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1、新型磁化雾降尘技术及煤尘润湿剂研究Study of New Dustfall Technology on Magnetized Fog and New Coal Wetting Agent摘 要高浓度粉尘时刻威胁着井下职工的身心健康和矿井的安全生产。现有降尘技术通常耗水量大，降尘效果不佳，抑或经济成本高，因此研究煤矿粉尘防治新理论与新技术对于保障煤矿企业的安全生产、改善作业地点的工作环境、保护煤矿工人的身心健康具有重大的现实意义。本文综合运用理论分析、实验室实验等手段，研究水雾捕尘机理，并以提高水雾的煤尘润湿性能为中心进行了深入的研究，取得了如下研究成果：（1）研究喷雾降尘机理，引用扩散荷电效
2、应解释尘雾体相互作用过程中的静电吸引问题，建立了尘粒绕雾滴运动的数学模型，得出四种捕尘方式（惯性碰撞、截留、静电、扩散）同时发生并相互促进的结论；分析了传统喷雾降尘技术的主要影响因素，发现在其他条件不变的情况下，水雾粒径越小、密度越大，喷雾速度越快，雾体润湿性能越强，则其降尘效果越好。（2）研究了润湿剂降尘机理，系统分析了润湿剂对喷雾降尘的影响，其捕获煤尘可分成四阶段，主要是通过其分子在溶液表面形成紧密的润湿剂分子定向排列层来实现；润湿煤尘分为粘附、铺展和吞没三个过程，各过程自发进行的判据为：粘附：；铺展：；吞没：。（3）开展了一系列煤尘润湿性评价实验，研究得出不同种类和浓度润湿剂对其润湿性能
3、的影响及润湿剂助剂对其润湿性能的提高的规律，并结合润湿剂复配增效原理，研制出新型煤尘润湿剂，配方为0.1%SDBS+0.1%1631+0.2% Na2SO4（配方中各原料比例为其在溶液中的质量浓度）。（4）研究了磁化水的理化特性，从提高雾化程度和降低溶液表面张力及粘度等多角度分析了磁化雾降尘机理；建立了磁化雾喷雾降尘系统的实验模型装置，比较水雾磁化前后以及结合煤尘润湿剂后的新型磁化雾喷雾降尘技术的降尘效率，实验结果显示，普通水降尘率只有59%，磁化雾降尘率达到71%，采用磁化雾+新型煤尘润湿剂的降尘技术组合的降尘率更是高达94%，对呼吸性粉尘降尘效果尤为明显。论文共有图29幅，表15个，参考文
4、献86篇。关键词：喷雾降尘；煤尘润湿性能；煤尘润湿剂；磁化雾技术AbstractThe physical and mental health of coal miners and safety production in mine are threatened with high concentration dust all the time. Some of the existing dust-settling technologys water consumption was so large usually and the dust suppression effect was poor
5、ly, some of them need more economic costs, so the study on new theory and technology of dust control in coal mine is of great realistic significance to guarantee coal safe production, improve the environment of work place and protect the health of mine workers. This paper applied theoretical analysi
6、s and laboratory test to study the mechanism of capturing dust by fine water-spray, and make a deeply study on the wettability experiments of coal dust, The research achievements are as follows:(1) Study the mechanism of reducing dust by spray, quote diffusing charge effect to explain the problem of
7、 electrostatic attraction in the Interaction between dust-fog coalition, establish mathematical model of dust moving round water droplet, obtain the conclusion that four ways of dust catching(inertial impaction, interception, diffusion and electrostatic)are simultaneity and mutual promotion; through
8、 the study on the main factors affecting the traditional spraying dust control technology, obtain the results: in other conditions remain unchanged, the smaller mist particle size, the greater the density, the stronger the mist wetting properties, then the better dust suppression effect can be obtai
9、n.(2) Study the mechanism of reducing dust by wetting agent, which capture coal dust can be divided into four phases, primarily through its molecules form a tight molecular alignment layer wetting the surface of the solution to achieve; wet coal dust into the adhesion, spreading and engulfing three
10、processes, the criteria for each process is spontaneous: Adhesion: ;spreading: ;swallowed: .(3) A series of coal dust wettability evaluation experiments were done, obtain the affect that different types and concentrations of wetting agents to its wettability and the law of wetting agent additives im
11、prove the wetting properties, combined humectant complex synergism principle, developed a new type of coal dust wetting agent, formulation of 0.1% SDBS + 0.1% 1631 + 0.2% Na2SO4 (the ratio of the raw material formulations for mass concentration in solution).(4) The physical and chemical properties o
12、f magnetized water were studied, the multi-angle analysis of the magnetization fog dust mechanism from improve atomization and reduce the surface tension and viscosity were done; establish an experimental model system of magnetization fog spraying system, compare efficiency of dustfall before and af
13、ter magnetization and binding dust wetting agent, the experimental results show that the general water rate is 59%, magnetized fog rate is 71%,and the last combination rate is as high as 94%, for respiratory dust is especially effective.The paper has 29 figures, 15 tables and 86 references.Keywords:
14、 the spray dustfall; coal wetting properties; coal wetting agent; technologyof magnetized fog目 录摘 要I目 录IV图清单VIII表清单X变量注释表XII1 绪论11.1 问题提出与研究意义11.2 国内外研究现状31.3 研究内容与技术路线102 喷雾降尘基础理论及影响因素分析132.1 煤尘颗粒的基本微观特性132.2 水雾捕尘机理基础理论162.3 喷雾降尘效果影响因素分析242.4 本章小结263 煤尘润湿性能影响实验及新型煤尘润湿剂的研制273.1 润湿剂简介273.2 润湿剂降尘机理基础理
15、论研究283.3 润湿剂煤尘润湿性能影响实验研究313.4 新型煤尘润湿剂的研制413.5 本章小结504 新型磁化雾降尘系统性能实验研究524.1 磁化水简介524.2 磁化雾降尘机理基础理论研究564.3 新型磁化雾降尘系统降尘效果对比实验研究584.4 新型磁化雾降尘系统降尘效果影响因素分析634.5 本章小结645 主要结论66参考文献67作者简历71学位论文原创性声明72学位论文数据集73ContentsAbstractIIContentsVIList of FiguresVIIIList of TablesXList of VariablesXII1 Introduction11.
16、1 The Raising of Promblem and the Meaning of Research11.2 Current Situation of the Research at Home and Abroad31.3 Research Methods and Contents of the Paper102 Basic Theory of Spray Dustfall and the Analysis of Effect Factors132.1 Microcosmic Basic Characteristics of Granule 132.2 Basic Mechanism o
17、f Dust Capture by Water-cloud 162.3 Effects Factor Analysis of Spray Dustfall 242.4 Brief Summary 263 The Experiment of Coal Wettability and the Development of New Type of Coal Wetting Agent273.1 Introduction of Wetting Agent 273.2 Basic Theoretical Research of Dustfall Mechanism of Wetting Agent 28
18、3.3 Experimental Study of the Properties of Coal Wetting Agent 313.4 Development of New Coal Wetting Agent 413.5 Brief Summary 504 Performance Experimental Study of New Dustfall System of Magnetized Fog524.1 Magnetized Water Introduction 524.2 Basic Theoretical Research about the Dustfall Mechanism
19、of Magnetized Fog 564.3 Comparative Experimental Study of New Dustfall System of Magnetized Fog 584.4 Effects Factor Analysis of New Dustfall System of Magnetized Fog 634.5 Brief Summary 645 Main Conclusion66Reference67Author Resume71Declaration of Thesis Originality72Thesis Date Collection73图清单图序号图
20、名称页码图1-1研究技术路线12Figure 1-1Research technology roadmap12图2-1煤尘的润湿性16Figure 2-1Wettability of coal dust16图2-2典型的喷雾降尘机理16Figure 2-2Typical mechanism of dust prevention by water-cloud16图2-3尘粒绕雾滴运动示意图17Figure 2-3Schematic diagram of dust moving round water droplet17图2-4考虑边界层情况下粉尘绕雾滴运动流线示意图21Figure 2-4Con
21、sider the case of the boundary layer of dust around a droplet movement schematic flow lines21图2-5喷雾压力与雾粒粒径的关系曲线24Figure 2-5Relationship spray pressure and the particle size of the curve fog24图3-1润湿剂的分类28Figure3-1Classification of wetting agent28图3-2液滴捕获煤尘过程示意图29Figure3-2Graphical representation of t
22、he process about droplet capturing coal dust29图3-3雾滴湿润煤尘过程简化示意图30Figure3-3Graphical representation of the process about getting coal wet30图3-4反向渗透湿润实验装置示意图32Figure3-4Device chart of up-ward seepage experiment32图3-5实验所需润湿剂及助剂实照35Figure3-5Real photo about wetting agents and additives needed for the ex
23、periment35图3-6不同种类润湿剂润湿性能实验36Figure3-6Wettability test about different types of wetting agents36图3-7不同浓度润湿剂润湿性能实验37Figure3-7Wettability test about different concentrations of wetting agents37图3-8含不同助剂成分的润湿剂溶液润湿性能实验38Figure3-8Wettability test about wetting agents solution containing different additiv
24、es38图3-9助剂浓度不同条件下润湿剂溶液润湿性能实验40Figure3-9Wettability test about wetting agents solution under conditions of different concentration of additives40图3-10部分实验设备实物照42Figure3-10Part of Pictures of laboratory equipment 42图3-11圆形煤试块制作过程照44Figure3-11Picture of the product process of circular coal block44图3-12
25、反向渗透湿润实验装置图45Figure3-12Device chart of up-ward seepage experiment45图3-13在量筒上端口划上刻度46Figure3-13Draw on the scale in the cylinder port46图3-14反向渗透湿润实验过程中46Figure3-14In the process of the up-ward seepage experiment46图3-15滴液法煤体润湿实验48Figure3-15Wettability test of coal by the way of drip experimental metho
26、d48图3-16煤体吸湿法润湿实验装置49Figure3-16Experimental device of coal moisture absorption method49图4-1磁场中磁力线分布53Figure4-1Distribution of magnetic force in magnetic field53图4-2磁化水表面张力与磁场强度关系曲线55Figure4-2Relationship curve between surface tension of magnetized water and the magnetic field intensity55图4-3磁化水粘度与磁场
27、强度的关系曲线55Figure4-3Relationship curve between viscosity of magnetized water and the magnetic field intensity55图4-4喷雾降尘系统装置示意图59Figure4-4Schematic diagram of dustfall experiments system by spraying with magnetic water59图4-5喷雾降尘系统实验模型装置59Figure4-5Real photo of dustfall experiments system by spraying wi
28、th magnetic water59图4-6强力风扇主要工作参数60Figure4-6The main operating parameters of powerful fan60图4-7磁化处理装置工作状态图（图中红圈标示）61Figure4-7State diagram of magnetic treatment device (marked by red circle)61表清单表序号表名称页码表2-1平均粒径的计算方法和应用情况14Table 2-1Design procedure and the application of mean particle diameter14表2-2
29、不同喷雾压力下的降尘效果25Table 2-2Dust suppression effect at different spray pressures25表2-3不同喷雾流量下的降尘效果25Table 2-3Dust suppression effect at different spray flow rates25表3-1实验用润湿剂简介28Table 3-1Introduction of experimental wetting agents28表 3-2徐州自来水水质成分含量34Table3-2Component content in water in Xu Zhou34表3-3不同种类
30、润湿剂润湿性能评价沉降实验数据36Table3-3Experimental results of coal dust settling with different types of wetting agents36表3-4不同浓度润湿剂润湿性能评价沉降实验数据38Table3-4Experimental results of coal dust settling with different concentrations of wetting agents38表3-5含不同助剂成分的润湿剂溶液润湿性能评价沉降实验数据39Table3-5Experimental results of coal
31、 dust settling with wetting agents solution containing different additives39表3-6助剂浓度不同条件下润湿剂润湿性能评价沉降实验数据41Table3-6Experimental results of coal dust settling with wetting agents solution under conditions of different concentration of additives41表3-7十种润湿剂复配组合43Table3-7Ten kinds of complex combinations
32、 of wetting agents43表3-8润湿剂复配溶液的表面张力值45Table3-8Surface tension of wetting agent compound solution45表3-9反向渗透湿润实验数据47Table3-9Experimental results of up-ward seepage experiment47表3-10滴液法煤体润湿实验数据48Table3-10Experimental results of drip experimental method48表3-11煤体吸湿法润湿实验数据49Table3-11Experimental results
33、of coal moisture absorption method49表4-1喷雾降尘实验数据及计算结果62Table4-1Experimental results of dustfall by spray experiment and calculations62变量注释表L 粉尘颗粒的长度，mB 粉尘颗粒的宽度，mT 粉尘颗粒的厚度，mA 颗粒投影像面积 ，m2L 颗粒投影像周长 ，mS 颗粒的表面积 ，m2V 颗粒的体积 ，m3DC 不规则粉尘颗粒的周长径，mDA 不规则粉尘颗粒的圆形相当径，mDS 不规则粉尘颗粒的表面积相当直径，mDV 不规则粉尘颗粒的体积相当直径，m 颗粒粒度参数
34、，由特定的颗粒样品的粒度分布测定结果来确定，无量纲 颗粒粒度分布参数，由特定的颗粒样品的粒度分布测定结果来确定，无量纲 雾滴的降尘综合效率，尘粒横截面等效圆面积和雾滴的横截面积之比，%D 雾滴的直径，m 煤尘捕集系数，无量纲 尘粒发生碰撞作用的极限横截面等效圆半径，m 尘粒气体流线初始偏转点与X轴的距离，m 尘粒绕雾滴运动径向速度，m/s 尘粒绕雾滴运动切向速度，m/s 空气粘度，Pas 水粘度，Pas 空气密度，g/cm3 水密度，g/cm3 水表面张力，mN/m 肯宁汉修正系数，无量纲 雷诺数，判别粘性流体流动状态的一个无因次数群，无量纲 Peclet数，它的倒数是表征扩散沉降的特征数，无
35、量纲 粉尘介电常数，C/(Vm) 单位面积水雾粒上的电荷量，C/m2 尘雾结合体的体系自由能，J 单位面积固-液界面的界面自由能，J 单位面积固-气界面的界面自由能，JJ 单位面积液-气界面的界面自由能，J 粘附功，表示雾滴沾湿尘粒的难易程度，J 铺展系数，表示雾滴在铺展于尘粒表面的难易程度，J 吞没功，表示液体吞没固体颗粒的难易程度，J 接触角，i 电子附加运动产生的附加电流，mA 电子附加运动产生的附加磁矩，mAm2 电子附加运动的角频率 ，rad/s 电子运动的轨道半径 ，nm 磁场方向的正法向单位矢量，无量纲 物质的磁化率 ，% 磁场强度，TBr 剩磁，磁铁磁通密度，kGsHc 矫顽力
36、，衡量抗退磁能力，kOeBHmax 磁能积，单位体积材料所产生的磁场能量，MGOe1 绪论1 Introduction1.1 问题提出与研究意义(The Raising of Promblem and the Meaning of Research)中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭不仅为相关行业提供了大量的就业机会，而且在我国经济发展中起到基础和支柱作用。我国能源资源的基本特点是“富煤、缺油、少气”，这一特点就决定了煤炭在我国一次性能源中的地位。2013年，煤炭消费占我国能源总消费构成的65%以上，预测到2050年仍会占到60%，因此煤炭开采在国民经济中起着至关重要的作用。日益提高的
37、煤矿采掘机械化水平，使得矿井的开采强度和生产集中度大幅度增加，为煤矿的集约化经营和高效化生产创造了良好条件，但同时矿井粉尘产生量亦随之愈来愈多，粉尘问题变得日益严重1-4。粉尘主要是指煤矿在生产过程中所产生的微细尘粒的总称。煤矿在巷道掘进、采煤及运输等各个环节中都会不断向井下空气中排放大量的粉尘。按产尘源来分析，在生产中，各环节产尘量的比例如下：综采面的产尘量占45%80%，掘进工作面的产尘量占20%38%，锚喷作业点的产尘量占10%15%，其他作业点的产尘量占2%5%。尤其在风速较大的作业场所，粉尘排放量猛增，有些矿区的粉尘排放量达到了煤炭产量的1.6%甚至更高。矿井粉尘是危害矿井员工职业健
38、康安全的重要因素。调查发现5-9：主要产尘源处所产生的粉尘中，10m以下的微细粉尘占很大比例，一般全尘在100300mg/m3，呼吸性粉尘在50150mg/m3，全尘和呼吸性粉尘浓度的严重超标，时刻威胁着井下职工的身心健康和矿井的安全生产。实际防尘中根据粒径大小，可分为：粗尘：粒径大于40m，相当于一般筛分的最小粒径，在空气中易于沉降；细尘：粒径1040m，在明亮光线下肉眼可看见；微尘：粒径0.2510m，用光学显微镜可观察到；超微尘：粒径小于0.25m，用电子显微镜才可观察到。一般将d5m的粉尘称为呼吸性粉尘，可随呼吸进入并沉积在肺部，对肺部危害最大，是防尘的主要对象。粉尘对井下生产作业人员
39、的健康和安全、设备的正常运作造成严重危害，越来越受到重视。粉尘对矿井的安全高效生产所带来的诸多不良影响，主要表现在以下几个方面：（1）煤尘爆炸在矿井的实际生产过程中，煤尘浓度如果达到界限便会发生，但这种情况并不多见，而斜巷跑车、违章爆破局部火灾以及瓦斯等引起的煤尘事故却屡屡发生。煤尘既能把小规模瓦斯转变成煤尘与瓦斯混合的大，在完全没有瓦斯存在的情况下，也可以单独发生10。近几年我国接连发生的几起煤尘事故，敲响了我国煤矿安全生产的警钟。2005年11月27日21时，黑龙江龙煤矿业集团七台河分公司东风煤矿发生的导致171人遇难、伤48人的特大煤尘事故，经调查，事故的直接原因是爆破人员使用非专用炸药
40、，违章作业处理煤仓堵塞，导致煤尘飞扬达到浓度界限，爆破火焰引起的煤尘；2006年2月23日18时，山东枣矿集团联创公司（原陶庄煤矿）发生一起特大煤尘事故，造成在现场施工的27人中，15人死亡，12人受伤；2006年10月28日2时，新疆兵团农六师兴亚公司第一煤矿井下发生煤尘，当班井下作业人员14人遇难；2007年4月16日19时，河南平顶山市宝丰县王庄煤矿井下发生煤尘事故，井下被困31人，抢救时又发生二次11。煤尘事故伤亡严重，影响煤矿正常的生产运营，因此，为保证煤矿的安全生产，必须采取有效合理的降尘措施，防治煤矿井下尤其是工作面的粉尘发生煤尘事故。（2）设备磨损混入的粉尘易使某些精密仪表和微
41、电机等产生磨损11，减少其使用寿命。例如由于大型通风机的叶轮转速很高，风速达到每秒几十米，因此，风流中的粉尘会严重磨损叶片，我们需要过滤净化进入风流。（3）引发尘肺病尘肺病是作业工人长期大量地吸入作业环境中的浮尘而引起的肺部组织纤维性病变的总称12。在目前煤矿中，尘肺病是危害最大的一种职业病，若一旦患上此病，以现在的医疗水平，很难彻底治愈；又因此病发病缓慢，不像煤尘等突发性事故那样一旦发生，便伤害惨重，因此往往易被人们忽视。当前，职业病的防治形势依然十分严峻，突出问题在于：粉尘的治理工作缺乏科学、系统的指导，防尘技术的应用效果欠佳；尘肺病的发病率仍居高不下，并且近年仍有上升趋势；其伤残率高，难
42、治愈的特点对劳动者的健康安全损害及其严重；群发性的职业病事件时有发生。中国占了全世界尘肺病患者的一半，而中国的煤矿工人又占了中国尘肺病患者的一半。中国每年死于此病的患者，比矿难和其他工伤事故的3倍还多。专家预计未来10至15年，我国的尘肺病发病总数仍将呈继续上升趋势13-15。尘肺病具有迟发性、隐匿性的特点，潜伏期一般长达数年甚至数十年，因此其危害往往被忽视16。另外由于我国没有严格按照预定的规划，通过搞好尘肺病的防治工作来减少或消灭尘肺，致使我国目前的尘肺病发病率高居职业病榜首，且处于严重发展的趋势17-18。而且很多的尘肺病患者正处于人生的青壮年时期，由于患病，其劳动能力大大降低或丧失，给
43、社会生产力带来了损失，也间接给整个社会造成了极大的经济损失，负面影响相当长远19-20。（4）影响煤炭企业经济在煤矿企业中，发生一起事故，则需要支付大笔的抢救费、医疗费、子女养育费和抚恤费等。而发生瓦斯煤尘事故，除需支付上述费用外，还需支付设备和工程设施破坏所造成的损失，以及其它各种直接和间接损失。据资料分析21-24，发生事故每死亡1人，造成的直接和间接损失平均水平大约在30万元或以上；而1位尘肺病患者一年所造成的经济损失就有近万元。若按此数据进行估算，则全国煤矿由于职业病和事故造成的经济损失一年就将近40亿元，相当于10左右的国有重点煤矿的一年煤炭销售收入，因此，粉尘问题严重制约着我国煤矿
44、经济效益的提高。总之，随着我国煤炭产量迅速增长，伴随着的粉尘产生量也越来越大，煤矿井下生产现场的高浓度粉尘，轻则降低矿工的劳动生产率，影响矿井的产量和效益，重则导致矿工患尘肺病长期不能治愈而死亡，或导致粉尘，甚至引发瓦斯事故，造成重大人员伤亡和经济损失，因此，粉尘综合治理工作显得越来越重要。传统的湿式除尘方法虽经济简便，但由于大多数矿岩粉尘有一定疏水性，水的表面张力较大，蒸发速度又快，很多粉尘不易被水迅速、完全地湿润和捕捉，尤其对飘浮在空气中的呼吸性粉尘捕捉率更低；同时传统方法耗水量大，对巷道底板维护不利，也会导致煤质、发热量等发生变化，影响企业经济效益。因此，研究煤矿粉尘防治新理论与新技术对
45、于保障煤矿企业的安全生产、改善作业地点的工作环境、保护煤矿工人的身心健康具有重大的现实意义。1.2 国内外研究现状（Current Situation of the Research at Home and Abroad）1.2.1 常用矿尘防治技术的发展与研究现状随着煤矿综采、综掘、高产高效工作面的发展，煤矿井下的粉尘产生量也显著增加，这不仅增大了引起煤尘的危险性，而且严重危害作业人员的健康。目前国内外煤矿广泛采用的粉尘控制技术主要有煤层注水、通风除尘、喷雾降尘、利用除尘器除尘及其它新兴除尘技术等25。（1）煤层注水26,27早在1890年，德国人迈斯尔提出了煤层注水技术并在萨尔煤田进行了试验，20世纪4050年代，世界各国开始广泛试验和应用。我国在20世纪5060年代开展了煤层注水防尘、湿式凿岩打眼等防尘技术的试验研究工作，在上世纪70、80年代以后以注水为主的综合防尘技术得到了广泛应用。目前在煤层注水防尘方面，研究出厚煤层动压注水、深孔煤层动压注水、坚硬煤层动压脉冲注水和煤层静压注水等煤层注水成套技术。煤层注水预湿煤层是采煤工作面最基本、最有效的防尘措施。（2）通风除尘通风
