王愛愛，楊 卓，龍東生，吳 桐

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

隨著科技水平的提高，我國露天煤礦的開采能力和工作效率也逐步提升，具體體現(xiàn)在各大煤礦紛紛引入了半連續(xù)、連續(xù)開采工藝設備，起到了降本增效的效果。然而，在開采能力和工作效率提高的同時，生產過程中的粉塵污染問題逐漸突出，對工作人員、設備及周邊環(huán)境的負面影響愈發(fā)嚴重[1]。我國絕大多數(shù)露天煤礦分布在干旱少雨的晉北及西北地區(qū)，大風、干燥的環(huán)境條件促進了煤塵揚起，使得露天煤礦的粉塵污染問題更加嚴重[2]。

半移動式破碎站是半連續(xù)開采工藝的關鍵環(huán)節(jié)和核心設備，其優(yōu)點為破碎能力強、移設方便等，缺點是多數(shù)破碎站在露天布置，受料過程中會產生嚴重的無序粉塵對環(huán)境造成污染[3]。破碎站粉塵治理一直是礦山綠色開采的一個重難點，受到開采工藝、作業(yè)設備、環(huán)境、氣象條件等諸多因素影響與制約，實際工作中粉塵治理的效果往往不夠理想[4]。目前在礦山破碎站除塵方面，還沒有一個較為完善的解決方案，國內外一些科研單位和生產企業(yè)使用相對單一的除塵技術設備進行降塵，但還存在進一步技術提升空間[5，6]。本文針對露天煤礦一級破碎站的粉塵污染與防治現(xiàn)狀，基于微動力誘導抑塵機理，進行抑塵設備的設計與應用研究，對露天煤礦粉塵污染防治工作具有重要參考價值。

1 露天礦一級破碎站粉塵污染及防治現(xiàn)狀

1.1 粉塵產生原因及規(guī)律

為方便卸車，露天煤礦一級破碎站的受料斗上部大多設計成開放式結構，敞開式的工作環(huán)境使得周圍氣流運動規(guī)律具有復雜性，對于影響因素的改變比較敏感。破碎站卸料過程中，自卸式汽車的車廂底部與受料斗之間有較大的距離，使得煤從車廂落入受料斗時落差較大，物料之間的能量交換會產生強大的誘導氣流和沖擊氣壓，大量粉塵受到沖擊氣壓和誘導氣流作用擴散到大氣中[7]。加上破碎機工作時轉子產生的鼓風效應，煤塊下落時會產生大量的誘導風[8]，下落后受料斗上方會產生大量含煤塵的氣體，嚴重污染作業(yè)環(huán)境，不僅影響工作人員的安全、健康，而且容易引發(fā)煤塵爆炸、火災及機電事故等[9]。

研究表明：煤炭的輸送量越大，卸車時煤塊下落攜帶的誘導風就越大。煤塊下落的方向越接近于豎直，下落距離越長，下落的速度就會越快，產生的誘導風力也會越強，對系統(tǒng)的沖擊將更大、破壞更嚴重，產生的粉塵量也會更大[10]。煤的粒度越細、濕度越低，與誘導風相互混合的程度越高，所造成的粉塵污染就會越嚴重。

1.2 粉塵防治技術發(fā)展現(xiàn)狀

為解決破碎站的粉塵污染問題，目前采用的方法主要有：塵源封閉法、高壓噴霧抑塵法、干式布袋抑塵器法等[11，12]。

塵源封閉法，即為封閉粉塵的產塵源，使其產生后無法擴散。對于露天礦，主要是在自卸汽車平臺上設置一些圍擋物，將產塵部位封閉起來，達到就地控制粉塵的目的。但自卸汽車的卸料口附近情況比較復雜，加之對粉塵產生的原因認識不足，目前無法做到完全密封，存在漏塵、噴塵點較多的問題，無法鋒得良好的抑塵效果。

高壓噴霧抑塵法[13]主要是在產塵空間內安裝利用壓縮空氣驅動的超聲波霧化器，實現(xiàn)就地抑塵。這種抑塵方式效果較好，但對水的凈度要求嚴格，系統(tǒng)投資、運行費用、管理成本較高，而且不能在溫度較低的環(huán)境下運行，使用地區(qū)和時間受限。

干式布袋抑塵器法，具有處理風量大、抑塵效率高的優(yōu)點，但抑塵器體積龐大、較笨重，存在投資高、能耗大、運行維護工作量大等問題[14]。

因此，基于破碎站現(xiàn)有的粉塵治理方法存在的問題，亟待研發(fā)一種投資較低、能耗較小，抑塵效果更好的抑塵裝置。

經調研，目前國內大多數(shù)露天礦一級破碎站受料坑并未設置系統(tǒng)的封閉除塵設施，多為設置簡易罩體抑塵、在卸料口四周加設干霧抑塵或環(huán)保水霧炮或移動式射霧器進行降塵，上述措施抑塵效果均不佳、成本高、受季節(jié)性影響較大[15，16]。

2 微動力誘導抑塵機理

微動力抑塵就是有微小的動力參與抑塵，主要用于解決高落差場合的物料抑塵。微動力抑塵裝置一般包括全封閉抑塵罩、抑塵網、物理沉降回流裝置、擋塵簾、風輪自清潔裝置等。主要利用空氣動力學原理，采用壓力平衡和閉環(huán)流通方式，最大限度降低物料流導管內粉塵空氣的壓力，使之與外部空間壓力趨于平衡[17]。

經過微動力抑塵后，氣流中的粉塵已基本被過濾掉，而干凈的氣體會繼續(xù)上升到誘導循環(huán)口。罩體頂部形成誘導回風空間，在誘導循環(huán)口上設置微動力風機，經雙層抑塵網過濾后的干凈氣體進入卸料口與自卸車廂板間的負壓區(qū)(由物流流動產生)，被正在滑入受料斗的物料裹挾重新進入抑塵裝置內，通過抑塵裝置內的組織結構引導含塵氣流實現(xiàn)抑塵罩內外誘導循環(huán)，避免卸料時受料斗處粉塵逸出。

微粒自由下落過程中卷吸空氣量隨著微粒羽流下降高度的延伸而增加，隨著微粒流中微粒密度及粒徑的增大而減小[18，19]。對于同一種物料，物料量及下落高差直接影響誘導氣流量[20]。

(1)

Q=kV

(2)

實驗原型與模型的誘導空氣量比值：

(3)

式中，V為物料體積流量，m3/h；Q為誘導氣流量，m3/h；G為物料量，t/次；T為卸料時長，s；ρ為物料堆積密度，t/m3；K為常數(shù)。

3 微動力誘導抑塵罩構想

為解決現(xiàn)有技術中存在的投資高、能耗大和抑塵效果差等問題，基于誘導循環(huán)抑塵機理，研發(fā)了一種露天礦一級破碎站受料斗微動力誘導抑塵罩，如圖1所示。該抑塵罩由罩體、一級降塵層、二級降塵層和振動裝置構成。其中，罩體由下罩體和穹頂構成，在下罩體的左、右兩側壁上都設有帶擋簾的卸料門洞；一級、二級降塵層都設置于罩體內。

圖1 露天礦一級破碎站受料斗微動力誘導抑塵罩構想

使用時將該抑塵罩罩在受料斗上方，當裝滿散料的自卸車倒車至抑塵罩的卸料門洞處后，隨車廂傾斜，物料從卸料門洞進入抑塵罩內部，滑落到受料斗的過程中會攜帶大量空氣進入抑塵罩內。當落至受料斗后，會激起大量粉塵，受誘導風作用，激起的粉塵會伴隨氣流在罩體內上升。上升過程中會依次經過一級、二級降塵層。

當含粉塵的氣流經過一級降塵層時，抑塵單元通過改變氣流的流動方向并削弱分子間引力，增大壓力損失，減小粉塵動能，延緩粉塵外溢；同時顆粒大、比重大的粉塵在抑塵網的阻擋和重力作用沉降下來，完成初步降塵。

當含粉塵的氣流經過二級降塵層時，固體表面因其表面分子處于不平衡狀態(tài)，受到內部分子的引力與外部引力不同，為了維持平衡，會不斷地吸引空氣中的物質。抑塵單元中針狀支葉的長度沿支桿由上至下依次遞減，最終完成全部精細的二次降塵。

此外，該抑塵罩中還設有振動裝置(如圖2、圖3)，在振動裝置的驅動下，一級、二級降塵層可發(fā)生抖動，去除其抑塵單元的粉塵，完成自清潔，從而實現(xiàn)長效降塵。為了降低該抑塵罩的能耗，設計利用露天礦的自然風力作為振動裝置的動力源，滿足間接性清除抑塵單元表面附著粉塵的需求。

圖2 振動單元結構

圖3 抑塵層結構

4 模型實驗

4.1 實驗臺

為探究抑塵罩裝置抑塵效果，按照哈密南湖露天礦一級破碎站(破碎能力600t/h，受煤坑6m×6m，最大車型40t)尺寸和實驗空間搭建了1∶5可移動式實驗模型。卸料坑口尺寸為1.2m×1.2m，卸料坑周圍采用5mm厚鋼板圍成，高為2.5m。模型骨架采用3D打印的結構球節(jié)，罩子圍護結構選用水晶板，罩內設照明。在進料口上方架設變頻風機，抑塵罩側面架設電腦攝像頭記錄罩內含塵氣流運移路徑。

4.2 實驗材料

參考原型現(xiàn)場測試受煤坑地平面以上粉塵濃度在800～1500mg/m3，實驗室選用現(xiàn)場原煤(褐煤)粒度區(qū)間0～5mm、5～20mm、20～30mm進行了不同配比試驗。通過實驗測試，達到上述濃度煤粒度需依次占比在10%～20%、40%～50%、50%～30%設置。本實驗物料粒徑按最大配比20%、50%、30%混勻。

根據(jù)相似比例小車載重量需為40/53=0.32t/次，小車卸料時長控制在6s內。

4.3 監(jiān)測點布置

在抑塵罩中心(C0)、單卸料口的上回風口(C11)和下溢流口(C12)處架設粉塵濃度儀對其進行粉塵濃度值監(jiān)測(如圖4)。雙卸料口的監(jiān)測點增設待卸料口的上回風口和下溢流口處監(jiān)測。

圖4 單卸料口監(jiān)測點布置圖

4.4 物理實驗

實驗過程中保證執(zhí)行標準的統(tǒng)一。先后進行七組實驗，平均每組5次。

第一組無風機狀態(tài)下含塵氣流運動軌跡，如圖5所示，驗證了微動力誘導循環(huán)機理抑塵的可行性，罩內出現(xiàn)了明顯的含塵氣體的渦旋運動。

圖5 無風機條件下含塵氣體運動軌跡

第二組無風機抑塵單元抑塵效果實驗表明，卸料過程產生的粉塵大部分被控制在抑塵罩內。抑塵單元(纖維材質)有效抑制了粉塵逸散(見表1)，但仍有較高濃度粉塵通過小車底部外逸，且該現(xiàn)象集中發(fā)生在卸料中期。分析其原因是卸料中期罩內大量物料及被物料裹挾的氣體在短時間內急劇增加，罩內無法瞬間消化過剩能量，就近噴出。

表1 第二組實驗粉塵濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)

第三組誘導風機誘導實驗，采用增強氣體流動壓力勢能方式解決前組實驗車體底部噴塵問題。增強動力和加強封閉(上排氣口)使含塵氣體被引導向上運動并通過抑塵單元。卸料中期，小車底部外逸粉塵出現(xiàn)后及時被重新吸回罩內，抑塵效果理想。

第四組單卸料口誘導風機參數(shù)選擇實驗表明，保證單口卸料抑塵罩達到有效控塵效果的風機最低風量747m3/h，全壓105Pa，功率45W。

第五組首層抑塵網方向布置探究實驗，通過卸料口處粉塵濃度監(jiān)測結果表明，抑塵網橫向布置對粉塵的控制效果優(yōu)于豎向布置。

第六組雙卸料口抑塵罩控塵效果探究實驗結果表明，雙口接續(xù)卸料過程中，單獨開啟卸料側風機，不足以抑制粉塵向對側外溢，需待卸料側風機的同步低頻作業(yè)共同保證抑塵效果。

第七組雙卸料口待卸料側誘導風機參數(shù)選擇實驗表明，保證雙口卸料抑塵效果的待卸料側風機最低風量459m3/h，全壓75Pa，功率30W。

實驗過程中對雙口卸料時風機功率的確定進行了全面深入的研究。綜合第6、7組實驗監(jiān)測結果及其他監(jiān)測值進行整理并轉化，得到雙口卸料時兩個卸料口處不同風機作業(yè)方式對應的出口濃度結果，如圖6所示。

圖6 兩卸料口處濃度變化圖

經過模型實驗驗證了微動力誘導循環(huán)理論在抑塵罩內的實際可行性，且論證了一級破碎站微動力誘導抑塵罩產品模型設計(上大下小結構、抑塵單元材料、密封擋簾、誘導風機等)在物理模擬卸料過程中有很好的抑塵效果。

5 工業(yè)性試驗

5.1 工程概況

為驗證抑塵罩裝置的實際應用效果，在原型哈密南湖露天礦的破碎站為試點，進行微動力抑塵罩的現(xiàn)場實踐研究。破碎輸送系統(tǒng)設有2個卡車卸料臺，卸車頻率約為3min/次，卸料時間20～30s/次，卸料量40t/車。

裝置占地面積約60m2，檐口高11m，屋脊高12.5m，鋼框架結構，鋼柱與豎直水準成7°夾角，屋頂單向起拱，整個建筑呈現(xiàn)上大下小的形式，外維護采用白色膜結構，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場安裝圖

根據(jù)式(1)—式(3)及模型參數(shù)：G1=40t/次；G0=0.32t/次；Q0=747m3/h；T0=6s；T1=20～30s；Q1=18675～28013m3/h。

進料口上方設置三臺誘導風機均勻布置。考慮10%的富余系數(shù)，每臺風機風量6848～10271m3/h；根據(jù)相同原則，待卸料側每臺風機風量需4208～6311m3/h。共選用6臺防爆防塵雙速正反轉軸流風機(8/6.5kW，6950/10500m3/h，312/710Pa)。抑塵單元選用與物理實驗相同材質。

5.2 運行測試

卡車卸料時在抑塵罩周圍1m、5m、10m處進行粉塵濃度監(jiān)測，如圖8所示，共設12個點，受儀器數(shù)量每次同步測試4個點，共9組實驗，每組重復3次，取卸料全過程粉塵濃度儲存數(shù)據(jù)平均值。

圖8 現(xiàn)場測試點布置(mm)

卸料1#口進行工作(1#風機高速運轉)，2#口等待卸料狀態(tài)(2#風機低速運轉)，對12個點的粉塵濃度進行測試，數(shù)據(jù)分布如圖9所示。工業(yè)性試驗結果表明，各點的粉塵濃度分布成拋物線狀，最大值出現(xiàn)在卸料中期，車斗角度增大，大量物料下落粉塵濃度增加。同時，離卸料口越遠，拋物線粉塵濃度最大值越低。

圖9 測試點粉塵濃度分布圖

抑塵罩周圍(10m)由受料斗區(qū)域外溢的粉塵濃度滿足《煤炭工業(yè)污染物排放標準》不高于80mg/m3的要求，抑塵效果不受季節(jié)影響。

6 結 論

1)基于微動力誘導抑塵機理，設計了一種露天礦一級破碎站受料斗微動力誘導抑塵罩，具有對煤質無影響、降塵效果佳且不受季節(jié)影響、運行成本低的優(yōu)點。

2)抑塵罩結構設計滿足主體結構隨破碎站移設靈活拆卸、移動的需求。圍護結構采用膜結構，滿足阻燃、采光、密封性好、不粘塵、耐腐蝕的技術需求。

3)經物理實驗及現(xiàn)場工程實踐驗證，抑塵罩裝置可及時高效控制粉塵源。

4)微動力誘導抑塵罩的應用可有效緩解粉塵對人員、設備及生產環(huán)境的影響，改善工人健康狀況。