高压喷雾降尘技术在冬瓜山铜矿的应用研究

张少伍，李从华，张良贵

（1.铜陵学院机械工程学院，安徽铜陵244000；2.安徽铜陵有色冬瓜山铜矿，安徽铜陵244000）

冬瓜山铜矿是我国大型企业铜陵有色金属（集团）公司下属采选联合骨干矿山，是我国有色金属矿山首座埋藏深度超过1000米，且处于热矿区的特大型高硫铜矿。由于生产能力大，矿石含硫量高，在开采、破碎、运输和选矿等过程中都会产生大量含硫粉尘，严重污染工作环境，危害工作人员身体健康。而矿区的产尘点有很多，主要包括打眼放炮掘进施工地、井下破碎站、各水平下矿溜井口、采场卸料口、选矿厂输送系统转载点及充填站等[1]。本文在介绍高压喷雾降尘技术理论的基础上，介绍-920m破碎站的高压降尘方案，通过降尘结果分析相关高压喷雾效率影响因素，为其他矿山的降尘方案提供参考。

1 高压喷雾降尘技术

粉尘问题一直是一个难题，目前除尘技术主要有机械式除尘、湿式除尘、静电除尘和袋式除尘，其中湿式除尘是利用气液接触洗涤原理去除气体中的粉尘，是目前最常用、最有效的一种除尘方法，广泛应用于矿山、冶金、发电等行业。高压喷雾降尘技术是一种新型的湿式除尘方法，其原理是利用高压产生大量的细小液滴颗粒喷向含尘气体，通过液粒与气体中粉尘的惯性碰撞、拦截、布朗扩散、静电吸附、重力沉降等作用，捕集粉尘以达到降尘的目的[2]。在实际应用中，上述捕尘机理并不是同时一起发生作用，按照除尘的类型不同，各种机理除尘的效果各不相同。

2 冬瓜山矿-920m破碎站降尘方案

冬瓜山矿-920m破碎站承担主矿井矿石的破碎任务，破碎能力高达1500t/h，其产尘量非常大，同时矿石在给料及装运过中也会产生大量的粉尘，因此破碎站整个空间粉尘弥漫，污染十分严重。由于此处粉尘扩散面大（近30m2），无法进行尘源密闭，且粉尘含硫量大、破碎站地处较深、通风效果不好等特点，结合高压喷雾除尘的应用特点，此处较适用高压喷雾技术进行粉尘污染治理。

高压喷雾降尘系统主要由高压泵、过滤式自动控制水箱、高压喷嘴及其管路等组成，如图1所示。其中高压泵提供8MPa～10MPa的高压喷雾水源，保证喷雾压力和流量的要求。过滤式自动控制水箱能实现水位自动控制，水位过高时自动关闭进水阀门，停止向水箱内注水；水位过低时高压泵自动断电，停止运转，保证系统正常运行。根据破碎机上部控尘面积大小和粉尘量，在破碎机上方围栏四周布置32个喷嘴，以覆盖整个产尘扩散面。需要注意的是在给料机下料前2～3分钟启动高压泵电源，开始喷雾；当破碎机和给料机停止工作后，需延时2～3分钟再关闭电源，结束喷雾，以提高粉尘捕集效率[3]。

图1 高压喷雾降尘系统布置示意图

3 高压喷雾降尘效率影响因素分析

液体雾粒粒径、性质、速度及带电性，气体中的粉尘粒度和密度等因素，都会影响除尘效果，而液体雾粒属性与喷雾装置及液体（一般为水）的性质有关[4]。

3.1 水的特性对喷雾降尘效果的影响[5]

水作为常用的喷雾降尘工作介质，经高压装置将其雾化，并与气体中的粉尘发生惯性碰撞、拦截等作用而除尘，因此水对喷雾效果有着重要的影响。

3.1.1 水的表面张力影响

表面张力是水与气体/固体交界表面因内聚力作用而产生张紧的力，由于水的表面张力和水与固体之间的附着力并不相同，捕尘效果也不同。水的表面张力越小，附着力越强，雾滴与粉尘的亲和能力就越强，捕捉粉尘的效果也就越好。所以通常采用在水中加入少量湿润剂，以达到减小表面张力，增加与粉尘的吸附作用的目的。

3.1.2 水的酸碱性影响

水的酸碱性是喷雾系统正常运行的重要保证。酸性或碱性过强都会加快腐蚀金属部件，并在表面积垢，从而降低喷雾系统的使用寿命，还会阻塞管路或喷嘴，影响喷雾效果。

3.1.3 水的电性影响

水经过高压装置时，会从喷嘴喷出水雾，由于水雾的电荷效应，使部分细小的雾粒通常带上负电荷，而空气中的尘粒在产生过程中由于碰撞、摩擦等因素，部分粉尘会带上一定的正电荷，这种荷电性能增加了雾粒和尘粒的吸附能力，提高降尘效率。实验证明雾粒带电荷的数量及雾粒荷电比例由喷雾方式决定，减小雾粒、增加喷射速度等均可使雾粒携带负电荷的能力增强，但高荷电性也易造成粉尘自燃。

3.1.4 水中杂质影响

受井下环境和条件的限制，地面水很难送到产尘点，同时为了节约水资源，因此高压喷雾用水需要回收再利用。高压水在多次使用中由于水的酸碱性及水在管路中冲击、空穴、摩擦等因素影响，易使水中杂质较多。而高压喷雾系统中如雾化喷嘴等元器件，由于其孔径微小，杂质极易造成堵塞，导致喷雾效率降低甚至失效。而这种杂质的影响目前还没有很好的解决办法。

3.2 喷嘴对喷雾性能的影响

高压喷雾装置通过喷嘴将水雾化，同时喷嘴还将高压泵提供的压力能转化为动压能，使液滴获得动能喷出。研究表明：喷嘴的内部几何结构及动力性能参数对能量转化的效率和水的雾化影响很大[4]。

3.2.1 喷嘴类型的影响

图2为常用高压水射流用喷雾喷嘴类型，其中螺旋导水芯喷嘴采用压力和离心力作用，将高压水以空心圆锥体形状喷出，有较大的扩散面积，且喷出的液滴滴径较小，粒度分布均匀，完全符合除尘要求。因此在实际应用中，一般都是采用螺旋导水芯结构的喷嘴。

图2 高压喷嘴类型

3.2.2 喷嘴参数的影响

喷嘴内孔表面粗糙度和喷嘴出口的圆柱段长度均会对喷雾性能产生影响。其中喷嘴内孔表面粗糙度的不同，不但会影响流体的动能，也会使高速流体流过时产生压力波动，从而造成空穴现象。喷嘴内表面越粗糙，水喷出时的出口边界厚度会越大，导致出口速度变小，射流密集性和切割能力变差，因此喷嘴内孔表面越光滑越好。而喷嘴出口圆柱段长度对喷雾效率影响很大，出口圆柱段的长度适当延长，雾滴出口速度会增大，但喷射密集段的长度却会减小。因此出口圆柱段长度不宜过长或过短，考虑喷嘴圆柱锥段收敛角的大小及流体流动条件，一般出口圆柱段长度取喷嘴出口直径的2.5～3倍。

3.3 喷雾系统参数对喷雾效果的影响

3.3.1 喷雾压力的影响

喷雾除尘时雾粒粒度越接近粉尘的粒度，除尘效果越好。根据空气中粉尘的大小，一般理想的雾粒直径为50～80μm。式（1）为雾粒直径、喷嘴直径及喷雾压力间的经验公式[5]，由式可知：喷雾压力越大，雾滴直径越小，此时雾粒和粉尘的接触面就会越大，降尘效果会大大提高。但过高的喷雾压力会增加系统的成本和维护难度，喷雾系统的寿命也会大大降低，因此，在保证降尘效果的前提下，适当控制喷雾压力，一般对直径为0.8mm、l.0 mm、1.2mm的喷嘴选择7.5～12.5MPa的喷雾压力。

其中，d0为雾粒直径，单位是μm；K为比例系数，经验值是34530；D为喷嘴直径，单位是mm；P为喷雾压力，单位是kg/cm2

3.3.2 喷雾流量的影响

喷雾流量的大小严重影响降尘效果。喷雾流量越大，单位时间、单位体积内的雾粒数量越多，会相应增加与粉尘接触的表面积，捕获粉尘的概率变大，降尘效果提高[4]。但喷雾流量增加会导致产尘点水分增多，带来如排水问题和安全问题等，一般根据产尘量的大小及高压喷雾系统的设置合理确定喷雾流量。

3.4 雾流特性对降尘效果的影响

雾粒大小、喷出速度及喷出位置和喷出时机对降尘效果的影响是很大的。根据喷雾降尘的机理，雾粒与尘粒的大小、相对速度等都会影响雾粒与尘粒的结合，因此雾粒速度越高、雾粒与尘粒的大小越接近，雾粒与尘粒的结合概率就越大，降尘效率也越高。同时根据就近集中除尘的原则，应在产尘点附近（尽量靠近产尘点）从上向下多方位进行喷雾，并能覆盖整个产尘面，以免粉尘逃逸[6]。另外为增加空气湿度，提高降尘效率，一般在粉尘产生前的2～3分钟开始喷雾，在除尘结束适当延时才停止喷雾。

4 结果与分析

冬瓜山矿-920m破碎站采用上述高压喷雾降尘系统，系统设计用水量为50L/min，按破碎能力1500t/h计算，每吨矿石增加水分仅为2L，对矿石的含水率影响很小。②由于高压喷雾系统产生的雾粒直径小、运动速度高，具有负压引射效应及荷电作用，对粉尘的捕集效率高，实践证明总粉尘降尘效率比常压喷雾高80%以上，呼吸性粉尘降尘效率比常压喷雾高2倍以上。③系统采用8MPa～10MPa的高压喷雾，雾粒运行速度快、射程远，且雾化扩张角度大，由于有多个喷头同时工作，能覆盖近30m2，有效控制粉尘扩散。④系统采用高压胶管进行供水，高压胶管可以弯折，且其接头均为U型快速连接卡，系统布置灵活方便。

5 结语

作为首座埋藏深度超过千米且含硫量高、生产能力大的有色金属矿山，冬瓜山矿在开采、破碎、运输和选矿等过程中都会产生大量含硫粉尘。本文在详细介绍高压喷雾技术影响降尘因素的基础上，以产尘量特别大且工况复杂的-920m破碎站为例，说明高压喷雾技术在冬瓜山矿的应用，经实践验证能有效降低产尘点的总粉尘和呼吸性粉尘，为其他矿山降尘除尘提供参考。