铁矿尾矿库区粉尘污染源强研究

第30卷　第4期1998年12月西安建筑科技大学学报J.X i’an U niv.of A rch&T ech.V o l130　N o14D ec11998铁矿尾矿库区粉尘污染源强研究张鸿雁　王　元　陈祥芬(西安建筑科技大学环境工程系,西安,710055;第一作者女,37岁,讲师)摘　要　在矿山开发过程中,由于弃土、尾矿等废弃物的堆积,经受风吹日晒,会加重对大气的污染.本文就马钢公司南山铁矿尾矿库区的污染源强进行了风洞实验研究,给出了干尾矿粉尘的起动风速与粉尘粒径的关系和起尘量与风速的关系,同时指出尾矿沉积干滩表面不被破坏时,在一般风力作用下不会起尘.关键词　风洞实验;尾矿粉尘;大气污染;防治对策中图分类号　X16On pollution source i n ten sities of the iron ta il i ngsZ hang H ongy an　W ang Y uan　Chen X iangf en(D ep t.of Envir.Eng.,X i’an U n iv.of A rch.&T ech.,X i’an,710055)Abstract　T he dry tailings and spo il so il left beh ind by m ineral m in ing cou ld cau se mo re environm en t po llu2 ti on under the acti on s of w ind and sun in the m ine developm en t.In th is thesis the po llu ti on sou rce in ten sities of the N an shan dry tailings of M aan shan iron and Steel Company w as si m u lated in w ind tunnel.T he relati on betw een th resho ld velocities and grain2size,and rising tailings and w ind velocities w as given.A t the sam e ti m e the experi m en t resu lt show that the tailings grain cou ld no t arise w ithou t the su rface destructi on of the iron tailings.Key words　w ind2tunnel exp eri m en t,ta iling s,a ir p ollu tion,p reven tion and cu re本文对马钢公司南山铁矿尾矿库区内沉积尾矿砂在不同条件下的污染源强进行了风洞实验研究,它将对评价及防止和治理尾矿的污染提供重要的科学依据.1　实验设备及测试方法实验在西安建筑科技大学环境工程系流体力学实验室的双实验段大气边界风洞中进行.风洞实验段断面尺寸分别为110×110×910m3及16×014×510m3.风速采用皮托管、倾斜式及补偿式微压计测量.用S2GB—11型光电转速传感器—SXT P—10转速数字显示仪监控.起尘量测量采用T G328B光电分析天平,最大称重200g,精度为011m g.粉尘起动现象由显微观测装置观测.实验在风洞模拟的大气边界层中进行,风洞实验风速分布满足对数率:u u3=1kln zz0 其摩阻速度u3与风洞风机转速的关系为u3=01012274+01000599n.实验采用的缩尺比为1∶100. 2　粉尘样品的选取马钢公司南山铁矿尾矿库区中的尾矿是以泥浆方式堆存的,库内设有沉积干滩,滩面是由干燥尾矿收稿日期:1998209208形成的,尘样取自其中.211　尾矿粉尘的粒径分布将尾矿粉尘进行实验室筛分,得到其粒径分布如下:表1　尾矿粉尘筛分结果粒径范围 (Λm )<2020～4040～5050～6363～8080～100100～125125～160160～200200～250250～315315～400>400质量百分率 ◊0187632145481086719649100271804710871111926184311438712300101901009累积百分率 ◊01876331330411417491381581383661188731274841467911309921748991978991997100图1　尾矿粉尘的粒径分布 若以不同粒径的相对频率d Υ d (log d c )和对应的粉尘粒径d c绘制成曲线图(图1),我们可以看出,尾矿粉尘粒径符合对数正态分布,其对数相对频率的最高点出现在d c =50mm 左右,随着粒径的增大,其相对频率逐渐减小.212　尾矿尘样含水率的控制将尾矿粉尘制成泥浆,放入可拆卸的容器中,充分搅拦均匀后,静置令其自然沉淀.在此过程中,尾矿粉尘受重力和浮力的作用,粗大颗粒沉降较快,细小颗粒沉降较慢,凝成一整块,表面结壳且平坦光滑(或有细裂缝),与实际情况极为相似.然后吸走表层1～2mm 的水分,再让其自然蒸发,根据蒸发时间的不同,得到不同含水率的尘样,如经两天时间的自然蒸发其水分可控制在6◊左右;三天可控制在1◊～2◊……,时间越长含水率越低,且同一尘样的含水率相对误差可控制在3◊以内.最后将制备的尘样从容器中拆出,得到约7mm 厚,大小可控的一块尘样,将其置入风洞中,进行吹风实验.3　实验结果与分析311　起动风速与含水率的关系实验中取了四组制备好的不同含水率的尘样,依次放入风洞中进行吹风实验.通过风洞顶上的显微装置,观察风速对含水尘样作用,实验结果如表2所示.　表2　不同含水率尘样的吹风实验结果编号含水率 %摩阻风速 (m s )实验结果实验现象11145111048不动表面光滑,无粒子移动210131811028不动表面光滑,无粒子移动36150111025不动表面有细小裂缝,无粒子移动40159711021不动表面有细小裂缝,无粒子移动 从表2的实验结果可以看出,尘样的含水率无论是多少,只要保证尘样表面的结壳不被破坏,即使在最大实验风速下(u 3m ax =11048)也不会起尘.312　尾矿粉尘粒径与起动风速的关系虽然结壳不被破坏时,不同含水率的尘样均不会起尘,但经过长时间的日晒蒸发,表面裂缝后结壳破坏,底部粉尘逐渐变干,因此对干粉尘的起动风速研究,就显得非常有必要了.将筛分好的不同粒径的尾矿粉尘在烘箱中烘干,用筛子将尘样均匀地撒在风洞内的显微观察系统下方,厚度为2mm 左右,对每一粒径范围的尘样进行两次测试,得到其起动摩阻风速值(图2).由图2可知,尾矿粉尘的起动摩阻风速随粒径的增大而增加.但在d =125Λm 处(图上d 1 2=0135,u 3-d 1 2曲线出现折点.当d <125Λm 时,直线斜率较大,即随粒径的增大,起动风速增大的较快;当d >793第4期 张鸿雁等:铁矿尾矿库区粉尘污染源强研究 图2　尾矿粉尘的起动风速与粒径的关系 图3　吹风时间对起尘量的影响125Λm 时,直线斜率较小,即随粒径的增大,起动风速增大的较慢.313　混合尾矿粉尘的源强研究采用自然干燥状态混合尾矿粉尘进行实验(图3).由图3可以看出,吹风时间短,测得的起尘量偏大,吹风时间在12～15m in 以后,起尘量基本趋于图4　尾矿粉尘的起尘量与风速的关系稳定,因此我们选取吹风时间为12m in .首先测出混合尘样的起动风速,得到风洞风机转速值n =346r m in ,然后用高于起动风速值的风机转速进行吹风实验,选取风机转速分别为600、800、1000、1200、1400、1600r m in ,每种转速测试两个平行样,吹风时间为12m in .得到尾矿粉尘的起尘与摩阻风速的关系(图4).由图可以看出,当风速低于或等于起动摩阻风速时,尘样并不起尘(即起尘量等于零);当风速大于起动摩阻风速时,起尘量随着风速的增大而呈高次方增加.4　结　语(1)马钢铁矿尾矿粉尘多为细尘和极细尘.当尾矿泥浆沉积,水分蒸发后,沉积干滩表面细小粉尘凝聚而结壳.因此只要干滩表面不被破坏,无论尾矿粉尘的含水量多少,在最大实验风速下(u 3m ax =11048)也不会使其起尘.(2)经过长期的风吹日晒,干滩表面会被破坏(如裂缝),底部粉尘逐渐变干,在风力的作用下可能发生起尘.尾矿粉尘的起动摩阻风速与粒径的平方根成线性增加关系极细尘(d <125Λm )u 3=117173+497138d 1 2(mm s )细尘(125<d <250Λm )u 3=218151+210145d 1 2(mm s ) (3)尾矿粉尘的起尘量与摩阻风速的高次方成正比关系Q =015397u 51683　(g m 2s ) (4)为了防范尾矿粉尘不被风力吹扬造成环境污染,应对排出的尾矿采取一些可行的措施,如多管放矿,以保证干滩的湿润面积;在坎体外坡面复土植草,以达到防尘和固沙作用.总之不仅要对尾矿库采取科学的管理措施,更重要的是要用科学的方法实现其资源化、再利用化,达到解决污染源的目的.参考文献1　颜大椿1大气边界层模拟的湍流相似1力学进展,1996,16(4):473～4802　安维朴1大气边界层湍流扩散的实验模拟问题1力学学报,1988,20(1):10～183　王　元,张鸿雁1大气层表面层与风沙现象相似参数的研究1中国沙漠,1994,14(1):10～164　杨佐涛1齐大山铁矿尾矿矿砂对环境污染的风洞实验1中国沙漠,1992,12(2):53～575　拜格诺1风沙和荒漠沙丘物理学1北京:科学出版社,19596　吴　正1风沙地貌学1北京:科学出版社,1987893 西　安　建　筑　科　技　大　学　学　报 第30卷　。