矿山溜破系统大风量高压干湿雾化除尘技术研究

王 志，吴洁葵，李亚俊

矿山溜破系统大风量高压干湿雾化除尘技术研究

王 志1, 2，吴洁葵1, 2，李亚俊1, 2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014；2.非煤矿山通风除尘湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014)

为解决矿山溜破系统矿石在下落过程中产生的大量粉尘与冲击气流，以凡口铅锌矿−455~−600 m中段溜井为工程背景，通过理论分析、室内及现场实验、现场监测相结合的方法对溜井冲击性粉尘进行综合分析研究。结果表明：利用与溜井连通的平行井构成卸压系统可较好地解决冲击气压的问题；采用自主研发的大风量湿式雾化除尘设备与微米级高压干式雾化除尘技术，构建了一套适用于深溜井除尘的综合除尘净化系统，经过该系统进行多级除尘净化后，其粉尘浓度仅为0.02 mg/m3，达到了较好的除尘效果。

溜破系统;喷雾;除尘;粉尘浓度

0 前 言

矿山的矿石运转常采用溜井的放矿方式，在卸矿的过程中不可避免会产生大量的粉尘，特别是岩性较脆、环境干燥且多中段同时卸矿的情况下，粉尘危害尤为严重。常规的除尘措施如封闭喷水降尘、抽风排尘等方法，除尘效果欠佳，而且还存在除尘效率低、耗水量大、除尘费用高等问题。因此，开展大风量高压干湿雾化除尘技术研究，对控制井下粉尘污染，改善作业环境和条件具有重要的 意义。

1 矿山溜破系统

1.1 溜破系统现状

广东凡口铅锌矿现年产量超过140万t，井下同时生产中段数已经达到了22个，是国内同时生产中段数较多的矿山之一，其中−160~−750 m中段均设置了溜矿系统，在−385 m、−680 m中段设置了破碎系统。目前井下溜破系统日处理能力为5500 t，溜井放矿高差大，矿石在下落过程中与井壁及矿石间的碰撞、冲击产生了大量的粉尘，高浓度的含尘冲击气流瞬间大量涌出，通过卸矿硐室、卸矿平巷污染了中段进风风源，对井下通风系统造成极大的粉尘危害[1]，其系统见图1。

1.2 冲击气流治理措施

建立−600～−455 m中段降压缓冲井系统，在缓冲天井与主溜井之间每隔15～30 m高度掘进一条卸压连通平巷，形成冲击气流内循环，解决大型矿山深溜井多中段卸矿降压和冲击气流夹带粉尘而污染进风风源问题，其系统纵剖面见图2。

图1 溜破系统结构示意

图2 缓冲卸压系统示意

2 高压干湿雾化除尘技术研究

2.1 雾化除尘原理

喷雾降尘是水雾颗粒与粉尘颗粒相互结合而沉降的过程[2]。经实验研究表明，当粉尘颗粒与水雾颗粒大小相等或相近时，粉尘颗粒与水雾颗粒碰撞凝结的几率最大，从而在自重的作用下沉降，达到除尘的目的，其过程见图3。

图3 喷雾除尘机理

2.2 除尘系统构成

除尘系统采用二级净化除尘方式。一级净化除尘系统采用湿式雾化除尘，二级净化除尘系统采用高压微米级干式雾化除尘。

一级除尘净化系统是通过除尘风机出口大风速与安装在具有一定水压的环管螺旋喷嘴的共同作用下，产生10 µm以上细水雾与粉尘颗粒粘结 沉降。

二级除尘净化系统的喷雾除尘装置是由一定强度的压缩空气在喷嘴的狭小结构范围内高速雾化产生10 µm及以下的水雾颗粒，使水雾与粉尘相互结合，在重力的作用下沉降，达到除尘的作用。

2.3 湿式喷雾除尘系统

2.3.1 除尘风机的选型

卸矿场所的排尘风速参照排尘风速要求，−500，−550，−600 m中段有废石溜井及矿石溜井两个系统，计算总需风量为24.96 m3/s，风压为807.15 Pa。因此选择K55-4NO13(55kw)型风机，该风机风量为17.3～32.6 m3/s，风压为675～1295 Pa，叶片安装角度35°，工况效率为88%，风机风量为26 m3/s。

2.3.2 除尘水量

为了达到较好的除尘效果，水气比取值范围为0.1～3.5 L/m3，湿式雾化除尘器的压力损失为100～300 Pa。本设计采用水气比为0.1 L/m3，由于风机风量为26 m3/s，则供水量为156 L/min。

2.3.3 水管材质及管径

根据管路及喷嘴的流速要求及压头损失，湿式螺旋型喷嘴连接管采用管路直径为25 mm的镀 锌管。

2.3.4 喷嘴选型及布置

设计在扩散器风筒圆周上安装一组螺旋型喷嘴[3]，喷嘴型号HB0101-SPJT-SS，管子尺寸1/4，额定喷孔直径4 mm，喷射扩散角度为60°，每相隔15°圆心角安装一个喷嘴，喷嘴安装角度为沿筒中心往风筒内偏15°，安装示意图见图4。

图4 湿式雾化喷嘴安装

2.4 高压干式雾化除尘系统

2.4.1 高压干式雾化系统组成

高压微米级干式雾化除尘系统装置是采用模块化组装。其系统组成由干雾机、螺杆式空压机、控制系统、水气分配器、万向节总成、水气连接管线等组成。

2.4.2 喷嘴压力实验

为了研究雾化系统喷嘴所需最优压力，使雾滴达到除尘净化的粒径要求，同时尽量减少压力浪费，进行了相关实验研究和分析[4]。

为保障实验的科学性，对气压分别在0.2，0.6，0.7 MPa下进行多次实验，其中水压保持不变。结果见图5。

从图5可以看出，在水压一定的情况下，气压逐渐增大至一定值时，水雾颗粒直径在10 µm以下的体积占比约50%，随着气压的不断上升，直径较大的水雾颗粒的体积占比随着气压的上升而增 大[5-6]。因此，确定本雾化系统最优的压力为 0.6 MPa。

图5 水雾颗粒总体积分布

2.4.3 除尘水量

喷雾除尘的供水量按式（1）计算：

式中，为喷雾除尘所需要的供水量，m3/h；为喷嘴个数，个；为喷嘴同时供水的系数，一般取0.6~0.7；为单个喷嘴的耗水量，m3/h。

喷嘴流量与系统压力有关[7-8]，随着系统压力的增大而增大。流量和压力的关系见式（2）：

式中，为流量，/min；为压力，Pa；1 Pa=1.02 kg/cm2。

不同型号喷嘴的耗水量随着水压、作用长度、张开角及出口直径的不同而变化[9]。根据现场实际情况及式（2）计算得出除尘水量为14.85 L/min。

2.4.4 高压喷雾水管材质及管径

因高压喷雾系统喷嘴口径小，为了防止喷嘴堵塞，喷嘴与管道连接选用不锈钢管，与干雾机出口连接选用高压胶管[10]。

输水管径的大小直接影响管路系统的压头损失[1]。输水管径按式（3）计算：

式中，为输水管径；mm；为流速，m/s主管流速取0.5 m/s，高压胶管流速取1.4 m/s。

根据式（3）计算得出主管内径为25 mm，高压胶管内径为15 mm。

2.4.5 喷嘴布置

根据工程实际情况，万向节总成安装巷道断面以及井下溜破系统二级净化除尘的要求，设计采用SLG-05型喷嘴[11]，其覆盖角度为30°；喷嘴与巷道壁的安装夹角为75°，在巷道断面的顶部布置4套喷嘴如图6所示。

图6 高压干式雾化喷嘴安装

2.5 辅助保障系统

含尘气流经过两级雾化除尘之后，空气中形成大量水雾，为了保障环境清洁，须采用除雾措施。研究采用百叶窗除雾器，根据其原理，除雾器截面风速在2～3 m/s时，除雾效率最高[12]。

由于除尘风机风量约为26 m3/s，为了取得良好的除雾效果，巷道风速为2～3 m/s的位置安装除雾器。除雾器安装位置的巷道断面面积约为10.32 m2，则此处的风速约为2.5 m/s，风速满足除雾要求。除雾器结构示意图见图7。

图7 除雾器结构

3 高压干湿雾化除尘工程实施效果

通过本项技术的研究，在广东凡口铅锌矿井下−455 m中段建立了溜破系统大风量高压干湿雾化除尘系统，对井下−500，−550和−600 m中段的矿石溜井与废石溜井卸矿时产生的高浓度含尘冲击气流取得了较好的除尘效果。经二级雾化除尘后，其环境粉尘浓度仅为0.02 mg/m3，远低于职业接触限值，其除尘净化效率约为99%。

4 结 论

（1）采用降压缓冲井系统，在缓冲天井与主溜井之间每隔15～30 m高度，掘进一条卸压连通平巷，形成冲击气流内循环，解决了大型矿山深溜井多中段卸矿降压和冲击气流夹带粉尘而污染进风风源问题。

（2）采用深溜井高压干湿雾化结合多级串联除尘净化技术，构建了一套适用于深溜井除尘的综合除尘净化系统。经过该系统进行多级除尘净化后，其粉尘浓度为0.02 mg/m3，远低于进风源粉尘浓度不超过0.5 mg/m3的安全规程要求。

（3）该技术成功应用于矿山井下溜破系统通风除尘，大大减少了粉尘对矿山企业人员和设备的危害，可为其他矿山溜井除尘技术方案提供参考，具有较好适用性。

[1] 李亚俊,刘伟强,李印洪,王 志,刘东锐.高溜井大风量雾化除尘装置的研究及应用[J].湖南有色金属,2017,33(5):7-9.

[2] 张海洋,齐庆杰,汪日生.皮带巷粉尘浓度分布规律及全自动气水调节雾化除尘系统[J].安全与环境学报,2017,17(5):1795-1799.

[3] 石 零,张爱利,陈 文,陈佳祺.无孔雾化湿式除尘器的实验研究[J].工业安全与环保,2018,44(7):65-67.

[4] 许满贵,何鹏程,刘欣凯,董康乾,魏攀.矿井除尘喷嘴雾化特性数值模拟研究[J].煤炭技术,2015,34(11):193-195.

[5] 杨家俊,张冰洁,刘定平.螺旋喷嘴雾化特性试验研究[J].环境工程,2013,31(5):71-74．

[6] 汤 梦,刘荣华,王鹏飞,张 文,桂 哲.高压喷雾雾化特性及降尘效率实验研究[J].矿业工程研究,2015,30(1):76-80.

[7] 刘 伟,徐东耀,陈佐会,尹辰贤,张佳丽,林 爽,侯 嫔.超声波雾化脱硫除尘一体化废气净化技术的研发与应用[J].环境工程,2018,36(5):94-99.

[8] 张 强,李宏峰.基于量子遗传算法的液压支架喷雾效率的参数优化设计[J].中国安全生产科学技术,2014,10(12):51-55.

[9] 程卫民,聂 文,周 刚,左前明.煤矿高压喷雾雾化粒度的降尘性能研究[J].中国矿业大学学报,2011,40(2):185-189.

[10] 李晓豁,董伟松,焦 丽,何 洋,李 婷.四角旋流布置喷嘴负压集尘器的降尘效率优化[J].中国安全科学学报,2014,24(5):120-125.

[11] 马德刚,林伟强,郑琪琪,柯 忱,翟 君.声凝并联合雾化预处理及其在过滤除尘中的应用[J].环境工程学报,2015,9(5):2353-2358.

[12] 齐庆杰,董子文,汪日生,周新华,杨 桢.皮带输煤巷中继站尘源特性及全自动气水雾化除尘系统研究[J].中国安全生产科学技术,2015,11(12):11-17.

(2019-03-15)

王 志(1985—)，男，湖南衡阳人，工程师，硕士研究生，主要从事采矿与通风除尘技术方面的研究工作，E-mail:wangzhi611@126.com。