兩級庫區干灘25 萬平方米計算，敷設防塵網成本為250000*1.3=325000 元/月，液體抑塵劑成本為2500000*0.48=120000 元/月，使用抑塵劑較防塵網年節省成本費用（325000-120000）*12=2460000 元。

5 總結

尾礦庫粉塵污染已經發展成為必須解決的環保問題，該液體抑塵劑經過實踐檢驗，除塵效果良好，且成本低廉，一般礦山企業都可接受，因此，該抑塵劑可推廣應用到類似金屬礦山的尾礦庫粉塵治理工作中。