泡沫除尘技术研究现状及发展趋势

(1.苏州科技大学 江苏 苏州 215009；2.华北科技学院 北京 101601)

引言

随着煤矿机械的智能化迅速发展，采煤效率越来越高，但是伴随的问题是采掘工作面的粉尘浓度愈来愈大。高浓度的粉尘不仅制约着安全生产，同时影响着煤矿工人的身心健康。据不完全统计，在我国煤炭行业中，患尘肺病的矿工人数已经超过60万人，且每年都以1.2万例的速度增长[1]。因此为了有效的治理粉尘，保证矿井安全生产意义十分重大。

目前，国内外煤矿主要采用的除尘技术有：煤层注水、泡沫除尘、通风除尘、化学抑制、喷雾除尘等。其中泡沫除尘是近几些年来的一种新兴除尘方式，它具有用水量少，除尘效果好等特点，对于呼吸性粉尘具有更强的除尘效果[2]。

一、泡沫除尘的发展历史

20世纪50年代，英国开辟了泡沫除尘的先河[3]，随后前苏联、西德、美国等国也开始了这方面的研究工作，并取得一定成果。70年代中期，表面活性剂开始兴起，泡沫除尘技术在当时生产应用中开始慢慢推广，并根据当时情况所需，研制出符合安全及卫生条件的发泡剂，并生产出适合不同尘源相对应的配套产品。

1985年，卡拉干达煤田的工程师小组[4]通过实验选出发泡性能较好的发泡剂，研发了空气一机械式泡沫发泡器，通过试验测定的数据可以表明：凿岩机司机位粉尘含尘量可从320mg/m3降到20mg/m3,距转载点10m处，粉尘浓度从743mg/m3降到19mg/m3。泡沫除尘降尘效果比较明显，降尘效率跟其他形式除尘效率相比能提高3～5倍。但该时期的泡沫除尘技术主要都是集中在泡沫产量上，即由发泡系统产生大量泡沫覆盖开采区从而达到降尘的目的。

1971年美国Deter公司[5]通过大量试验研究发现，泡沫除尘的效率受泡沫粒径的影响很大，体积小的泡沫相对来说稳定性更好，捕捉粉尘的效率更高，泡沫破碎之后形成的分散颗粒更均匀，能很好的润湿粉尘颗粒，从而使之沉降。

与发达国家相比，我国泡沫除尘技术起步较晚。1986年，湖北省劳保所周长根[6]开始研究泡沫凿岩除尘技术，研制了凿岩泡沫除尘器，并在现场试验，取得了良好的效果。但发泡设备不能实现连续添加发泡液，只能适用于岩壁钻孔等空间较大的工作地点，不能适用于空间狭小的工作面。自1995年以来北京科技大学蒋仲安教授也对泡沫除尘做了相关研究，探究了网式泡沫的工作参数，并且提高了发泡器的发泡倍数，但同时在没有在矿上做实验和应用[7]。

二、泡沫除尘技术研究现状

(一)泡沫除尘理论研究现状

1984年底，煤科院上海研究所的陈先生[8]对泡沫除尘的机理进行了研究，通过实验验证了粉尘能够被泡沫沉降，但由于实验条件的限制，没能够在煤矿上进行相关试验。1995年蒋仲安教授[9]首先提出泡沫除尘机理，分析了泡沫的产生以及泡沫除尘机理，可概括为：拦截、粘附、湿润、沉降等。2008年中国矿业大学黄本斌[10]又将泡沫除尘机理归纳为：①截留：通过研究泡沫运动的极限轨迹，建立球坐标的流函数，得出气流的速度表达式，根据Ranz给出的对势流下绕球体的截留效率公式，验证了流动气体在泡沫附近流动时，气流一定是从泡沫上表面绕转。②惯性碰撞：建立粉尘的粒子运动方程，然后求到极限轨迹，再根据偏轴距b，得到绕球体的惯性碰撞效率。但是由于实际问题，得到惯性碰撞效率的解析式比较困难，所以一般都是给出经验公式。③扩散粘附：微细粉尘的扩散遵循贝克莱特数Re函数。泡沫的扩散强度与很多因素有关，比如粉尘粒径、流速、温度等，当粉尘粒径减小、流动速度变慢且温度增加时，尘粒的热运动也随之加速，碰撞概率就变大。④重力沉降：当粉尘经过碰撞、截留和扩散机理后，最后到达泡沫表面，北泡沫表面所粘附，但由于重力原因，一部分泡沫直接落地，另一部分由于泡沫表面液膜变薄，最终会将粉尘包裹住落地。

(二)发泡剂及发泡装置研究现状

2011年姚倩[11]提出超微磁化泡沫的全新理念，通过实验研究表明：超微磁化泡沫粒径越小，呼吸性粉尘的降尘效率越高。将超微磁化运用于泡沫除尘，对日后深入研究泡沫除尘系统奠定了基础。2011年陆新晓、王德明教授[12]等人通过研究气体流量、管路长度等因素对发泡倍数的影响，得出气体流量与发泡倍数呈抛物线关系，最佳气体流量应控制在60-80m3/h，同时，管路长度对发泡倍数的影响也较为显著，两者在一定程度上呈线性关系。2013年刘杰[13]等人将泡沫除尘设备运用在煤巷掘进中，通过对现场呼吸性粉尘的检测，证明了泡沫除尘的效率高，耗水量小。姜佳兴[14]将VOF模型运用在泡沫流场中，对其进行数值模拟，用正交分析法对结果进行定量分析，支出影响圆弧面泡沫流场的基本结构参数，并提出3种新型弧面泡沫的设计方案。2015年陈举师、蒋仲安[15]等人通过Waring Blender搅拌法对泡沫除尘的溶液进行发泡性能研究，对湿润的性能进行比较，选出了润湿性和发泡性较好的发泡剂配合比。后来又用Ross-Miles法对其进行优化，在发泡性能上更能代替之前的配方。2016年王太续、兰树员[16]等人将常规喷雾降尘机理与泡沫除尘机理相对比，分析了泡沫除尘的5大优点，同时对发泡器的选型及喷射装置等进行了改造，大大提高了泡沫除尘的除尘效率。王群星[17]应用Warning Blender搅拌法和毛细管正向渗透法对发泡剂进行最优配合比研究，同时也对泡沫发泡器进行了改良。2016年沈威[18]通过有限空闲射流理论以及CFD数值模拟，构造单嘴射流装置的本构方程，依据实验结果，设计出射流汽化吸液装置，解决了无法实现发泡剂精准化添加的问题。

三、泡沫除尘技术发展趋势

泡沫除尘在我国起步较晚，但是通过最近几年的大力研究，已经有了很大的发展，但是跟美国、澳大利亚等发达国家相比，在技术和管理上还有很大空间待提升。

(1)将现代计算机软件技术运用在泡沫除尘技术上，提高除尘设备的自动化水平，探究除尘设备的自动化性能。

(2)泡沫除尘技术继承了化学试剂除尘和水雾除尘技术的优点并发展了更加有效的除尘技术，泡沫除尘技术的强润湿性、强粘附性、高覆盖性等特点有利于矿井作业中更大面积的除尘。

四、结论

通过介绍泡沫除尘的发展进程，从防尘机理、发泡装置两个方面介绍泡沫除尘的研究，阐述了目前泡沫除尘工艺以及我国近些年在发泡装备上所取得的一些成就，预测了泡沫除尘的发展趋势。煤矿井下粉尘治理无时不在，是一个漫长而又艰苦的过程，粉尘的多少不仅影响煤矿企业经济效益，也关系到煤矿工人的身心健康，有必要在现有设备的基础上进一步加大对泡沫除尘的研究，完善防尘技术措施，加强粉尘防治力度，提供一个更加舒适的井下环境。