玲珑金矿尾矿库抑尘剂实验研究及应用

王寿东WANG Shou-dong

（山东黄金矿业（玲珑）有限公司，烟台 265400）

0 引言

随着矿山开采的不断深入，金属矿尾矿库粉尘污染情况日趋严重，粉尘污染不仅影响矿区周边环境空气质量、降低人员作业效率，并且会危害人体健康[1-3]。

人类认识喷雾除尘技术是从雨滴洗涤大气中的尘埃开始的，以后逐渐推广应用到控制污染物和粉尘。20 世纪20 年代，英国、美国等开始采用喷雾降尘技术，并与50 年代后逐步出现离心式雾化、旋流式雾化、撞击式雾化等方式，但是降尘效率较低，平均仅为30%。20 世纪40 年代中期，Penney 研制出了世界上第一台荷电水雾除尘器。随后，美国、日本、法国、英国、加拿大及前苏联等国家对此项技术均做过广泛而深入的研究[4]。但是对喷雾除尘技术的应用研究始于1976 年美国学者布朗和斯考温格德提出的微细水雾捕尘理论。该理论认为在微细水雾中，不仅存在着各种动力学现象，而且还有蒸发、凝结以及水蒸气浓度差异造成的扩散现象等，这都对微细粉尘的捕集起重要作用。美国、俄罗斯、以色列等国家都对微细水雾捕尘技术进行了多方面研究，并取得了一定的成果，但当时的研究工作还不够细致，没有上升到理论层次，仅限于实验和数值模拟。

目前国内外针对金属矿尾矿库抑尘研究已开展大量工作，但受工艺复杂、适用条件单一、腐蚀污染等问题限制，未得到可广泛用于尾矿库抑尘的技术措施[5-7]，目前针对尾矿库的抑尘研究工作迫在眉睫。

1 工程背景

玲珑尾矿库堆积坝标高355m，总坝高150m，尾砂以泥浆和细尾砂方式堆存，库内有沉积干滩，滩面由干燥尾砂形成。上下两级库区滩面面积约为25 万平方米，上级库区气候较为恶劣，风吹日晒导致水分挥发很快，往年尾矿库在可放矿的生产条件下，滩面防扬尘措施一般采用多点均匀放矿的方式保持滩面润湿，保证滩面不扬尘。

而随着环保压力的不断增大，尾矿库扬尘治理迫在眉睫。玲珑金矿先后在滩面上采用敷设防尘网、喷雾降尘等措施进行尾矿库扬尘治理，虽耗费巨大精力及成本，取得部分成效，但仍未达到环保要求。

玲珑金矿通过多次试验研究，确定液体抑尘剂对防尘能够起到良好的效果，且投入较少，符合当前企业的生产实际及环保要求，于2020 年3 月于玲珑尾矿库进行应用，截至目前，达到预期应用高效果。

2 液体降尘机理

液体降尘机理大致同单一液滴的捕集机理类似，水幕降尘是湿式除尘技术的一种，长期以来，经过对液滴喷射雾化与尘粒的运动规律的研究，总结出主要的除尘机理。概括性的降尘机理包括两个方面：①尘粒与水直接接触被捕获；②尘粒在水的作用下凝集性增加。这两种作用使得粉尘从含尘气流中分离出来。水幕系统具体的降尘机理见图1，图中流线是欧拉法用来描述流动的一种方法，认为流体是某一相同时刻在流场中画出的一条空间曲线，给出了该时间不同流体质点的速度方向，是速度场的几何表示。

针对图1 所示的四种捕尘机理，具体的解释说明如下。

图1 雾滴捕集尘粒的典型机理示意图

①惯性碰撞。

尘粒在无外部因素的干扰下是有迹可循的，当突遇障碍物时会在其周围出现气体流线。但是当较大的尘粒在遇到液滴时，因其质量较大、颗粒较粗，相应具有较大的惯性作用力，从而无法沿着流线的轨迹运动，仍保持其原来的运动方向运动，靠惯性作用与水滴发生碰撞并粘附于水滴表面，凝聚成大颗粒，最终被液滴捕获，进而获得更大的重量实现加速沉降，1μm 以上的尘粒主要是靠惯性碰撞捕获。影响惯性碰撞的因素有：气体速度在液滴周围的分布、尘粒的运动轨迹、尘粒对液滴的附着。

②重力沉降。

当尘粒具有一定的大小和密度时，尘粒会在重力作用下沉降到液滴上，这时固态尘粒与液滴的惰性凝结过程使得尘粒被湿润，自重增加而沉降。在重力作用下粉尘能够实现沉降取决于尘粒的大小、密度和流速，尘粒只有在颗粒比较大、密度大且流速小时，重力沉降的捕集效率才明显。重力沉降在捕集细小粉尘时发挥的作用并不大。

③布朗扩散。

悬浮在液体或气体中的微粒一直在作无规则、无秩序的运动。当微细尘粒受到气流的夹带作用围绕液滴运动时，因为一直存在的布朗扩散，尘粒的运动轨迹与气流流线不一致而沉积在液滴上。尘粒越小，尤其是粒径小于0.5μm 的粉尘，布朗扩散越强烈。

④拦截捕尘。

当风流携带尘粒沿气体流线随着气流直接向液滴运动的过程中，流线不能突然发生折转，尘粒会在离液滴距离不远处开始绕流水雾运动。风流中质量较大、颗粒较粗的尘粒因惯性的作用会脱离流线而保持向液滴运动。在不考虑尘粒的质量情况下，尘粒会和风流同步，因尘粒是立体具有体积，粉尘粒质心所在流线与液滴的距离小于尘粒半径时，即气流流线离液滴表面的距离在dp/2 粒径范围以内时，尘粒便会与水滴接触被拦截下来，使尘粒附着在液滴上。对截留捕尘起作用的是尘粒大小，而不是尘粒的惯性，并且与气流速度无关。

除了上述和流线有关的降尘机理以外，水幕降尘系统采用的高压喷嘴使得喷出的水雾由于水雾电荷效应部分雾粒带电，再结合尘粒的荷电性质，矿井中的粉尘在产生和运动的过程中，由于摩擦、碰撞、接触带电等一系列原因，粉尘与雾粒均带有电荷，当双方所带电荷相反时，会相互吸引产生凝结现象，从而达到加速沉降的目的。这种降尘机理称之为静电凝结或非惰性凝结，捕尘的效率与所带电荷量、以及雾粒与粉尘粒度及两者之间的距离有关。

3 实验研究

3.1 液体抑制剂实验

试验现场，液体抑尘剂采用1:100 和1:70 的配比，划区域分别试验。详见表1。

表1 液体抑尘剂配比数据

稀释液配制：按照1:100 的配比选取原液0.2kg，先在脸盆里放入3kg 左右清水，然后倒入0.2kg 原液，搅拌均匀后倒入容量20kg 的喷雾器中，再注入清水搅拌匀，形成1:100的稀释液，共计试验面积约80m2；1:70 的稀释液共计试验面积约50m2。喷洒比例均按照1.5-2kg/m2执行。

检验效果：第二天分别对配比1∶100 和1∶70 液体抑制剂进行检验，两者试验区域表面均结壳约2-5mm，配比1∶100 和1∶70 没有明显的区别，都可起到抑制扬尘的作用。建议按照1∶100 的配比，喷洒面积2kg/m2对尾矿库进行喷洒抑尘。试验效果图2、图3 所示。

图2 液体抑尘剂喷洒后效果

图3 液体抑尘剂喷洒后效果

3.2 固体1612 粉尘抑制剂

试验现场，固体抑尘剂采用1∶100 和1∶130 的配比，划区域分别试验。但在搅拌稀释过程中结块现象严重，操作较为复杂，因此放弃固体抑尘剂试验。

4 抑尘剂应用分析

4.1 应用过程

应用洒水车、蛇皮软管等设备，技术要点如下：

①洒水车高压水枪与蛇皮软管应能够连接严密，无滴漏；

②利用洒水车高压水枪饱和喷洒于尾矿库干滩表层；

③按照2kg/m2在尾矿库喷洒液体抑尘剂稀释液后，表层结膜厚度约为5mm 左右。如需结膜厚度增加，可调整稀释液配比和喷洒量；

④产品原液粘稠、易滑，兑水作业时要注意安全。

尾矿库抑尘剂施工及喷洒后效果如图4、图5 所示。

图4 尾矿库抑尘剂施工现场

图5 尾矿库抑尘剂喷洒后

4.2 液体抑尘剂的喷洒效果分析

通过在尾矿库喷洒液体抑尘剂稀释液后，降尘率达80%以上，与清水喷雾相比，降尘率平均提高20%以上。

①液体抑尘剂与固体抑尘剂效果分析：液体抑尘剂配制方法简单，溶解速度快，容易操作；固体抑尘剂配制方法较复杂，搅拌时易结块影响喷洒及防尘效果。

②液体抑尘剂与防尘网效果对比分析：液体抑尘剂会在松动的砂层表面形成软膜，有效抑制大风天气尾矿库扬砂；防尘网滤网的孔径较大，大风天气时细颗粒尾砂容易从滤网飞出，甚至把防尘网吹卷，经不起风吹日晒。

③有效期方面分析：液体抑尘剂透水性能好、抗紫外线能力较强，形成软膜后，有效期2-6 个月；固体抑尘剂透水性能一般，抗紫外线能力一般，形成软膜后，有效期为1-3 个月之间；防尘网透水性能好，抗紫外线能力一般，夏季铺设后，有效寿命一般在3 个月左右，需不断更新防尘网方能达到防尘效果，劳动量极大。

④美观化方面分析：喷洒液体抑尘剂时，可同时考虑加入色素，来分辨喷洒区域，一方面能够提醒和防止人为破坏，同时也能起到较好的视觉美观作用。

4.3 成本分析

根据前期玲珑尾矿库对各种方法的实践，以此为依据进行成本分析。

4.3.1 防尘网敷设

①材料成本：玲珑尾矿库共敷设防尘网9 万平方米，共计使用防尘网22t，单价为11.87 元/公斤，共计花费261140 元，使用寿命为3 个月，材料成本为261140/90000/3=0.97 元/平方米/月。

②人工成本：敷设防尘网9 万平方米，共计300 人次，平均300 平方米/人次.天，按照人工单位成本300 元/天计算，人工成本为300*300/90000/3=0.33 元/平米/月。

综上所述，防尘网敷设单位成本为0.97+0.33=1.3 元/平米/月。

4.3.2 液体抑尘剂

①材料成本：玲珑尾矿库共计喷洒抑尘剂9 万平方米，共计花费120000 元，使用寿命按照3 个月计算，材料成本为120000/90000/3=0.45 元/平方米/月。

②人工成本：液体抑尘剂喷洒9 万平方米，共计使用人工30 人次，平均3000 平方米/人次.天，按照人工单位成本300 元/天计算，人工成本为300*30/90000/3=0.03 元/平方米/月。

经济效益：按照玲珑尾矿库上下两级库区干滩25 万平方米计算，敷设防尘网成本为250000*1.3=325000 元/月，液体抑尘剂成本为2500000*0.48=120000 元/月，使用抑尘剂较防尘网年节省成本费用（325000-120000）*12=2460000 元。

5 总结

尾矿库粉尘污染已经发展成为必须解决的环保问题，该液体抑尘剂经过实践检验，除尘效果良好，且成本低廉，一般矿山企业都可接受，因此，该抑尘剂可推广应用到类似金属矿山的尾矿库粉尘治理工作中。