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理論的基礎上,介紹-920m破碎站的高壓降塵方案,通過降塵結果分析相關高壓噴霧效率影響因素,為其他礦山的降塵方案提供參考。
粉塵問題一直是一個難題,目前除塵技術主要有機械式除塵、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,廣泛應用于礦山、冶金、發(fā)電等行業(yè)。高壓噴霧降塵技術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。
冬瓜山礦-920m破碎站承擔主礦井礦石的破碎任務,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,結合高壓噴霧除塵的應用特點,此處較適用高壓噴霧技術進行粉塵污染治理。
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分鐘再關閉電源,結束噴霧,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
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[4]。
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,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。
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)部幾何結構及動力性能參數(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。因此在實際應用中,一般都是采用螺旋導水芯結構的噴嘴。
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。
3.3.1 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)的設置合理確定噴霧流量。
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,在除塵結束適當延時才停止噴霧。
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。
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影響降塵因素的基礎上,以產(chǎn)塵量特別大且工況復雜的-920m破碎站為例,說明高壓噴霧技術在冬瓜山礦的應用,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。