某铅锌矿回风井口雾气影响因素分析及治理方案研究

王孝东，符浩南，刘 杰，童学林，陈书鹏

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

随着我国深部采矿工程的不断推进，地下通风工程规模不断扩大，会出现各类环境灾害问题。尤其在冬季外部环境气温较低，与井内环境温度形成较大的温差，井口段会产生大量雾气。雾气的形成范围较大、透明度较低、持续时间较长，极大地降低了井口周围道路能见度，对井下交通运输产生较大的安全隐患，并且对井口构筑物和工程设备产生腐蚀作用，因此，有必要对回风井内雾气形成的影响因素及除雾技术进行研究。国内外已经有部分学者进行过相关研究。钱洁[1]从矿井空气的危害和防治探讨了具体的方法和策略。陈小竹等[2]通过对井下空气污染物浓度及来源分析，确定治理措施。吴吉南等[3]运用工程热力学原理，对煤矿井下上山巷道大雾形成机理进行分析研究，并提出了相关可行性办法。周梦晨[4]综合除雾效率和能耗等因素，为新型除雾器的设计改造工作提供了数据支持和模型参考。袁惠新等[5]提出了一种将旋流场与静电场相结合的除雾器，利用数值模拟的方法，分析了静电-旋流除雾器操作性能。罗光前等[6]运用计算流体力学(CFD)技术，提出一种改良内部结构的新型除雾器。王泽龙等[7]对两级旋流式、组合式、两级折流式3种除雾器进行性能分析。杨琳[8]对除雾效率和压降两个重要问题进行了数值模拟研究。刘丽艳等[9]对引入液滴辅助捕集结构前后的折板除雾器内的流场和压降进行模拟。吕超等[10]对文丘里热解反应器内的气-液两相流进行了数值模拟研究，通过多组模拟最终确定了实验模拟的最优工艺条件。张习军[11]针对我国目前矿井降温系统运行所面临的高能耗问题，介绍了一种用于直接冷却矿井风流的直接接触式喷淋热交换系统。

1 工程背景与现场测试

1.1 工程背景

云南某铅锌矿主回风井口海拔2 400 m，长800 m，承担着整个矿山的回风。主回风井口温度较低，每年11月中旬至次年2月中旬井口均不同程度地产生雾气，雾气扩散给周边居民造成了不安全心理，使得回风井口长期封闭，对矿山整个回风系统造成严重的影响，回风困难，影响安全生产，加重了井下工作环境污染，不利于矿工身体健康。因此，开启回风井井口进行回风已迫在眉睫。

1.2 现场测试

1.2.1 测试仪器

2020年12月份对回风井底及井口空气参数进行了现场测试。测试仪器见表1。

表1 检测使用相关设备及型号

1.2.2 测试方法

现场测点布置情况见图1，为了得到高精度的测量数据，采用分格测量法见图2、3(黑色圆点表示测点)，把巷道断面划分成9个面积大致相等的方格，再逐格在其中心测量各点风速v1，v2，…，v9，最后取平均值得平均风速v。

图1 回风井成雾段纵向测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of longitudinal measurement point layout of the fogging section of the return air shaft

图2 井底横断面测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of the layout of survey points on the bottom of the well

图3 井口横断面测点布置示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of wellhead cross section

2 测试结果与分析

2.1 成雾凝水量计算

湿空气的状态参数主要有：湿空气绝对湿度和相对湿度、湿空气的含湿量、湿空气的焓、湿空气的比体积；其中不同温、湿度下湿空气的含湿量分别用d1、d2表示：

(1)

式中，φ为湿空气的相对湿度，%；p、ps分别为大气压力和饱和水蒸气分压力，Pa。

(2)

式中，pa为干空气的分压力，Pa；V为湿空气体积，m3；Rg为干空气的比气体常数，J/(kg·K)；Ta为湿空气温度，℃。

凝水量用Δmv表示：Δmv=ma(d2-d1)

(3)

式中，ma为湿空气中干空气的质量，kg；d1、d2为不同温度和相对湿度下湿空气的含湿量，g/kg干空气。

2.2 影响因素对成雾析水量分析

综合以上现场测算分析可知，如果空气温度或者大气压力发生变化，饱和水蒸气量会逐渐减小，空气中的一部分水分凝结成细小水滴，形成雾气，使井巷显得潮湿。因此需要通过气压、温度、湿度和风速等观测数据来分析雾气形成的原因。回风井沿程冬季空气参数测算表见表2。

表2 回风井沿程冬季空气参数测算表

由表2可知：

1)气压的影响

根据空气含湿量的原理，气压越高，空气中含湿量越大。在1 274 m回风巷道测得的大气压力值为875.0 hPa，相对应的含湿量值为18.408 g/kg，随着气流上行，井内标高逐渐增加，气压下降，空气所受的压强减小而膨胀，空气吸湿能力下降，当气流到达井口时，大气压力降至755.1 hPa，所对应的含湿量值为10.647 g/kg，两点间的含湿量差为7.761 g/kg，使空气中的水分不断析出，进而形成雾气。

2)风流温、湿度的影响

根据绝对湿度的定义，井下用风和回风线路的空气温度高，空气的饱和水蒸气分压高，即温度高的空气比温度低的空气能容纳更多的水蒸气。在1 274 m回风巷道测得的干球温度为24.1 ℃，湿球温度为23.7 ℃，相对温度为97 %，相对应的饱和水蒸气分压力为3 003.01 Pa，露点温度为23.587 ℃。此时若温度继续降低，多余的水蒸气就会从空气中凝结出来。当气流到达井口时，温度降至15 ℃，空气的饱和水蒸气分压力为1 705.26 Pa，空气相对湿度增加至100%，沿途释放水分，因此产生雾气。

3)风量、风速的影响

风速越大，回风井内的水蒸发越快，巷道风流带走的水汽越大，空气中的水含量越大；反之，风速越小，巷道的水蒸发越慢，巷道风流带走的水汽越少，空气的含湿量越小；但当水蒸发量大于巷道风流带走的水汽量时，巷道的雾气现象越严重。由表2可知，回风量为50.24 m3/s，从主扇到井口成雾析出水量为448.07 g/s，若按每天24 h计算，回风井井口排出的成雾析出水量为38.71 t。

3 方案设计分析

设计采用在回风井口建立回风巷道(图4)，在其内部分别安装单级折流板除雾器、活性炭柱和双级折流板除雾器，其中：

1)单级折流板除雾器安置于除雾巷道的中间位置，其作用有三个方面：(1)对井口气流产生的雾气进行第一次惯性碰撞分离，从湿空气中分离出一部分雾气液滴；(2)对井口高速气流起到一定的减速作用；(3)单级折流板除雾器采用高分子材料安装于门框中，形成自由开关的门，可同时兼顾一年中各个季节的雾气产生状况，即冬季雾气大时关闭，其他季节雾气小时打开。

2)活性炭以圆柱形状安置于接近除雾巷道出口端，交叉布置为三排，其作用有两个方面：(1)对空气中的炮烟起到一定的吸附去除作用，活性炭具有约1 000 m2/g的内部表面积，被广泛地用作空气污染控制的吸附材料；(2)分离出空气中的小部分雾气液滴。

3)双级折流板除雾器板片使用不锈钢材料制作，安置于除雾巷道出口处，其作用为两个方面：(1)采用双级折流板叶片为最终除雾区域，具有从空气中分离出绝大多数雾气液滴的作用；(2)双级折流板叶片安置于除雾巷道出口处，能有效地提高除雾效率。

图4 除雾系统设备平面布置图Fig.4 Layout plan of demister system equipment

4 数值模拟方法与验证

4.1 几何模型及初始条件

通过上述设计为了模拟巷道空间内出口段安置单级除雾器、活性炭柱和双级除雾器组合的除雾情况。参考冬季寒冷天气期间的气象条件，设置数值模拟的初始条件为：井外大气环境空气温度为10 ℃，巷道设置为水泥浇灌壁面，温度为5 ℃；空气入口为速度入口，风速设为4 m/s，流动方向为x轴正方向；巷道空气出口为自由出口。网格划分采用规则的六面体网格形式，网格数329 332个，见图5。

图5 几何模型Fig.5 Geometric model

4.2 模型设计

1)单级除雾器模型设计

模型空间中布置单级梯形折线型除雾器，单片除雾器几何模型尺寸为长×宽为6 000 mm×300 mm，叶片数量60片，叶片间距为50 mm，叶片折角为120°，安装位置在距模型进入口处6 000 mm处。

2)活性炭模型设计

模型空间中交错布置活性炭柱3排，每排10个，共30个，炭柱模型直径为300 mm；第1个炭柱模型位置坐标为x=16 000 mm、y=0 mm，其余炭柱模型分别依次朝x和y轴正方向以间距300 mm交错布置。

3)双级除雾器模型设计

巷道空间中布置双级梯形折线型除雾器，单片除雾器几何模型尺寸为长×宽为6 000 mm×600 mm，叶片数量113片，叶片间距为30 mm，叶片折角为120°，除雾叶片为不锈钢材质，安装形式垂直安置。

控制方程进行计算的基础条件是初始及边界条件。本文在模拟计算时的具体边界条件为：

(1)整个计算过程中温度不变，且在除雾器通道内均匀分布；

(2)气体入口为速度入口，在进口截面处气流速度均匀分布；

(3)出口为压力出口即自由出口；

(4)壁面、炭柱、单双级除雾叶片设置为wall边界，且壁面表面粗糙度设为零，无滑移，绝热；

(5)加入雾气液滴颗粒后，液滴进口速度与气流速度相同，液滴在进口截面均匀分布；

(6)速度入口设置为射入(wall-jet)，压力出口设置为逃逸(escape)，壁面、炭柱、单双级除雾叶片设置为捕捉(trap即液滴撞击到壁面即认为颗粒被捕捉而不再计算)；

(7)采取的算法为：压力-速度耦合方式为SIMPLE算法，离散格式选用二阶迎风格式，计算精度选取10-6。

4.3 模拟结果与分析

对井口雾气运移的非定常流场进行模拟仿真后，可以得到巷道内温度及压力云图、风速矢量图、雾气颗粒在巷道内的运移图，进一步分析气液分离的机理。

1)风速变化模拟分析

模拟设置入口风速为5 m/s时，平面巷道温度、速度分布云图见图6。

图6 速度、温度云图及矢量图Fig.6 Speed，temperature cloud chart and vector diagrams

本次模拟巷道内风速依据1600中段巷道内主扇特性曲线的最高风速为依据，在入口气流速度(空气、雾气液滴)的两相流耦合作用下，数值模拟巷道空间气流速度及温度运动分布，由模拟结果图6可以看出，气流速度以5 m/s的速度射入巷道，呈现出匀速递减的趋势，从入口到出口气流速度范围在5～3.5 m/s；由于本次模拟不考虑气流温度降温处理，因而温度变化云图及矢量图保持稳定为15 ℃。从图6中可以看出，整个模拟计算过程中，气流速度和温度运动变化过程基本处于一种平稳过渡状态。

2)除雾器除雾效率分析

本次模拟计算主要依据回风井井口现场除雾试验，由于回风井井口雾气的排放量大，且雾气液滴体积变化范围大，进而设置雾气液滴直径范围在10 ～100 μm随机产生，进行建模、调试与运算。在模拟计算稳定的状态下，得出模拟计算结果，如图7所示。

图7 除雾效果图Fig.7 Defogging effect diagram

由图7可知，除雾数值模拟计算时间为32 s时，随机产生的雾气颗粒为1 167 620粒并充满整个巷道空间，其中，被巷道劈面及除雾器共同捕集的雾气颗粒有1 149 650粒，从除雾器逃离的雾气颗粒有6 320粒，整个巷道空间剩余的雾气颗粒11 650粒，除雾效率达到90 %以上。首先，在模拟巷道5 000 mm处安置一级除雾叶片且叶片间距为60 mm，主要负责捕集大部分由巷道排出的体积相对大的雾气液滴。由图7(a)、(b)可以看出，当雾气由入口进入时，瞬间充满整个巷道，经过一级除雾叶片时，可以看出大部分雾气液滴被捕集；其次，在模拟巷道14 000 mm处安置3排互相交错的圆形炭柱，可捕集一部分随气流经过的雾气液滴；最后，在模拟巷道出口处18 000 mm处布置双级除雾叶片且叶片间距为30 mm，负责捕集巷道内剩余的少量且体积小的雾气颗粒。从整个模拟结果可知，该方案设计可使巷道内产生的雾气液滴经过多次捕集后去除，除雾效果明显。

5 结论

1)根据研究结果，得出雾气产生的原因主要与大气压力，风流温、湿度，风量等参数变化有关。

2)回风井正常工况条件下，回风量为50.24 m3/s，井口湿空气中的成雾析水量在448.07 g/s，一天析水量38.71 t。

3)根据数值模拟计算结果，巷道内产生的雾气液滴经过多次捕集后去除，除雾效率达到90%以上，除雾效果明显。