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超声波雾化荷电除尘技术在煤矿的应用

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：赵剑波

[导读] 摘要：开展煤矿工人职业健康卫生工作具有重要意义。

        新疆矿山安全技术中心新疆乌鲁木齐 830091
        摘要：开展煤矿工人职业健康卫生工作具有重要意义。由于井下空间范围有限，仅仅依靠人工通风无法在短期内将煤矿采掘活动伴生的粉尘进行有效稀释，给井下一线工作人员身体健康带来严重影响。本文在对煤矿粉尘来源进行分析的基础上，对目前我国主要的粉尘防治技术进行归纳总结。在此基础上，介绍了一种超声波雾化荷电除尘技术，对其基本原理进行简要的阐述。同时，对超声波雾化荷电除尘技术的技术经济优势、应用前景和今后的研究重点进行了说明，为我国煤矿除尘技术更新提供一种参考。
        关键词：超声波；空气雾化；荷电除尘；煤矿粉尘；发展前景
        1 引言
        煤矿巷道掘进和工作面开采过程中不可避免的出现大量的粉尘（包括煤尘和岩尘），给井下一线工人的身体健康带来严重影响[1-3]。以煤尘和岩尘引起的煤矿尘肺病为代表的职业病防治已经纳入国家安全生产监督管理总局颁布的《煤矿作业场所职业病危害防治规定》中[4-5]。除了给煤矿一线工人身体健康带来危害之外，井下粉尘的存在还会降低井下能见度，给安全生产带来影响。此外，自然性和爆炸性粉尘还会引起煤矿井下灾害事故的发生。此外，粉尘还会对井下机械设备产生一定损耗，继而降低机电设备的可靠性和正常的使用寿命[6-7]。
        本文在简要介绍粉尘来源的基础上，对国内井工煤矿粉尘防治的主要技术手段进行系统梳理。在此基础上，重点介绍了超声波空气雾化加湿器的基本原理、关键参数及其在煤矿粉尘防治技术方面的发展前景，并对今后研究的重点进行展望。
        1煤矿粉尘的来源
        通常而言，煤矿粉尘是煤炭资源开采过程中产生的所有的粉尘的总称。与露天煤矿开采相比，井工煤矿由于受地下作业空间的限制，采用传统除尘方式无法在有限的空间内及时降低粉尘浓度。因此，本文所讨论的煤矿粉尘特指井工煤矿开采过程中产生的粉尘。按照粉尘来源进行划分，煤矿粉尘可以分为在岩石钻孔、爆破和采掘进过程中产生的岩尘和煤尘。按照粉尘浓度和危害程度，在采煤工作面悬浮的大量的煤尘给矿工的身体健康和人生安全带来的危害更为严重。
        2煤矿粉尘防治技术概述
        煤矿粉尘的有效防治直接关系到煤矿井下安全生产和职业健康，顾大钊和李全生[8]在全面总结分析神东矿区粉尘防治示范工程建设过程中采取的措施和取得的良好效果，提出了“基于井下生态保护的煤矿职业病防护理论框架和技术体系”和“基于煤矿井下粉尘的分源分级分类治理原则”，从宏观上为煤矿粉尘防治技术构建指明了方向。如图1所示，该技术体系包括分源产尘机理及预测、粉尘分源防控技术和个体防护技术三个方面。

        图1煤矿职业病防护的井下生态保护理论框架和技术体系
        粉尘分源防控技术作为上述技术体系的重要组成部分，在实现粉尘有效防控方面具有重要的意义。为进一步降低煤矿粉尘给井下一线工人身体健康和煤矿安全生产带来的影响，国内外相关专家学者提出了包括基于源头控制的减尘技术、煤层注水增润技术、喷雾降尘、除尘器除尘、空气幕隔尘、磁化水除尘、荷电喷雾除尘、吸风除尘、高效化学试剂抑制除尘在内的多种粉尘控制技术，并在现场取得了较好的应用效果[9-10]。但是，受井下狭小空间和上述技术手段的局限性影响，单独采用上述粉尘防治技术尚不能有效的控制煤矿粉尘对工人身体健康和井下安全生产带来的影响。如何在确保粉尘浓度降低到国家要求的标准程度的基础上，实现粉尘防治成本投入、防尘效果和技术可操作性三者之间的协同是当前煤矿粉尘防治技术发展亟需解决的技术难点。
        3超声波雾化荷电除尘技术
        与其他技术相比，超声波雾化除尘技术由于可以实现粉尘就地抑制而在煤矿粉尘防治领域得到广泛关注。但是，煤炭大规模开采势必会带来更多的粉尘产生，采用传统的超声波除尘技术的效率和除尘效果将会受到影响。本文在基础超声波空气雾化除尘技术的基础上，提出一种超声波空气雾化荷电技术。作为喷雾除尘技术家族的一员，本文所述的超声波空气雾化荷电除尘技术是在现有超声波除尘技术的基础上，采用磁化水代替普通雾化水，通过给喷雾荷电的方式进一步提高除尘效率。
        3.1 基本原理
        由于所述的超声波空气雾化荷电除尘技术是在传统超声波除尘技术上发展起来的，因此首先对超声波雾化技术的基本原理进行简单的阐述。不同于传统的喷雾除尘，超声波雾化技术是利用电子的高频震荡（振荡频率大于1.7MHz）形成一层薄雾。由于其频率超过声波，因此称作超声波。
        3.1.1 超声波雾化技术
        超声波雾化除尘技术借助雾化片的振动，破坏液态水分子的内部结构，继而实现液态水以雾化的形式存在于空气之中（如图2所示）。在雾化过程中将释放一定数量的负离子，与空气中悬浮的粉尘产生静电作用，继而实现粉尘的捕集，起到降尘的作用。与传统的洒水除尘技术相比，超声波除尘技术所消耗的水量更小。

        图2超声波雾化喷头除尘效果
        由于超声波除尘技术不需要对液态水进行加热处理或添加相应的化学试剂即可实现煤矿粉尘的就地捕集，采用该技术具有一定的技术经济效益。现有研究已经表明，形成的雾化水粒的大小与超声波的频率有直接关系。因此，在煤矿井下除尘工程实践过程中，可以根据不同的粉尘颗粒和特性对超声波的频率进行调整。
        3.1.2荷电除尘
        由于超声波雾化除尘技术通过雾化过程中产生的负电荷实现粉尘的捕集，因此未进一步提高空气中的负电荷，需要利用专门的设备对液态水进行荷电处理。考虑到煤矿井下实际工作环境，建议使用感应荷电的方式对液态水进行处理。水雾荷电的基本原理是通过专用的喷雾装置，在电极作用下产生正电荷。之后通过电晕作用在空气中形成负电荷。在荷电处理过程中产生的负电荷和超声波雾化过程中产生的负电荷的共同作用下，悬浮在空气中的粉尘进一步凝结、团聚、沉降，实现粉尘防治的目的。
        3.2 技术优势与发展前景
        与传统的超声波除尘技术相比，本文提出的超声波空气雾化荷电除尘技术具有以下技术经济优势：（1）系统简单，操作方便。所述的超声波雾化荷电除尘装备只需要在原有的设备上面增设荷电除尘装置即可实现，系统结构简单，操作方便，具有一定的现场可操作性；（2）与现有的荷电除尘技术相比，本文介绍的超声波雾化荷电除尘技术装备产生的为负电荷，负电荷的存在可以实现荷电除尘与超声波雾化除尘技术的有机组合，进一步提升除尘效果；（3）超声波除尘技术和荷电除尘技术原理简单，且均具有一定的研究基础与应用先例，本文提出的超声波空气雾化荷电除尘技术装备具有可操作性。
        为进一步扩大超声波空气雾化荷电技术在煤矿粉尘防治技术方面的应用，需要在现有技术的基础上进行相应的技术革新，具体包括：（1）研发大功率的除尘设备，最大限度的提高雾化效率；（2）预先对除尘使用的液态水进行磁化处理，通过对水的磁化处理可以进一步提高除尘效果；（3）进一步提高超声波除尘技术的效率，对现有设备进行更新；（4）提高除尘状态的智能化和远程可视，充分利用现有井下工业互联网通讯技术，通过对除尘设备的运行状况和除尘效果进行实时动态分析；（5）建立与超声波空气雾化荷电除尘技术相匹配的智能决策系统，建立基于人工智能的超声波雾化荷电除尘技术智能调整。
        4结论
        本文在总结煤矿粉尘来源的基础上，对目前我国井工煤矿的主流防尘技术进行了系统梳理，在简要介绍粉尘来源的基础上，对“煤矿职业病防护的井下生态保护理论框架和技术体系”的指引下，提出超声波雾化荷电除尘技术。随后对该技术的主要原理、技术优势和今后的主要发展前景和研发重点进行了详细的介绍，为我国煤矿粉尘防治技术提供一种新的选择。
        参考文献：
        [1]马将.煤矿粉尘危害及综合防尘技术探讨[J].矿业装备，2021（02）：174-175.
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        [3]何国家，徐伟伟.我国煤矿职业病现状及防治对策[J].中国煤炭，2014，40（10）：19-24.
        [4]煤矿作业场所职业病危害防治规定[J].国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局公告，2015（03）：5-16.
        [5]何国家，徐伟伟.我国煤矿职业病现状及防治对策[J].中国煤炭，2014，40（10）：19-24.
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        [8]顾大钊，李全生.基于井下生态保护的煤矿职业健康防护理论与技术体系[J].煤炭学报，2021，46（03）：950-958.
        [9]李虎贵.矿井综合防尘技术应用与实践[J].煤矿现代化，2017（03）：41-43.
        [10]江山，王保军.煤矿粉尘成套防治技术研究与应用[J].内蒙古煤炭经济，2017（18）：38+42.
        作者简介：
        赵剑波，1967年04月15日，男，大专文化，工程师，科长，从事采煤和职业卫生研究方向。