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；

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