在线喷水控制煤矿随机性粉尘产生的最优化分析

摘要：利用开发设计的一套物料自由下落在线喷水自控装置，研究了在线喷水降低媒处理过程中随机性粉尘的产生。通过SEM-EDX观察了实验斯科的形貌并分析了化学成分。采用气水两相的喷嘴可以在较小的加水流量下产生更多的细小水滴，具有更好的降尘效果。空气压力、加水位置和加水流量对随机性粉尘的产生均有影响，通过实验确定出最佳加水压力、位置和流量。建立加水流量与降尘率之间的关系模型，可以定量地计算加水量，优化在线加水条件，以便减少物料性质的改变和节约降尘的加水成本。

关键词：在线加水；加水流量；粉尘产生函数；降尘率：数学模型

随机性粉尘是目前我国矿区大气污染的主要污染物，尤其是煤矿地区PM_2.5超标十分严重。它不仅严重地影响到空气质量，而且在许多文献中还提到粉尘细颗粒的胸部渗透，以及低速沉降和细颗粒表面有害物质(例如重金属和PAH_S等)的吸附等对人体健康的严重危害。

煤矿地区采煤工作面和煤处理过程(如煤的胶带输送、堆积、装袋和倒袋等)随机性粉尘的产生日益引起人们的注意。减少操作过程中产生的随机性粉尘的一个简单有效的方法是加水降尘，即向浮游于空气中的粉尘喷射水雾，通过增加尘粒的质量，达到降尘的目的。这一技术的关键是喷嘴能形成具有良好降尘效果的雾流。有些国家研制出系列喷嘴，如美国和德国等国家在确定雾流参数方面进行了大量研究。由于实地采样较难，需要基础研究确定喷嘴的布置方式及数量，喷嘴的选型和合理的喷嘴参数等最佳加水条件，从而找出物料的水分含量和PM₁₀，PM_2.5粉尘产生量之间的关系。为了确定物料在线加水的最小加水量和最佳加水位置，实验物料连续地自由下落到固体表面或更多物料顶部产生随机性粉尘，对在线加水降低随机性粉尘产生的情况进行了研究，以确定最佳加水条件。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置及其原理

实验装置见图1。物料从料斗下落到胶带上，再由降落管落入粉尘室内，在粉尘室内产生粉尘(一次粉尘和二次粉尘)，根据斯托克斯定律计算，粒径小于33μm的粉尘颗粒可被风机抽走。为了降尘，在粉尘室内安装喷嘴，通过喷嘴在线加水方式控制和降低粉尘的产生。在抽气管上安装采样器，通过调节风机流量和真空泵的流量，保证采样器入口处的气流速度与抽气管中的气流速度相等，就可以比较准确地检测到下落物料

图1 在线加水降低随机性粉尘产生的测试装置



1.2 实验物料及其物理特性

实验物料为黄河沙(取自黄河济南段，其真密度为2990kg/m³，比表面积为249.9m²/kg)，经晾晒混匀后封存在塑料桶内，此时物料含水率为0.46％，每次实验前从各桶内分别取物料混匀后再进行实验。采用带能谱的扫描电镜观察其形貌，结果见图2。

图2 黄河沙扫描电镜结果



从图2看出，粗细颗粒形状多不规则。能谱分析显示，颗粒表面主要含Si，Ca，Al，Mg，K，Fe等金属元素，这些元素在粗细颗粒上的质量分数存在较大差异，且在细颗粒上还富集As，Zn，Pb等有害元素。

1.3 采样方法

用WY-1型七级冲击式尘粒分级仪采样，其粒径分布见表1。

表1 WY-1型尘粒分级仪(20℃。1.68m³/h)对应的黄河沙粒径分布



1.4 喷嘴

图3为实验采用的喷嘴结构示意图，为气水两相喷嘴，其特点是所需空气压力和加水流量较小，且在较小加水流量下可产生更多较小的水滴，可以降低加水成本和最小限度地改变物料性质，从而达到最大降尘的目的。

图3 气水两相的喷嘴结构示意图



1.5 数据处理方法



式中：G(i)为粒径i的干物料粉尘产生率，mg/kg；

(M_D)_i为粒径i的粉尘产生量，mg；M_M为实验干物料的总质量，kg；X_i置为粒径i的颗粒所占的质量分数，%。



式中：g(i)为粉尘产生函数；M_sf为采样器中粒径小于16.1μm的总粉尘质量，g；△i为粒径i的变化量，μm；M_sA为原始物料中潜在的粒径小于16.1μm的粉尘质量，g；q_f(△i)为采样器中粒径范围为△i的粉尘密度分布函数；q_A(△i)为原始物料中粒径范围为△i的潜在粉尘密度分布函数。

1.6 加水意义

选择喷水、只喷空气及未喷水和空气3种条件进行实验，质量流量为1.0kg/min，实验时间为4min，实验结果见表2。

表2 不同实验条件下的粉尘产生率



由表2可知，使用喷嘴向物料只喷空气会大大地增加粉尘颗粒与气流的接触机会，颗粒分散较好，从而增加了粉尘产生率；喷水可以大幅度地降低粉尘产生量。不同实验条件对不同粒径粉尘产生率的影响是不同的，对较小粒径的粉尘产生率影响较小，而对粒径较大者粉尘产生率的影响作用很明显，因此可以选择加水方式来降低粉尘的产生。

可以采用预加水和在线加水2种方式降低随机性粉尘的产生。预加水方法是向原始物料中添加一定体积的水，混匀静止1d，再进行自由下落实验，下落前测定加水物料的含水率。实验表明，当采用预加水方式使物料含水率达到1.34%时，粉尘产生率的降低值变化很小，尤其是细颗粒；物料性质开始发生变化，不能满足物料下落的操作要求，且操作麻烦，操作时间较长，因此应寻求在线加水方式最大限度地降低随机性粉尘产生。

2 结果与讨论

2.1 加水过程中影响随机性粉尘降低效果的因素

2.1.1 空气压力对随机性粉尘产生的影响

选择0.4，0.3，0.2，0.1MPa 4个空气压力值，加水流量为2.1L/h进行实验，实验时间为5min，实验结果见图4。

图4 空气压力对随机性粉尘产生的影响



由图4可知，不同的空气压力产生的PM₁₀不同，在较小的空气压力和较大的空气压力下，粉尘产生函数值都较高，原因是在较小的空气压力下，相同流量的水经两相喷嘴产生的水滴粒径较大，与粉尘颗粒接触凝聚的机会和数目较少，而较大的空气压力下产生的水滴粒径虽小，但由于抽升气流的作用，雾滴不易被粉尘颗粒捕获，反而会将下落的物料流吹散，从而粉尘产生函数值也增加。空气压力p与随机性粉尘产生函数G(10)之间的关系式为



由式(3)可知，当空气压力为0.3MPa时，随机性粉尘产生函数值最低。所以本实验采用的两相喷嘴所需的最佳空气压力为0.3MPa。

2.1.2 加水位置对随机性粉尘产生的影响

在粉尘室内靠近抽气管一侧和远离抽气管一侧分别选取A和A'进行实验，图5为在线加水不同位置选取的示意图。

图5 在线加水的位置选取示意图



在位置A选取水平向下50^o (A-50^o)和水平向上40^o (A＋40^o)，在位置A选取水平向下50^o (A'50^o)进行实验，采用009，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0L/h共8个加水流量，加水压力为0.3MPa，实验结果见图6。

图6 在线加水不同加水位置的总粉尘产生函数



图6为不同加水位置在不同加水流量时的总粉尘产生函数。图中g₀为物料在未喷水时的总粉尘产生函数，位置A十40^o和A'50^o随加水流量的增加，粉尘产生量先增再降；A-50^o随加水流量的增加，粉尘产生量逐渐降低，而且相同加水流量下的总粉尘产生量A-50^o最小，所以最佳加水位置为A-50^o。

2.1.3 加水流量对随机性粉尘产生的影响

在加水位置A-50?和空气压力0.3MPa下。选取0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0 L/h共8个流量进行实验，为便于比较，还列出了来加水的情况，实验结果见图7。

图7 加水流量对不同粒径粉尘产生的影响



由图7可知，随着加水流量的增加，各粒径粉尘产生函数值逐渐降低，但当加水流量较小时，粉尘产生函数值基本无变化，原因是当加水流量较小时，所加水用于饱和周围空气导致作用于粉尘颗粒上的水分很少；加水流量对粒径较小的粉尘(粒径<3.6μm)影响较小，对粒径3.6-10μm的粉尘颗粒去除作用最明显，原因是4~5μm以上颗粒物在水滴作用下互相碰撞凝聚而形成较大颗粒的可能性随粒径减小而增加；各粒径的粉尘产生函数降到最小时所对应的加水流量是不同的，对于粒径3.6～10μm的粉尘颗粒，当加水流量为2.1L/h时，粉尘产生函数值最小，此时在正对着抽气管的过滤室壁上首次出现—个直径为11cm的圆饼，随着加水流量的增加，圆饼的直径逐渐增大，且有水滴顺壁流下，但粉尘产生函数值基本保持不变，所以最佳加水流量为2.1L/h。加水流量Q呈倒数关系。



由式(4)可知，随机性粉尘的产生函数值与加水流量Q呈倒数关系。

2.2 在线加水条件的最优化分析

2.2.1 优化模型的建立

图8为不同加水位置在不同加水流量下的降尘率。由图8可知，随着加水流量的增加，降尘率逐渐增加，当流量达到一定数值时，降尘率基本不再变化，且不同加水位置的降尘率达到最大时所对应的加水流量是不同的。在相同加水流量下，A-50^o的降尘率最大，且降尘率达到最大时所对应的加水流量最小，当流量为2.1L/h时，A-50^o降尘率基本达到最大，此时最大降尘率为65.63%。

图8 不同加水位置的降尘率与加水流量的关系



对于A-50^o，降尘率η与加水流量Q之间的关系式为



式(5)表明降尘率与加水流量呈指数关系，极限降尘率为69.53%。

根据式(5)计算得：当加水流量为2.1L/h时，降尘率达到极限值的94%；当加水流量为2.54L/h时，降尘率达到极限值的98%。

2.2.2 添加抑尘剂对降低随机性粉尘产生的影响

直接使用两相喷头喷水的最大降尘率只有65.63%，还有1/3粉尘会进人大气环境中，因此应考虑更有效的降尘方法来提高降尘率。在水中添加抑尘剂可以提高随机性粉尘的降尘率，掭加的抑尘剂种类和浓度不同，随机性粉尘的降尘率不同。选择添加十二烷基苯磺酸钠(浓度为0.15%)和十二烷基硫酸钠(浓度为0.05%)进行实验，其结果表明，当添加十二烷基硫酸钠(浓度为0.05%)进行喷水时，加水流量为2.1L/h的随机性粉尘降尘率最大，为76.2%，比直接喷水降尘率提高10%左右。

3 结论

1)使用气水两相的喷嘴进行在线加水，可以实现较小加水流量产生更多的雾滴。

2)采用在线加水方式，在不改变物料性质的前提下可以最大限度地降低随机性粉尘的排放，操作简便、省时，尤其是粒径较大的粉尘产生率降低幅度更大，但对粒径较小的粉尘去除作用不明显。

3)加水位置、空气压力和加水流量等对降低随机性粉尘的产生均有影响，当空气压力为0.3MPa，选取向下喷水(A-50^o)直接喷向接尘板上的物料堆时，加水降尘效果最佳；当加水流量为2.1L/h时，降尘率最大，为65.63%。运用加水流量与降尘率的关系模型，可以定量地加水降尘，减少水消耗，从而降低成本。

4)可以选择添加不同种类和不同浓度的抑尘剂提高随机性粉尘的降尘率，当添加十二烷基硫酸钠的浓度为0.05%时，降尘率比直接喷水提高10%左右。

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