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(yè)銅陵有色金屬（集團）公司下屬采選聯(lián)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(qū)的特大型高硫銅礦。由于生產(chǎn)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(chǎn)生大量含硫粉塵，嚴重污染工作環(huán)境，危害工作人員身體健康。而礦區(qū)的產(chǎn)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(tǒng)轉(zhuǎn)載點及充填站等[1]。本文在介紹高壓噴霧降塵技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，介紹-920m破碎站的高壓降塵方案，通過降塵結(jié)果分析相關(guān)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(shù)

粉塵問題一直是一個難題，目前除塵技術(shù)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(yīng)用于礦山、冶金、發(fā)電等行業(yè)。高壓噴霧降塵技術(shù)是一種新型的濕式除塵方法，其原理是利用高壓產(chǎn)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(yīng)用中，上述捕塵機理并不是同時一起發(fā)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(wù)，破碎能力高達1500t/h，其產(chǎn)塵量非常大，同時礦石在給料及裝運過中也會產(chǎn)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(jié)合高壓噴霧除塵的應(yīng)用特點，此處較適用高壓噴霧技術(shù)進行粉塵污染治理。

高壓噴霧降塵系統(tǒng)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(xiàn)水位自動控制，水位過高時自動關(guān)閉進水閥門，停止向水箱內(nèi)注水；水位過低時高壓泵自動斷電，停止運轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)正常運行。根據(jù)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(chǎn)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(guān)閉電源，結(jié)束噴霧，以提高粉塵捕集效率[3]。

圖1 高壓噴霧降塵系統(tǒng)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(zhì)、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(zhì)有關(guān)[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(zhì)，經(jīng)高壓裝置將其霧化，并與氣體中的粉塵發(fā)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(nèi)聚力作用而產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過高壓裝置時，會從噴嘴噴出水霧，由于水霧的電荷效應(yīng)，使部分細小的霧粒通常帶上負電荷，而空氣中的塵粒在產(chǎn)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(shù)量及霧粒荷電比例由噴霧方式?jīng)Q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(zhì)影響

受井下環(huán)境和條件的限制，地面水很難送到產(chǎn)塵點，同時為了節(jié)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(zhì)較多。而高壓噴霧系統(tǒng)中如霧化噴嘴等元器件，由于其孔徑微小，雜質(zhì)極易造成堵塞，導致噴霧效率降低甚至失效。而這種雜質(zhì)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(zhuǎn)化為動壓能，使液滴獲得動能噴出。研究表明：噴嘴的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)及動力性能參數(shù)對能量轉(zhuǎn)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(yīng)用中，一般都是采用螺旋導水芯結(jié)構(gòu)的噴嘴。

圖2 高壓噴嘴類型

3.2.2 噴嘴參數(shù)的影響

噴嘴內(nèi)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(chǎn)生影響。其中噴嘴內(nèi)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(chǎn)生壓力波動，從而造成空穴現(xiàn)象。噴嘴內(nèi)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(nèi)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(tǒng)參數(shù)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(jù)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(jīng)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(tǒng)的成本和維護難度，噴霧系統(tǒng)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(shù)，經(jīng)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(nèi)的霧粒數(shù)量越多，會相應(yīng)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(chǎn)塵點水分增多，帶來如排水問題和安全問題等，一般根據(jù)產(chǎn)塵量的大小及高壓噴霧系統(tǒng)的設(shè)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(jù)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(jié)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(jié)合概率就越大，降塵效率也越高。同時根據(jù)就近集中除塵的原則，應(yīng)在產(chǎn)塵點附近（盡量靠近產(chǎn)塵點）從上向下多方位進行噴霧，并能覆蓋整個產(chǎn)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(chǎn)生前的2～3分鐘開始噴霧，在除塵結(jié)束適當延時才停止噴霧。

4 結(jié)果與分析

冬瓜山礦-920m破碎站采用上述高壓噴霧降塵系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)產(chǎn)生的霧粒直徑小、運動速度高，具有負壓引射效應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)布置靈活方便。

5 結(jié)語

作為首座埋藏深度超過千米且含硫量高、生產(chǎn)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(chǎn)生大量含硫粉塵。本文在詳細介紹高壓噴霧技術(shù)影響降塵因素的基礎(chǔ)上，以產(chǎn)塵量特別大且工況復(fù)雜的-920m破碎站為例，說明高壓噴霧技術(shù)在冬瓜山礦的應(yīng)用，經(jīng)實踐驗證能有效降低產(chǎn)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。