吳愛軍，唐 銘，楊 苗，南 瑋，褚福延，向 銀，張 樂

(1西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2四川江油新川礦山機(jī)械有限公司，四川 江油 621700)

在《BP世界能源展望》(2020版)中提到：到2050年，中國煤炭消費(fèi)比例仍然占能源總消費(fèi)的55%～60%[1]?？梢娺@一以煤為主體結(jié)構(gòu)的局面在短時(shí)間內(nèi)難以改變。而在煤炭生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的煤塵、巖塵等[2]，嚴(yán)重危害著工人健康，同時(shí)煤塵具有爆炸性危險(xiǎn)，對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅，所以對煤塵進(jìn)行治理也越來越得以重視?，F(xiàn)有的煤塵治理技術(shù)有很多種，如通風(fēng)除塵、噴霧除塵、水幕除塵和除塵器除塵等，其中泡沫除塵是最近幾十年出來的新技術(shù)。

泡沫除塵就是在一定風(fēng)壓下，發(fā)泡器發(fā)出大量泡沫并完全填滿作業(yè)工作面的除塵方式，就是覆蓋式泡沫除塵。1950年后英國開始進(jìn)行泡沫除塵[3]，后來前蘇聯(lián)、日本等國也相繼開展了泡沫除塵工作。前蘇聯(lián)一些學(xué)者通過研究不同種類不同濃度的表面活性劑，配制了高性能的泡沫液，通過泡沫發(fā)生器進(jìn)行高倍數(shù)發(fā)泡并在井下產(chǎn)生粉塵的位置進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明普通除塵的除塵效率為泡沫除塵的1/2～1/5[4]。美國礦業(yè)局則利用除塵系統(tǒng)將水、空氣和泡沫配方進(jìn)行混合后進(jìn)行噴射。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泡沫除塵的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴霧除塵且耗水量大大減少[5-6]。1995年以來, 蔣仲安[7-10]等人基于泡沫除塵的理論知識及發(fā)泡器的性能等研究了高倍數(shù)泡沫，取得了一定的成果。任萬興[11]基于相關(guān)理論知識建立了模型并對泡沫除塵的過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，然后利用羅氏泡沫儀等儀器對多種表面活性劑進(jìn)行了比選從而配制出高效除塵泡沫液。于亮[12]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴霧除塵的除塵效率是泡沫除塵的1/1.78。張旭峰[13]優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款泡沫發(fā)生器，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用對比，得出：噴霧除塵遠(yuǎn)小于泡沫除塵，并且該泡沫發(fā)生器的可行性很高。Wang[14]等人提出利用泡沫——水霧綜合技術(shù)進(jìn)行除塵?；诰路蹓m產(chǎn)生規(guī)律，噴嘴被設(shè)計(jì)成扁風(fēng)扇型，該形狀可以確保對切割頭的有效覆蓋。通過貴州某煤礦的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明利用泡沫——水霧綜合除塵技術(shù)的除塵效率較使用單獨(dú)兩項(xiàng)技術(shù)有了顯著提高。

目前泡沫除塵多采用覆蓋方式[15]，即用大量泡沫將工作面的煤體或巖體覆蓋，以防止粉塵在作業(yè)過程溢出飛散。但這種技術(shù)的缺陷是在作業(yè)過程中妨礙操作人員視線，同時(shí)對采掘設(shè)備有很大影響，所以煤礦對其應(yīng)用的積極性不高。同時(shí)該技術(shù)對空氣中的煤塵無法治理?；诖?，本文提出了泡泡除塵新技術(shù)，即通過發(fā)泡機(jī)向空氣中噴出大量單體泡泡，它們能夠在空氣中長時(shí)間飛行，在此過程中不斷捕捉空中的粉塵；當(dāng)泡泡量較多時(shí)，就會形成了巨量的泡泡集群，從而阻斷粉塵向周圍擴(kuò)散，具體如圖1所示。

圖1 泡泡抑塵消煙原理示意

1 泡泡生成機(jī)制及除塵機(jī)理

泡泡除塵的關(guān)鍵之一是針對粉塵的性質(zhì)而配置出相應(yīng)的發(fā)泡液。發(fā)泡液的主要成分——表面活性劑一端為親水基，一端為憎水基。將表面活性劑加入水中后，親水基和憎水基會發(fā)生作用，親水基朝向溶液，憎水基朝向空氣，因此會在溶液表面形成一個(gè)氣-液界面并進(jìn)行吸附。當(dāng)吸附的濃度足夠大時(shí)，表面活性劑分子會收縮體積并且緊密地直立排列在界面上，從而形成具有一定發(fā)泡能力的發(fā)泡液。當(dāng)用1個(gè)圓環(huán)去沾發(fā)泡液時(shí)，就會在圓環(huán)上形成一層液膜，且在一定風(fēng)力吹動(dòng)下，液膜逐漸鼓起、長大、拉長，直到最后脫離圓環(huán)，從而形成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的泡泡飛揚(yáng)在空氣中，具體過程如圖2所示。

圖2 泡泡形成

當(dāng)泡泡與煤塵在一定時(shí)空相遇后，煤塵就會與泡泡發(fā)生碰撞而被截留并黏附在泡泡上，具體如圖3所示。隨著泡沫上黏附的煤塵越來越多，受重力作用的煤塵則向泡泡下側(cè)匯集，使得泡泡液膜不斷變薄直到破裂，最后以液滴等小碎片(包裹煤塵)的形式降落至地面。

圖3 黏附效應(yīng)

2 泡泡除塵模擬實(shí)驗(yàn)

在煤礦回采和掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，且它們在風(fēng)力作用下向周圍巷道擴(kuò)散，迅速污染了整個(gè)工作環(huán)境。針對這種情況，本文利用泡泡進(jìn)行煤塵除塵模擬實(shí)驗(yàn)，即在巷道粉塵擴(kuò)散的路徑上布置若干臺發(fā)泡機(jī)，使其產(chǎn)生的泡泡在風(fēng)力作用下擴(kuò)散到整個(gè)巷道斷面。具體搭建的實(shí)驗(yàn)平臺示意圖和實(shí)物如圖1和圖4所示。首先在自然條件下測試粉塵自由沉降過程中的濃度隨時(shí)間變化規(guī)律，然后利用配制的發(fā)泡溶液進(jìn)行除塵實(shí)驗(yàn)。

2.1 發(fā)泡液

本實(shí)驗(yàn)采用的泡泡液為自行配置的針對煤塵的泡泡液，其配方包括0.7%K12A、0.9%SDS、1%AOS液、0.8%KCL和0.9%甘油，水為自來水。

2.2 除塵實(shí)驗(yàn)平臺

根據(jù)幾何相似性原理，在實(shí)驗(yàn)室搭建了1個(gè)模擬井下環(huán)境的實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺主要由粉塵濃度測試儀、發(fā)泡裝置、模擬巷道等構(gòu)成。本實(shí)驗(yàn)所采用的兩臺CCZ1000直讀式粉塵濃度測量儀進(jìn)行粉塵測量。同時(shí)所采用的除塵裝置為自制除塵裝置，此除塵裝置有3個(gè)發(fā)泡盤，在鼓風(fēng)機(jī)吹動(dòng)下發(fā)泡盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其發(fā)泡倍數(shù)可以達(dá)到100倍左右，節(jié)水率達(dá)到90%以上。具體見圖4所示，其中圖4(a)為發(fā)泡機(jī)，圖4(b)為模擬巷道示意圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)采用的粉塵為200目的無煙煤，其中粒徑小于6.68 μm的占10%，粒徑小于31.2 μm的占50%，粒徑小于74.7 μm的占90%。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

1) 自由沉降實(shí)驗(yàn)。通過向模擬巷道中添加10 g、30 g、50 g等不同質(zhì)量的煤塵來模擬生產(chǎn)時(shí)不同粉塵的濃度情況。將粉塵濃度測試儀放在距離粉塵源頭的1 m、2 m、2.5 m處，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)吹動(dòng)粉塵使其布滿整個(gè)巷道，再利用粉塵測試儀分別讀出0 min、3 min、6 min、9 min…等時(shí)刻的粉塵濃度，以此來確定粉塵下降到國標(biāo)值以下濃度的時(shí)間。

2) 定量粉塵泡泡除塵實(shí)驗(yàn)。同樣采用添加10 g、30 g、50 g等不同質(zhì)量的煤塵來模擬生產(chǎn)時(shí)不同粉塵的濃度情況。將粉塵濃度測試儀放在距離粉塵源頭的1 m和2 m處，同時(shí)將發(fā)泡裝置放在距離粉塵源頭的2.5 m處。利用風(fēng)機(jī)吹動(dòng)粉塵，使得粉塵布滿整個(gè)巷道，然后打開除塵裝置，吹30 s泡泡后測量粉塵濃度1次(因?yàn)镃CZ1000直讀式粉塵濃度測量儀煤塵測量周期為1 min左右，而不是瞬時(shí)讀數(shù))，分別記錄在0 min、0.5 min、1 min、1.5 min等的讀數(shù)，以此來確定不同粉塵濃度時(shí)下降到國標(biāo)以下濃度的時(shí)間，最后通過對比在自由沉降條件下的粉塵濃度變化規(guī)律進(jìn)行對比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 粉塵自然沉降結(jié)果分析

模擬不同濃度的煤塵自由沉降隨時(shí)間變化的曲線見圖5。

圖5 煤塵濃度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可以看出，煤塵濃度隨著時(shí)間的變化而逐漸變小。當(dāng)煤塵添加量為10 g時(shí)，在1 m處的最高濃度為701.1 mg/m3，在2 m處的最高濃度為615.9 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為504.2 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時(shí)間為81 min。當(dāng)煤塵添加量為30 g時(shí)，在1 m處的最高濃度為1 926.2 mg/m3，在2 m處的最高濃度為1 829.6 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為1 577.4 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時(shí)間為117 min。當(dāng)煤塵添加量為50 g時(shí)，在1 m處的最高濃度為6 047.2 mg/m3，在2 m處的最高濃度為4 368 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為3 707.8 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時(shí)間為174 min。因此，在同一模擬煤塵添加量的情況下，隨著時(shí)間的變化煤塵濃度逐漸降低，且降低時(shí)間趨于一致；而對于不同煤塵添加量的情況下，模擬煤塵濃度的最高濃度越高，其降低到國家標(biāo)準(zhǔn)值(10 mg/m3)時(shí)所需的時(shí)間越久，且它們呈線性變化。

3.2 泡泡除塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

模擬除塵實(shí)驗(yàn)后的場景如圖6所示。圖6(a)是添加量為50 g煤塵的除塵場景，圖6(b)是添加量為10 g煤塵的除塵場景。由圖可以看出，在被控制的范圍內(nèi)，煤塵被泡泡及破裂后的發(fā)泡溶液潤濕，使其不易產(chǎn)生二次飛揚(yáng)，且煤塵濃度越高，需要的泡泡量就越多。

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

具體粉塵沉降與泡泡除塵數(shù)據(jù)及其擬合曲線見圖7。

圖7記錄的是1 m處煤塵濃度變化及其擬合曲線?？梢钥闯觯号菖莩龎m其濃度變化與時(shí)間呈指數(shù)遞減關(guān)系；除塵時(shí)間與煤塵質(zhì)量呈正相關(guān)，煤塵質(zhì)量越大，所需時(shí)間越久；在利用泡泡除塵后煤塵濃度迅速降低到10 mg/m3以下，10 g煤塵在自然沉降下需81 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要5.5 min；30 g煤塵在自然沉降下需117 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要7 min；50 g煤塵在自然沉降下需174 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要8 min。因此利用泡泡除塵可以大大縮短降塵的時(shí)間，從而減少煤塵對人的危害。

圖7 泡泡模擬除塵曲線

圖8是自然沉降與泡泡除塵時(shí)間數(shù)據(jù)及其擬合曲線。自然沉降擬合曲線的R2為0.96，且滿足方程y=2.325x+54.25，通過該方程說明自然沉降的時(shí)間與添加煤塵的量相關(guān)性很好，即煤塵量越大，所需時(shí)間越久；泡泡除塵擬合曲線的R2為0.97，且滿足方程y=0.062 5x+4.96，通過該方程說明泡泡除塵的時(shí)間也與添加煤塵的量呈正相關(guān)，即煤塵質(zhì)量越大，所需時(shí)間越久。

由圖8可以看出，泡泡除塵的效率非常高，相比較噴霧除塵技術(shù)，可以節(jié)省大量水資源，同時(shí)被泡泡捕捉到的煤塵被潤濕后，降落到地面不易二次揚(yáng)起。這是因?yàn)榕菖莺斜砻婊钚詣┪镔|(zhì)，對煤塵起到粘結(jié)作用，因此除塵效果非常明顯。相對于最初濃度的煤塵，降到國標(biāo)值時(shí)所需時(shí)間較自由沉降的除塵效率提高了20倍左右。

圖8 自然沉降與泡泡除塵時(shí)間擬合曲線

4 結(jié) 語

本文首先分析了泡泡形成機(jī)理及泡泡除塵機(jī)理，然后通過自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行除塵對比實(shí)驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1) 分析了泡泡形成的機(jī)理及泡泡除塵的機(jī)理，指出泡泡除塵的機(jī)理主要截留效應(yīng)、碰撞效應(yīng)、潤濕效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、黏附效應(yīng)，這其中，大體積截留效應(yīng)占據(jù)主要優(yōu)勢。

2) 基于模擬的實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了泡泡除塵實(shí)驗(yàn)，通過自然沉降實(shí)驗(yàn)得出，煤塵添加量分別為10 g、30 g和50 g的模擬情況下，其實(shí)驗(yàn)?zāi)M濃度降低到國標(biāo)以下濃度分別需要81 min、117 min和174 min；通過泡泡除塵得出煤塵添加量分別為10 g、30 g和50 g時(shí)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)M濃度降低到國標(biāo)以下濃度僅需5.5 min、7 min和8 min。由此可見泡泡除塵可以大大縮短除塵時(shí)間。

3) 泡泡不僅可以捕捉空氣中的揚(yáng)塵，同時(shí)煤塵被泡泡捕捉潤濕后，隨其降落到地面，從而失去了二次飛揚(yáng)能力，這說明落泡泡液對地面揚(yáng)塵同樣起到了抑制作用。

4) 相對于噴霧噴水除塵來說，其除塵效果優(yōu)勢明顯，同時(shí)節(jié)水效果良好。