某地下矿山除雾降尘技术研究与应用

任甲泽 焦 鹏 贾敏涛

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.南京银茂铅锌矿业有限公司；4.中南大学资源与安全工程学院）

地下矿山井下空气湿度大，大水矿山空气含湿量接近饱和，且井下空气常年处于稳定高位，冬天地表温度较低，高温饱和水蒸气随回风井排出地表后，遇冷产生冷凝吐水现象，在井口形成白色雾柱。同时，金属矿山均采用爆破落矿，爆破产生大量有毒有害气体，加之落矿与矿石转运过程中产生大量粉尘，随空气一同排出地表，对地表环境产生较大污染，既破坏了生态环境，又影响了企业的社会形象。为此，以某地处4A 级风景名胜区的矿山为背景，开展回风井除雾降尘技术研究。

1 地下矿山回风井污染特征及治理现状

地下矿山回风井外排污染主要分为2 类。其一是化学污染，来自矿山回风井排出的井下放炮产生的有毒有害气体及粉尘，主要有一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等；其二是物理污染，主要是井下高温饱和气体排出地表后遇冷产生的冷凝白雾，产生视觉污染。地下矿山回风井风量大，流量少则18 万m3/h，多则200 万m3/h以上。虽然回风井外排体量大，但其中有毒有害气体浓度低，处理效率低、难度大。

1.1 回风井污染因子检测

为掌握地下矿山回风井外排污染物种类的浓度分布特征，选取某大型地下铁矿山回风井污染因子进行24 h 连续采样。该矿山采用多级机站通风系统，2条并联回风井回风，在其中1条专用回风井进行采样，具体采样条件见表1，空气质量采样现场见图1。

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1.2 回风井污染因子分布规律分析

通过对采样数据进行试验室分析，得出其主要污染物浓度分布，见图2。

由图2 可见，该矿山下午15：00 进行集中大爆破，当井下爆破后0.5 h，除粉尘外各有害物质浓度明显增加，并在爆破后1 h 达到排放浓度最高值；粉尘浓度在井下爆破后浓度略有波动增长，说明矿山井下爆破洒水抑尘等措施有效地抑制了粉尘的产生和外排；从检测数据看出，回风井外排污风有害气体浓度低，但回风井风量大，且在生产阶段属于连续排放，排放总量比较高，且冬天形成的“浓雾烟囱”视觉污染严重。

1.3 治理现状

目前，国内针对地下矿山回风井污染物治理的研究鲜有公开报道。王鹏等［1］提出了采用惯性力与风流冷却联合除雾技术。贾敏涛等［2］利用电除尘原理，在回风井井筒布置阴极电晕线和阳极粉尘水雾捕集极板等方式进行回风井除雾降尘。赵杰等［3］开展了湿式共振栅除尘进行回风井降尘效率研究。通过文献检索发现，现阶段针对回风井外排污染物的治理主要集中在降尘方面，其他化学污染因子研究未见报道。

2 除雾除湿方法及试验分析

2.1 通用除雾除湿方法

（1）冷却除湿。冷却除湿也称露点除湿，将湿空气与低于其湿空气露点的液体或固体壁面接触，使湿空气中的水汽冷凝。该法应用广泛，是最早的一种除湿方法，适用于高温、高湿（饱和）空气除湿。冷却除湿介质一般采用低温液体或固体壁面。

（2）惯性力除湿。惯性力除湿是利用气流所夹带的液滴拥有足够动量，足以使其脱离气体流线，撞击到挡板表面而被捕捉。除湿装备可以调节气流组织，通过改变气流方向，致使雾滴在惯性力作用下被挡板捕捉，达到空气除湿的目的［4-5］。该法装置简单实用，适合于除湿要求不高的系统，除湿效率较低。

（3）重力除湿。重力除湿是通过降低气体流速，使其在沉降室内有足够的停留时间，靠重力作用将悬浮于气流中的液滴沉降下来。通常该法仅用于分离直径大的液滴，需要的设备装置尺寸庞大，且除雾效率较低，与惯性力除湿有相似之处。

（4）膜法除湿。膜法除湿利用膜管两侧水蒸汽的压力差，使水蒸汽分子透过有机膜，从而达到除湿的目的［6］。

（5）静电除湿。静电除湿是当气流从2个电极间通过时，夹带于其中的粒子获得电荷、极化，并被吸引到与其极性相反的电极上，继而在电极上凝结、滴落。静电除湿的显著优点是阻力小、除雾效率高，适合于分离直径微小的粒子，但前期投资及后期运行费用高。

（6）联合（组合）除湿。除湿方法联合应用有助于提高除湿效率，降低成本。

2.2 矿井回风除雾除湿方法

针对地下矿山回风井风量大、空气潮湿饱和的空气热力学特征，同时兼顾汇集井口回风的装置与所选用的除雾除湿设备增加的阻力不能对原有通风系统造成较大影响，适合选用冷却除湿、惯性力除湿技术或静电除湿。如冷却除湿的冷源（水）可以采用矿山开采过程中的地下水资源，利用惯性力除湿技术的主要除雾除湿设备有丝网除雾器、纤维除雾器、旋流板除雾器、折流板、离心式除雾器等，利用静电除湿的主要设备是静电除雾设备（放电极线、极板和高压电源）。不同的除雾器也可以组合使用，以克服单一除雾技术的不足。适合于矿山回风除雾除湿的除雾器性能见表2。

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2.3 联合式除雾方案试验研究

针对地下矿山回风井污风特征，结合矿山实际条件，该地下矿山回风井除雾选择冷却除雾+惯性力除雾2种除雾方法联合除雾。在试验室内，针对金属丝网除雾方案、折流波纹板除雾方案和二者联合方案进行试验室除雾效果试验，采用超声雾化发生器模拟回风井外排污风雾气，观察不同风速条件下各方案的除雾效果。试验条件参数见表3，除雾现场试验照片见图3。

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经现场观察，15，20 cm 厚的丝网除雾器和折流板除雾器均能达到较好的除雾效果，丝网除雾器除雾效果优于波纹板除雾器，组合除雾器优于丝网除雾器；丝网除雾器厚度越厚，除雾效果越好。考虑到风阻，最终选择15 cm 厚的丝网除雾器和折流板除雾器作为除雾设备。

3 除雾方案工艺设计

3.1 除雾工艺流程

风流冷却+惯性力除雾的联合除雾主要工艺流程见图4。

（1）首先矿井回风经过安装在井口正上方的喷淋装置，水源采用外部自来水，自来水经加压泵加压，产生雾化效果和减少喷淋水量，被喷淋冷却得到一次降温风流。

（2）一次降温风流垂直向上及向四周扩散，大部分风流向四周扩散与安装在侧面一定高度的波形除雾板进行惯性碰撞、重力沉降除雾，少部分风流垂直向上运动遇到顶部密封屋架即顶部密封钢板而被折回，同时顶部密封钢板与外部大气发生传热冷却交换，最终流向波形板除雾器，大部分水雾被去除得到一级除雾风流。

（3）一级除雾风流出除雾板的运动过程中，遇到外围护空间的外防护钢板与外界大气发生传热冷却，同时遇到内、外围护钢板围护空间顶部的喷淋装置，被喷淋冷却得到二次降温风流。

（4）二次降温风流继续向上部流动，遇到顶部环形围护空间的波形除雾板，进行惯性碰撞、重力沉降除雾，得到二次除雾风流。

（5）风流最终从波形除雾板片之间均匀地、高空排放到大气环境。

上述除雾过程中，被除雾板除掉的水滴以及喷淋水最终流向回风井筒，不对回风井口地面产生影响。

3.2 除雾系统结构布局

除雾装置主要布置在井筒上方，由除雾板、钢板（压型钢板）、支柱等钢结构建筑组成，整体构成下部方形柱体+上部坡型屋顶的框架式结构，除雾后风流最终从方形柱体顶部四周均匀排出（图5）。

沿回风井筒径向，从内到外，从下至上整体布置防护墙、内围护钢板、波形除雾板（分为一级、二级）、顶部密封钢板（屋面外板）、外围护钢板和喷淋装置等。

最大风阻109 Pa，设施运行时，回风道风量减少2 m³/s，总风量降低3.2%，该设施对井下通风系统影响较小。

4 结论

（1）某地下矿山回风井外排污风存在流量大、浓度低、总量高的特性，污染物排放在井下大爆破后1 h内达到峰值。

（2）采用丝网+波纹组合除雾装置，能够有效去除回风井外排污风中的水雾，较好地消除冬天回风井冷凝水雾产生的环境污染。

（3）工程实践表明，组合除雾系统阻力小于200 Pa，示范工程通风系统风量降低3.2%，对通风系统影响小。