任甲澤 焦 鵬 賈敏濤

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司；4.中南大學資源與安全工程學院）

地下礦山井下空氣濕度大，大水礦山空氣含濕量接近飽和，且井下空氣常年處于穩(wěn)定高位，冬天地表溫度較低，高溫飽和水蒸氣隨回風井排出地表后，遇冷產生冷凝吐水現(xiàn)象，在井口形成白色霧柱。同時，金屬礦山均采用爆破落礦，爆破產生大量有毒有害氣體，加之落礦與礦石轉運過程中產生大量粉塵，隨空氣一同排出地表，對地表環(huán)境產生較大污染，既破壞了生態(tài)環(huán)境，又影響了企業(yè)的社會形象。為此，以某地處4A 級風景名勝區(qū)的礦山為背景，開展回風井除霧降塵技術研究。

1 地下礦山回風井污染特征及治理現(xiàn)狀

地下礦山回風井外排污染主要分為2 類。其一是化學污染，來自礦山回風井排出的井下放炮產生的有毒有害氣體及粉塵，主要有一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等；其二是物理污染，主要是井下高溫飽和氣體排出地表后遇冷產生的冷凝白霧，產生視覺污染。地下礦山回風井風量大，流量少則18 萬m3/h，多則200 萬m3/h以上。雖然回風井外排體量大，但其中有毒有害氣體濃度低，處理效率低、難度大。

1.1 回風井污染因子檢測

為掌握地下礦山回風井外排污染物種類的濃度分布特征，選取某大型地下鐵礦山回風井污染因子進行24 h 連續(xù)采樣。該礦山采用多級機站通風系統(tǒng)，2條并聯(lián)回風井回風，在其中1條專用回風井進行采樣，具體采樣條件見表1，空氣質量采樣現(xiàn)場見圖1。

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1.2 回風井污染因子分布規(guī)律分析

通過對采樣數據進行試驗室分析，得出其主要污染物濃度分布，見圖2。

由圖2 可見，該礦山下午15：00 進行集中大爆破，當井下爆破后0.5 h，除粉塵外各有害物質濃度明顯增加，并在爆破后1 h 達到排放濃度最高值；粉塵濃度在井下爆破后濃度略有波動增長，說明礦山井下爆破灑水抑塵等措施有效地抑制了粉塵的產生和外排；從檢測數據看出，回風井外排污風有害氣體濃度低，但回風井風量大，且在生產階段屬于連續(xù)排放，排放總量比較高，且冬天形成的“濃霧煙囪”視覺污染嚴重。

1.3 治理現(xiàn)狀

目前，國內針對地下礦山回風井污染物治理的研究鮮有公開報道。王鵬等［1］提出了采用慣性力與風流冷卻聯(lián)合除霧技術。賈敏濤等［2］利用電除塵原理，在回風井井筒布置陰極電暈線和陽極粉塵水霧捕集極板等方式進行回風井除霧降塵。趙杰等［3］開展了濕式共振柵除塵進行回風井降塵效率研究。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對回風井外排污染物的治理主要集中在降塵方面，其他化學污染因子研究未見報道。

2 除霧除濕方法及試驗分析

2.1 通用除霧除濕方法

（1）冷卻除濕。冷卻除濕也稱露點除濕，將濕空氣與低于其濕空氣露點的液體或固體壁面接觸，使?jié)窨諝庵械乃淠?。該法應用廣泛，是最早的一種除濕方法，適用于高溫、高濕（飽和）空氣除濕。冷卻除濕介質一般采用低溫液體或固體壁面。

（2）慣性力除濕。慣性力除濕是利用氣流所夾帶的液滴擁有足夠動量，足以使其脫離氣體流線，撞擊到擋板表面而被捕捉。除濕裝備可以調節(jié)氣流組織，通過改變氣流方向，致使霧滴在慣性力作用下被擋板捕捉，達到空氣除濕的目的［4-5］。該法裝置簡單實用，適合于除濕要求不高的系統(tǒng)，除濕效率較低。

（3）重力除濕。重力除濕是通過降低氣體流速，使其在沉降室內有足夠的停留時間，靠重力作用將懸浮于氣流中的液滴沉降下來。通常該法僅用于分離直徑大的液滴，需要的設備裝置尺寸龐大，且除霧效率較低，與慣性力除濕有相似之處。

（4）膜法除濕。膜法除濕利用膜管兩側水蒸汽的壓力差，使水蒸汽分子透過有機膜，從而達到除濕的目的［6］。

（5）靜電除濕。靜電除濕是當氣流從2個電極間通過時，夾帶于其中的粒子獲得電荷、極化，并被吸引到與其極性相反的電極上，繼而在電極上凝結、滴落。靜電除濕的顯著優(yōu)點是阻力小、除霧效率高，適合于分離直徑微小的粒子，但前期投資及后期運行費用高。

（6）聯(lián)合（組合）除濕。除濕方法聯(lián)合應用有助于提高除濕效率，降低成本。

2.2 礦井回風除霧除濕方法

針對地下礦山回風井風量大、空氣潮濕飽和的空氣熱力學特征，同時兼顧匯集井口回風的裝置與所選用的除霧除濕設備增加的阻力不能對原有通風系統(tǒng)造成較大影響，適合選用冷卻除濕、慣性力除濕技術或靜電除濕。如冷卻除濕的冷源（水）可以采用礦山開采過程中的地下水資源，利用慣性力除濕技術的主要除霧除濕設備有絲網除霧器、纖維除霧器、旋流板除霧器、折流板、離心式除霧器等，利用靜電除濕的主要設備是靜電除霧設備（放電極線、極板和高壓電源）。不同的除霧器也可以組合使用，以克服單一除霧技術的不足。適合于礦山回風除霧除濕的除霧器性能見表2。

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2.3 聯(lián)合式除霧方案試驗研究

針對地下礦山回風井污風特征，結合礦山實際條件，該地下礦山回風井除霧選擇冷卻除霧+慣性力除霧2種除霧方法聯(lián)合除霧。在試驗室內，針對金屬絲網除霧方案、折流波紋板除霧方案和二者聯(lián)合方案進行試驗室除霧效果試驗，采用超聲霧化發(fā)生器模擬回風井外排污風霧氣，觀察不同風速條件下各方案的除霧效果。試驗條件參數見表3，除霧現(xiàn)場試驗照片見圖3。

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經現(xiàn)場觀察，15，20 cm 厚的絲網除霧器和折流板除霧器均能達到較好的除霧效果，絲網除霧器除霧效果優(yōu)于波紋板除霧器，組合除霧器優(yōu)于絲網除霧器；絲網除霧器厚度越厚，除霧效果越好。考慮到風阻，最終選擇15 cm 厚的絲網除霧器和折流板除霧器作為除霧設備。

3 除霧方案工藝設計

3.1 除霧工藝流程

風流冷卻+慣性力除霧的聯(lián)合除霧主要工藝流程見圖4。

（1）首先礦井回風經過安裝在井口正上方的噴淋裝置，水源采用外部自來水，自來水經加壓泵加壓，產生霧化效果和減少噴淋水量，被噴淋冷卻得到一次降溫風流。

（2）一次降溫風流垂直向上及向四周擴散，大部分風流向四周擴散與安裝在側面一定高度的波形除霧板進行慣性碰撞、重力沉降除霧，少部分風流垂直向上運動遇到頂部密封屋架即頂部密封鋼板而被折回，同時頂部密封鋼板與外部大氣發(fā)生傳熱冷卻交換，最終流向波形板除霧器，大部分水霧被去除得到一級除霧風流。

（3）一級除霧風流出除霧板的運動過程中，遇到外圍護空間的外防護鋼板與外界大氣發(fā)生傳熱冷卻，同時遇到內、外圍護鋼板圍護空間頂部的噴淋裝置，被噴淋冷卻得到二次降溫風流。

（4）二次降溫風流繼續(xù)向上部流動，遇到頂部環(huán)形圍護空間的波形除霧板，進行慣性碰撞、重力沉降除霧，得到二次除霧風流。

（5）風流最終從波形除霧板片之間均勻地、高空排放到大氣環(huán)境。

上述除霧過程中，被除霧板除掉的水滴以及噴淋水最終流向回風井筒，不對回風井口地面產生影響。

3.2 除霧系統(tǒng)結構布局

除霧裝置主要布置在井筒上方，由除霧板、鋼板（壓型鋼板）、支柱等鋼結構建筑組成，整體構成下部方形柱體+上部坡型屋頂的框架式結構，除霧后風流最終從方形柱體頂部四周均勻排出（圖5）。

沿回風井筒徑向，從內到外，從下至上整體布置防護墻、內圍護鋼板、波形除霧板（分為一級、二級）、頂部密封鋼板（屋面外板）、外圍護鋼板和噴淋裝置等。

最大風阻109 Pa，設施運行時，回風道風量減少2 m3/s，總風量降低3.2%，該設施對井下通風系統(tǒng)影響較小。

4 結論

（1）某地下礦山回風井外排污風存在流量大、濃度低、總量高的特性，污染物排放在井下大爆破后1 h內達到峰值。

（2）采用絲網+波紋組合除霧裝置，能夠有效去除回風井外排污風中的水霧，較好地消除冬天回風井冷凝水霧產生的環(huán)境污染。

（3）工程實踐表明，組合除霧系統(tǒng)阻力小于200 Pa，示范工程通風系統(tǒng)風量降低3.2%，對通風系統(tǒng)影響小。