矿井除尘涉及的主要研究问题及除尘技术探讨

1矿井除尘涉及的主要研究问题及除尘技术探讨0前言进入21世纪以来，我国对煤炭能源的需求进一步增大，煤矿在提高工作面单产的同时不断增加工作面数量，使各煤矿不断向深部开采，导致我国高瓦斯大风量采掘工作面不断增加，煤矿粉尘污染问题日趋严重。据不完全统计，煤炭行业尘肺病病例约占全国尘肺病患者总数的50%，全国煤矿有265万接尘人员，据测算，每年有5.7万人患上尘肺病，因尘肺病死亡的则有6000余人，是安全生产事故死亡人数的两倍。据国家煤矿安全监察局、中华全国总工会、中国职业安全健康协会一项调研显示，多数煤矿井下粉尘浓度严重超标，自1983年至2008年，煤尘最高浓度范围198～3420，超过国家标准49.5～855倍，每年有大量职工患上尘肺病。截至2010年底，全国煤矿企业累计尘肺病患者34万例（不包括乡镇煤矿），尘肺病检出率高达7.2%[1]。因此，在煤矿安全生产工作中，煤矿粉尘问题不容小视。特别在近几年，煤炭产量发展迅速，机械化水平大幅度提高，煤矿井下在掘进、采煤、运输等环节中都会产生大量的粉尘，严重威胁矿井的安全生产和职工的身体健康。有效控制粉尘，降低粉尘浓度，改善工作环境、杜绝煤尘事故，是煤矿安全生产的一个重要环节，抓好矿井防尘工作，对促进矿井安全生产，保障职工身体健康具有重大意义。1矿尘及其危害矿尘是指在矿山生产和建设过程中所产生的各种煤、岩微粒的总称。矿尘按其成分可分为岩尘、煤尘、烟尘、水泥尘等多种有机、无机粉尘。按粒径划分，矿尘可分为粗尘，细尘，微尘和超微尘。矿尘具有的性质如下：（1）矿尘的比表面积和表面能。（2）粉尘的凝聚与附着。（3）粉尘的湿润性。（4）粉尘的自燃性。（5）矿尘的荷电性。矿尘的性质决定了它具有很大的危害，主要表现在以下几个方面[2]：（1）污染工作场所，危害人体健康，引起职业病。工人长期吸入矿尘后，轻者会患呼吸道炎症、皮肤病，重者会患尘肺病，而尘肺病引发的致残和死亡人数在国内外都十分惊人。国际尘肺病会议认为直径大于10μm的矿尘因不能进入最小支气管，对尘肺的发生没有多大的作用，只有直径小于5μm的尘粒才对尘肺的发生有意义。（2）煤尘爆炸。煤尘发生爆炸的三个前提因素是：氧气、浓度和温度。研究结果表明，煤尘在氧气的作用下可以进行氧化反应，当氧气足够多时就可以发生燃烧，一旦煤尘浓度达到45～2000，矿井温度达到700～800℃，便极有可能引发粉尘爆炸。在实际的煤矿开采中，很多煤矿并不能严格遵守国家卫生标准，尤其是中小型煤矿，他们的采煤工艺绝大多数采用非正式壁式开采，这种开采方式的特点是开采煤层比较干燥、煤尘易飞扬，从而使得矿井煤尘的浓度很难达标，一般在采煤工作面炮后的22分钟内，粉尘浓度就能达到55。煤尘爆炸是煤矿安全生产中一个重要的安全隐患，它严重地威胁着矿井的正常生产和职工的生命财产安全。而在含有瓦斯的矿井中，煤尘爆炸可能引发瓦斯爆炸，造成的危害更大。（3）缩短矿山设备的使用年限。矿尘使矿山设备的磨损加快，降低了设备的性能，缩短了设备的使用年限。（4）矿尘浓度较大会降低能见度，可能引发工伤事故。22矿井除尘技术及存在的问题针对煤矿粉尘的治理方法前人做了大量研究，20世纪50年代中期到60年代，国内研究员较系统地进行煤层注水机理及工艺的研究；70年代研制出煤层注水专用的高压注水泵及配套注水仪表和器具，形成了煤层注水成套技术；80年代煤矿机械化发展迅速，采掘工作面产尘强度也急剧增加，针对采掘面高产尘强度的现状，相关研究员先后研究成功采煤机内外喷雾降尘技术、机采工作面含尘气流控制技术，液压支架自动喷雾降尘技术、综采放顶煤工作面综合防尘技术、机掘工作面通风除尘技术、湿式和干式掘进机用除尘器、锚喷除尘器、转载运输系统自动喷雾降尘、泡沫除尘等多种降尘技术与装备；90年代，则进行了超声雾化、荷电喷雾、高压喷雾等高效喷雾降尘技术的研究，使呼吸性粉尘的降尘率大大提高。随着现代科学技术的不断发展，目前研究员们成功研制出了涡流控尘装置、KCS系列新型湿式除尘器和CPC高压喷雾降尘装置，使机掘工作面综合除尘技术配套装备更加完善，采煤机高压喷雾总粉尘降尘效率进一步提高，用水量显著减少；近年来，直读式测尘仪和粉尘浓度传感器的出现，实现了粉尘浓度的快速、实时检测，达到国际先进水平[3]。目前我国煤矿主要常用的防尘措施有，采煤机喷雾、掘进机喷雾、湿式打眼、干式凿岩捕尘、水力冲孔、掘进放炮时采用水炮泥、喷雾洒水、通风除尘、煤层注水、冲洗岩帮、水幕净化、采取个人防护等防尘技术措施[4-5]。其中，使用率最高的要数煤层预湿注水技术、喷雾洒水技术和通风除尘技术，而在井下的采掘工作面主要依靠的是通风除尘技术并以洒水技术相辅的措施。以上除尘方式、方法在一定程度上对粉尘起到了防尘、除尘的作用，但是仍然存在一些问题。(1)对呼吸性粉尘的降尘率不高，严重威胁矿工的身体健康。(2)我国现有的除尘技术与国外矿井除尘技术相比落后。(3)在一个矿井中，除尘只是在个别产尘点进行除尘，没有形成完整的防尘和除尘体系，降尘率低，企业对井下作业环境重视程度不够。3国内外先进的除尘技术3.1化学除尘剂在水喷雾除尘过程中，雾滴捕尘经历了与粉尘惯性碰撞和拦截、接触或扩散润湿、凝聚和重力沉降分离等四个过程，其中使粉尘沉降是主要目的。煤是一种固态物，从煤的分子结构来看，它是一种含碳量较高，但又是非均一的高分子缩聚物，表面的自由能比较低，在有些牌号的煤中又因焦油含量高而易得到润湿[6]。水则具有表面张力大的特点，如图1，水润湿煤时有一个平衡接触角，左图表示煤与液滴在正常情况下的接触角，大致在75～82°之间，如出现右图的情况时，则液滴虽然与煤接触却不起湿润作用。化学降尘剂是一种高效的表面活性剂，它的分子结构中具有亲水和亲油两个亲和基因团，很容易受水分子的排挤而从内部向外迁移并富集于表面，形成亲水基朝内疏水基朝外的低自由能表面，从而降低了水的表面张力。通过实验测定证实：只要添加0.1％的降尘剂，可使水的表面张力从71dyn/cm2降到30～40dyn/cm2。下式表示各种张力的关系：11rcosrr式中，r为固体的表面张力；1r为液体的表面张力；1r为液固界面张力。3图l水煤接触时的角度对固体物而言，由于水的表面张力下降，吸附结果降低了固体(煤)和流体(水)之间的界面自由能，从而改善了煤的表面润湿性能，提高了降尘能力。经实验证明：降尘剂在喷嘴压力一定时的成雾过程中，界面吸附形成的低表面张力能够减少雾滴粒径，增加雾滴滴数，提高碰撞捕集概率，有助于提高降尘能力。经实验证明：降尘剂还有助于粉尘穿过小的雾滴表面，防止水表面形成尘埃的薄膜，使较少量的水发挥更大的作用。干燥的细尘因表面电荷的斥力而难以发生碰撞凝聚。经实验证明；如图1，降尘剂还可有效地改变尘粒表面的电位，提高尘粒的表面活性，使微尘与尘埃碰撞后凝聚成较大直径的尘粒，从而在水的充分湿润下能加速沉降。我国矿山应用的除尘剂有渗透剂JFC，洗净剂741、除尘剂HY、除尘剂CHJ-1、除尘剂DLA、湿润剂SR-I等。3.2磁化水降尘技术水是一种抗磁性的物质，由成对的电子的分子组成，在磁场中都存在着一个微弱的排斥力，当外加一个磁场后，能使原来的抗磁性物质发生磁化，并建立起与原有磁场相反的磁矩。这一外加的磁矩使水的内聚力下降，也就是使水的粘度和表面张力下降。磁化处理后，降低了水的硬度、电导率，净化了水质和提高了水的渗透压力，更主要的是改变了水的晶格结构，使复杂的长链变成短链结构，从而使水珠变细变小，提高雾化程度，增加了与粉尘的碰撞凝聚机会，特别是对呼吸性粉尘的捕捉能力加强。磁化水可提高固——液界面的吸附作用和润湿作用，其降尘效果十分显著。根据前苏联的实验结果证实：水流过磁场强度为2200Oe(1Oe相当于(1000／错误!未找到引用源。)A／m)的磁化器时，流速为0.3～0.5m，与未磁化的水相比，对岩尘而言除尘效果可提高2～3倍，对煤尘可提高1.8倍左右[7]。磁化设备比较简单，一次建成后可长期使用。目前，我国煤矿推广应用的磁水器主要有：TFL型高效磁化喷咀降尘器、RMJ型系列磁水器等。3.3泡沫除尘技术solidθdropletsθθθr1r1θrθθ接触角；左图为正常状况；中图为加入降尘剂后的状况；右图为不润湿的状况图2水煤接触时的作用力4泡沫除尘是用无空隙的泡沫作覆盖尘流，使刚产生的粉尘得以湿润、沉积达到降尘的目的。目前研究主要方法为：先将压缩空气、水、表面活性剂用混合机强行混合后，再送至称为发泡装置的金属网处，形成类似刮脸涂膏的细小泡沫，再通过导管，向指定地点喷射。因泡沫具有高度的湿润性和隔绝性，所以能用于除尘，它有两项特性指标：倍数(K)和强度(Q)。从倍数来看，又分为低(5～50)、中(50～200)、高(200)三类[8]。强度是指它的稳定程度，即从泡沫产生的瞬时起到它完全或半数破裂的时间长短，也可由液面形成的单个气泡持续期来确定。用泡沫除尘应注意泡沫剂的成份，它应该是无毒的、易溶于水、具有充足的供应以及价廉等。目前，IIO-1型和PAC-NA型泡沫剂在矿山除尘方面有较好的除尘效果。3.4超声雾化技术这种除尘方法的特点是在局部密闭的产尘点中，安装利用压缩空气驱动的超声波雾化器，当高速气流冲击雾化器的共振腔时，在气流出口与腔之间由于聚能而产生超声场，泵水进入超声场时，水迅速被雾化成浓密的微细水雾，这种雾的粒径比普通喷雾器喷出的雾的粒径(m400~200)小10倍[9]。水迅速捕集凝聚微细粉尘，使粉尘特别是呼吸性粉尘很快沉降在产尘点，实现就地抑尘。由于其捕尘机理与普通喷雾捕尘完全不同，在捕尘中耗水量极少，被称为超声干雾捕尘，避免了使用干式、湿式除尘器带来的问题和清灰工作带来的二次污染以及普通喷雾水量过人的弊病。3.5采用数值模拟方法研究除尘器数值计算与理论分析、实验观测作为三种研究手段，相互联系、相互促进，但不能完全取代，三者各有各的适用场合。CFD的长处是适应性强，应用面广[10]。除尘领域中存在许多由于结构参数设计不合理而引起的涡流、回流，造成除尘器内部速度场、压力场分布不均匀，使得除尘器除尘效率低，工作阻力大。FLUENT软件对除尘器内部流场的数值模拟和颗粒轨迹追踪有效地解决了这类问题[11]。袋式除尘器因为其内部结构较为复杂，导致流场十分复杂，无法通过实验手段获得。而运用FLUENT软件能够清楚地表现出除尘器内部的流场结构，对于袋式除尘器的结构优化具有一定的参考作用[12]。国外早已将CFD数值模拟方法与除尘器的研究结合起来，代表性的研究有：Wang,J等人通过数值模拟的方法研究了具有椭圆形横截面的过滤纤维对纳米级颗粒的除尘效果。研究表明：钝的、断面形状接近圆形的纤维适用于拦截和惯性捕尘机理；长且细的纤维适用于扩散捕尘机理，对于纳米级颗粒粉尘，除尘效果很好[13]。GongAL等人在2004年运用FLUENT软件对旋风除尘器的结构进行了优化，减小了旋风除尘器的压力损失。改进后模型的切向速度最大值变小，旋风除尘器中心区域轴向速度变大[14]。ChoiBS等人运用FLUENT软件模拟了电除尘器的流场和尘粒的运动轨迹，分析了电除尘器流场和尘粒的运动轨迹对尘粒荷电的影响[15-16]。在国内，许多学者用CFD数值模拟方法来研究除尘器，主要包括除尘器的结构优化和除尘机理研究，代表性的研究成果有：孙晓茗等对电除尘器改造为布袋除尘器后的空间流场进行数值模拟试验，对除尘器的结构进行优化。分析了流体入射速度、导流板对除尘器除尘效率和压力损失的影响[17]。付海明等采用热线风速仪对袋式除尘器实验装置的内部流场进行测试，并运用CFD模拟实验装置的内部流场，对比分析，二者的结果基本一致，对袋式除尘器的结构参数进行了优化[18]。牟春宇等运用FLUENT对旋风除尘器内部流场进行了数值模拟，探明了气流在环形空间内的运动规律和基本特征，阐明了旋风除尘器顶部“尘环”产生的根本原因[19]。54结语煤矿井下是一个环境复杂、空气污染严重的场所，产尘地点较多，不同粉尘防治技术适应不同的产尘地点，以上介绍的几种防尘技术是近些