某地下礦山除霧降塵技術(shù)研究與應(yīng)用

任甲澤 焦 鵬 賈敏濤

（1.中鋼集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司；4.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)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(fēng)井排出地表后，遇冷產(chǎn)生冷凝吐水現(xiàn)象，在井口形成白色霧柱。同時(shí)，金屬礦山均采用爆破落礦，爆破產(chǎn)生大量有毒有害氣體，加之落礦與礦石轉(zhuǎn)運(yùn)過程中產(chǎn)生大量粉塵，隨空氣一同排出地表，對(duì)地表環(huán)境產(chǎn)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(huì)形象。為此，以某地處4A 級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)的礦山為背景，開展回風(fēng)井除霧降塵技術(shù)研究。

1 地下礦山回風(fēng)井污染特征及治理現(xiàn)狀

地下礦山回風(fēng)井外排污染主要分為2 類。其一是化學(xué)污染，來自礦山回風(fēng)井排出的井下放炮產(chǎn)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(chǎn)生的冷凝白霧，產(chǎn)生視覺污染。地下礦山回風(fēng)井風(fēng)量大，流量少則18 萬m3/h，多則200 萬m3/h以上。雖然回風(fēng)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(fēng)井污染因子檢測

為掌握地下礦山回風(fēng)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(fēng)井污染因子進(jìn)行24 h 連續(xù)采樣。該礦山采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)，2條并聯(lián)回風(fēng)井回風(fēng)，在其中1條專用回風(fēng)井進(jìn)行采樣，具體采樣條件見表1，空氣質(zhì)量采樣現(xiàn)場見圖1。

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1.2 回風(fēng)井污染因子分布規(guī)律分析

通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行集中大爆破，當(dāng)井下爆破后0.5 h，除粉塵外各有害物質(zhì)濃度明顯增加，并在爆破后1 h 達(dá)到排放濃度最高值；粉塵濃度在井下爆破后濃度略有波動(dòng)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(chǎn)生和外排；從檢測數(shù)據(jù)看出，回風(fēng)井外排污風(fēng)有害氣體濃度低，但回風(fēng)井風(fēng)量大，且在生產(chǎn)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(yán)重。

1.3 治理現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)針對(duì)地下礦山回風(fēng)井污染物治理的研究鮮有公開報(bào)道。王鵬等［1］提出了采用慣性力與風(fēng)流冷卻聯(lián)合除霧技術(shù)。賈敏濤等［2］利用電除塵原理，在回風(fēng)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(jìn)行回風(fēng)井除霧降塵。趙杰等［3］開展了濕式共振柵除塵進(jìn)行回風(fēng)井降塵效率研究。通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對(duì)回風(fēng)井外排污染物的治理主要集中在降塵方面，其他化學(xué)污染因子研究未見報(bào)道。

2 除霧除濕方法及試驗(yàn)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(diǎn)除濕，將濕空氣與低于其濕空氣露點(diǎn)的液體或固體壁面接觸，使?jié)窨諝庵械乃淠?。該法?yīng)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(zhì)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(dòng)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(diào)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(dá)到空氣除濕的目的［4-5］。該法裝置簡單實(shí)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(nèi)有足夠的停留時(shí)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(shè)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(cè)水蒸汽的壓力差，使水蒸汽分子透過有機(jī)膜，從而達(dá)到除濕的目的［6］。

（5）靜電除濕。靜電除濕是當(dāng)氣流從2個(gè)電極間通過時(shí)，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(jié)、滴落。靜電除濕的顯著優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行費(fèi)用高。

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

2.2 礦井回風(fēng)除霧除濕方法

針對(duì)地下礦山回風(fēng)井風(fēng)量大、空氣潮濕飽和的空氣熱力學(xué)特征，同時(shí)兼顧匯集井口回風(fēng)的裝置與所選用的除霧除濕設(shè)備增加的阻力不能對(duì)原有通風(fēng)系統(tǒng)造成較大影響，適合選用冷卻除濕、慣性力除濕技術(shù)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(shù)的主要除霧除濕設(shè)備有絲網(wǎng)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(shè)備是靜電除霧設(shè)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(shù)的不足。適合于礦山回風(fēng)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(yàn)研究

針對(duì)地下礦山回風(fēng)井污風(fēng)特征，結(jié)合礦山實(shí)際條件，該地下礦山回風(fēng)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(yàn)室內(nèi)，針對(duì)金屬絲網(wǎng)除霧方案、折流波紋板除霧方案和二者聯(lián)合方案進(jìn)行試驗(yàn)室除霧效果試驗(yàn)，采用超聲霧化發(fā)生器模擬回風(fēng)井外排污風(fēng)霧氣，觀察不同風(fēng)速條件下各方案的除霧效果。試驗(yàn)條件參數(shù)見表3，除霧現(xiàn)場試驗(yàn)照片見圖3。

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經(jīng)現(xiàn)場觀察，15，20 cm 厚的絲網(wǎng)除霧器和折流板除霧器均能達(dá)到較好的除霧效果，絲網(wǎng)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(wǎng)除霧器；絲網(wǎng)除霧器厚度越厚，除霧效果越好?？紤]到風(fēng)阻，最終選擇15 cm 厚的絲網(wǎng)除霧器和折流板除霧器作為除霧設(shè)備。

3 除霧方案工藝設(shè)計(jì)

3.1 除霧工藝流程

風(fēng)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(fēng)經(jīng)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(jīng)加壓泵加壓，產(chǎn)生霧化效果和減少噴淋水量，被噴淋冷卻得到一次降溫風(fēng)流。

（2）一次降溫風(fēng)流垂直向上及向四周擴(kuò)散，大部分風(fēng)流向四周擴(kuò)散與安裝在側(cè)面一定高度的波形除霧板進(jìn)行慣性碰撞、重力沉降除霧，少部分風(fēng)流垂直向上運(yùn)動(dòng)遇到頂部密封屋架即頂部密封鋼板而被折回，同時(shí)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(jí)除霧風(fēng)流。

（3）一級(jí)除霧風(fēng)流出除霧板的運(yùn)動(dòng)過程中，遇到外圍護(hù)空間的外防護(hù)鋼板與外界大氣發(fā)生傳熱冷卻，同時(shí)遇到內(nèi)、外圍護(hù)鋼板圍護(hù)空間頂部的噴淋裝置，被噴淋冷卻得到二次降溫風(fēng)流。

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

（5）風(fēng)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(fēng)井筒，不對(duì)回風(fēng)井口地面產(chǎn)生影響。

3.2 除霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑組成，整體構(gòu)成下部方形柱體+上部坡型屋頂?shù)目蚣苁浇Y(jié)構(gòu)，除霧后風(fēng)流最終從方形柱體頂部四周均勻排出（圖5）。

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

最大風(fēng)阻109 Pa，設(shè)施運(yùn)行時(shí)，回風(fēng)道風(fēng)量減少2 m3/s，總風(fēng)量降低3.2%，該設(shè)施對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)影響較小。

4 結(jié)論

（1）某地下礦山回風(fēng)井外排污風(fēng)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(nèi)達(dá)到峰值。

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

（3）工程實(shí)踐表明，組合除霧系統(tǒng)阻力小于200 Pa，示范工程通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量降低3.2%，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)影響小。