在線噴水控製煤礦隨機性粉塵產生的最優化分析

摘要：利用開發 設計的一套物料自由下落在線噴水自控裝置，研究了在線噴水降低媒處理過程中隨機性粉塵的產生。通過SEM-EDX觀察了實驗斯科的形貌並 03manbetx 了化學成分。采用氣水兩相的噴嘴可以在較小的加水流量下產生更多的細小水滴，具有更好的降塵效果。空氣壓力、加水位置和加水流量對隨機性粉塵的產生均有影響，通過實驗確定出最佳加水壓力、位置和流量。建立加水流量與降塵率之間的關係模型，可以定量地計算加水量，優化在線加水條件，以便減少物料性質的改變和節約降塵的加水成本。

關鍵詞：在線加水；加水流量；粉塵產生函數；降塵率：數學模型

隨機性粉塵是目前我國礦區大氣汙染的主要汙染物，尤其是 煤礦地區PM _2.5超標十分嚴重。它不僅嚴重地影響到空氣質量，而且在許多文獻中還提到粉塵細顆粒的胸部滲透，以及低速沉降和細顆粒表麵有害物質(例如重金屬和PAH _S等)的吸附等對人體健康的嚴重危害。

煤礦地區采煤工作麵和煤處理過程(如煤的膠帶輸送、堆積、裝袋和倒袋等)隨機性粉塵的產生日益引起人們的注意。減少操作過程中產生的隨機性粉塵的一個簡單有效的方法是加水降塵，即向浮遊於空氣中的粉塵噴射水霧，通過增加塵粒的質量，達到降塵的目的。這一技術的關鍵是噴嘴能形成具有良好降塵效果的霧流。有些國家研製出係列噴嘴，如美國和德國等國家在確定霧流參數方麵進行了大量研究。由於實地采樣較難，需要基礎研究確定噴嘴的布置方式及數量，噴嘴的選型和合理的噴嘴參數等最佳加水條件，從而找出物料的水分含量和PM ₁₀，PM _2.5粉塵產生量之間的關係。為了確定物料在線加水的最小加水量和最佳加水位置，實驗物料連續地自由下落到固體表麵或更多物料頂部產生隨機性粉塵，對在線加水降低隨機性粉塵產生的情況進行了研究，以確定最佳加水條件。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置及其原理

實驗裝置見圖1。物料從料鬥下落到膠帶上，再由降落管落入粉塵室內，在粉塵室內產生粉塵(一次粉塵和二次粉塵)，根據斯托克斯定律計算，粒徑小於33μm的粉塵顆粒可被風機抽走。為了降塵，在粉塵室內安裝噴嘴，通過噴嘴在線加水方式控製和降低粉塵的產生。在抽氣管上安裝采樣器，通過調節風機流量和真空泵的流量，保證采樣器入口處的氣流速度與抽氣管中的氣流速度相等，就可以比較準確地檢測到下落物料

圖1 在線加水降低隨機性粉塵產生的測試裝置



1.2 實驗物料及其物理特性

實驗物料為黃河沙(取自黃河濟南段，其真密度為2990kg/m ³，比表麵積為249.9m ²/kg)，經晾曬混勻後封存在塑料桶內，此時物料含水率為0.46％，每次實驗前從各桶內分別取物料混勻後再進行實驗。采用帶能譜的掃描電鏡觀察其形貌，結果見圖2。

圖2 黃河沙掃描電鏡結果



從圖2看出，粗細顆粒形狀多不規則。能譜 03manbetx 顯示，顆粒表麵主要含Si，Ca，Al，Mg，K，Fe等金屬元素，這些元素在粗細顆粒上的質量分數存在較大差異，且在細顆粒上還富集As，Zn，Pb等有害元素。

1.3 采樣方法

用WY-1型七級衝擊式塵粒分級儀采樣，其粒徑分布見表1。

表1 WY-1型塵粒分級儀(20℃。1.68m ³/h)對應的黃河沙粒徑分布



1.4 噴嘴

圖3為實驗采用的噴嘴結構示意圖，為氣水兩相噴嘴，其特點是所需空氣壓力和加水流量較小，且在較小加水流量下可產生更多較小的水滴，可以降低加水成本和最小限度地改變物料性質，從而達到最大降塵的目的。

圖3 氣水兩相的噴嘴結構示意圖



1.5 數據處理方法



式中：G(i)為粒徑i的幹物料粉塵產生率，mg/kg；

(M _D) _i為粒徑i的粉塵產生量，mg；M _M為實驗幹物料的總質量，kg；X _i置為粒徑i的顆粒所占的質量分數，%。



式中：g(i)為粉塵產生函數；M _sf為采樣器中粒徑小於16.1μm的總粉塵質量，g；△i為粒徑i的變化量，μm；M _sA為原始物料中潛在的粒徑小於16.1μm的粉塵質量，g；q _f(△i)為采樣器中粒徑範圍為△i的粉塵密度分布函數；q _A(△i)為原始物料中粒徑範圍為△i的潛在粉塵密度分布函數。

1.6 加水意義

選擇噴水、隻噴空氣及未噴水和空氣3種條件進行實驗，質量流量為1.0kg/min，實驗時間為4min，實驗結果見表2。

表2 不同實驗條件下的粉塵產生率



由表2可知，使用噴嘴向物料隻噴空氣會大大地增加粉塵顆粒與氣流的接觸機會，顆粒分散較好，從而增加了粉塵產生率；噴水可以大幅度地降低粉塵產生量。不同實驗條件對不同粒徑粉塵產生率的影響是不同的，對較小粒徑的粉塵產生率影響較小，而對粒徑較大者粉塵產生率的影響作用很明顯，因此可以選擇加水方式來降低粉塵的產生。

可以采用預加水和在線加水2種方式降低隨機性粉塵的產生。預加水方法是向原始物料中添加一定體積的水，混勻靜止1d，再進行自由下落實驗，下落前測定加水物料的含水率。實驗表明，當采用預加水方式使物料含水率達到1.34%時，粉塵產生率的降低值變化很小，尤其是細顆粒；物料性質開始發生變化，不能滿足物料下落的操作要求，且操作麻煩，操作時間較長，因此應尋求在線加水方式最大限度地降低隨機性粉塵產生。

2 結果與討論

2.1 加水過程中影響隨機性粉塵降低效果的因素

2.1.1 空氣壓力對隨機性粉塵產生的影響

選擇0.4，0.3，0.2，0.1MPa 4個空氣壓力值，加水流量為2.1L/h進行實驗，實驗時間為5min，實驗結果見圖4。

圖4 空氣壓力對隨機性粉塵產生的影響



由圖4可知，不同的空氣壓力產生的PM ₁₀不同，在較小的空氣壓力和較大的空氣壓力下，粉塵產生函數值都較高，原因是在較小的空氣壓力下，相同流量的水經兩相噴嘴產生的水滴粒徑較大，與粉塵顆粒接觸凝聚的機會和數目較少，而較大的空氣壓力下產生的水滴粒徑雖小，但由於抽升氣流的作用，霧滴不易被粉塵顆粒捕獲，反而會將下落的物料流吹散，從而粉塵產生函數值也增加。空氣壓力p與隨機性粉塵產生函數G(10)之間的關係式為



由式(3)可知，當空氣壓力為0.3MPa時，隨機性粉塵產生函數值最低。所以本實驗采用的兩相噴嘴所需的最佳空氣壓力為0.3MPa。

2.1.2 加水位置對隨機性粉塵產生的影響

在粉塵室內靠近抽氣管一側和遠離抽氣管一側分別選取A和A'進行實驗，圖5為在線加水不同位置選取的示意圖。

圖5 在線加水的位置選取示意圖



在位置A選取水平向下50 ^o(A-50 ^o)和水平向上40 ^o(A＋40 ^o)，在位置A選取水平向下50 ^o(A'50 ^o)進行實驗，采用009，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0L/h共8個加水流量，加水壓力為0.3MPa，實驗結果見圖6。

圖6 在線加水不同加水位置的總粉塵產生函數



圖6為不同加水位置在不同加水流量時的總粉塵產生函數。圖中g ₀為物料在未噴水時的總粉塵產生函數，位置A十40 ^o和A'50 ^o隨加水流量的增加，粉塵產生量先增再降；A-50 ^o隨加水流量的增加，粉塵產生量逐漸降低，而且相同加水流量下的總粉塵產生量A-50 ^o最小，所以最佳加水位置為A-50 ^o。

2.1.3 加水流量對隨機性粉塵產生的影響

在加水位置A-50?和空氣壓力0.3MPa下。選取0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0 L/h共8個流量進行實驗，為便於比較，還列出了來加水的情況，實驗結果見圖7。

圖7 加水流量對不同粒徑粉塵產生的影響



由圖7可知，隨著加水流量的增加，各粒徑粉塵產生函數值逐漸降低，但當加水流量較小時，粉塵產生函數值基本無變化，原因是當加水流量較小時，所加水用於飽和周圍空氣導致作用於粉塵顆粒上的水分很少；加水流量對粒徑較小的粉塵(粒徑<3.6μm)影響較小，對粒徑3.6-10μm的粉塵顆粒去除作用最明顯，原因是4~5μm以上顆粒物在水滴作用下互相碰撞凝聚而形成較大顆粒的可能性隨粒徑減小而增加；各粒徑的粉塵產生函數降到最小時所對應的加水流量是不同的，對於粒徑3.6～10μm的粉塵顆粒，當加水流量為2.1L/h時，粉塵產生函數值最小，此時在正對著抽氣管的過濾室壁上首次出現—個直徑為11cm的圓餅，隨著加水流量的增加，圓餅的直徑逐漸增大，且有水滴順壁流下，但粉塵產生函數值基本保持不變，所以最佳加水流量為2.1L/h。加水流量Q呈倒數關係。



由式(4)可知，隨機性粉塵的產生函數值與加水流量Q呈倒數關係。

2.2 在線加水條件的最優化 03manbetx

2.2.1 優化模型的建立

圖8為不同加水位置在不同加水流量下的降塵率。由圖8可知，隨著加水流量的增加，降塵率逐漸增加，當流量達到一定數值時，降塵率基本不再變化，且不同加水位置的降塵率達到最大時所對應的加水流量是不同的。在相同加水流量下，A-50 ^o的降塵率最大，且降塵率達到最大時所對應的加水流量最小，當流量為2.1L/h時，A-50 ^o降塵率基本達到最大，此時最大降塵率為65.63%。

圖8 不同加水位置的降塵率與加水流量的關係



對於A-50 ^o，降塵率η與加水流量Q之間的關係式為



式(5)表明降塵率與加水流量呈指數關係，極限降塵率為69.53%。

根據式(5)計算得：當加水流量為2.1L/h時，降塵率達到極限值的94%；當加水流量為2.54L/h時，降塵率達到極限值的98%。

2.2.2 添加抑塵劑對降低隨機性粉塵產生的影響

直接使用兩相噴頭噴水的最大降塵率隻有65.63%，還有1/3粉塵會進人大氣環境中，因此應考慮更有效的降塵方法來提高降塵率。在水中添加抑塵劑可以提高隨機性粉塵的降塵率，掭加的抑塵劑種類和濃度不同，隨機性粉塵的降塵率不同。選擇添加十二烷基苯磺酸鈉(濃度為0.15%)和十二烷基硫酸鈉(濃度為0.05%)進行實驗，其結果表明，當添加十二烷基硫酸鈉(濃度為0.05%)進行噴水時，加水流量為2.1L/h的隨機性粉塵降塵率最大，為76.2%，比直接噴水降塵率提高10%左右。

3 結論

1)使用氣水兩相的噴嘴進行在線加水，可以實現較小加水流量產生更多的霧滴。

2)采用在線加水方式，在不改變物料性質的前提下可以最大限度地降低隨機性粉塵的排放，操作簡便、省時，尤其是粒徑較大的粉塵產生率降低幅度更大，但對粒徑較小的粉塵去除作用不明顯。

3)加水位置、空氣壓力和加水流量等對降低隨機性粉塵的產生均有影響，當空氣壓力為0.3MPa，選取向下噴水(A-50 ^o)直接噴向接塵板上的物料堆時，加水降塵效果最佳；當加水流量為2.1L/h時，降塵率最大，為65.63%。運用加水流量與降塵率的關係模型，可以定量地加水降塵，減少水消耗，從而降低成本。

4)可以選擇添加不同種類和不同濃度的抑塵劑提高隨機性粉塵的降塵率，當添加十二烷基硫酸鈉的濃度為0.05%時，降塵率比直接噴水提高10%左右。

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