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掘锚工作面高效湿式除尘器结构优化设计

2024-09-02 20 上传者：管理员

摘要：针对掘锚工作面使用原掘锚机自带液动除尘器降尘效果差的问题，从掘锚工作面实际供风与除尘器风量关系、有无控风等方面分析了降尘效果不理想的原因，重新设计了一种高效湿式除尘器。通过增大除尘风机风量、优化设计除尘器的内部结构和外形尺寸、结合现场控风、喷雾等综合措施以达到改善作业现场环境的目的。现场测试结果表明，改进后的湿式除尘器总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为96.55%和91.01%，满足现场使用要求。

关键词：
湿式除尘器
现场试验
粉尘浓度
降尘效率
除尘风机
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随着快速掘进设备在煤矿巷道掘进中应用，提高了掘进成巷效率，同时也加重了掘进工作面的粉尘污染，严重危害作业人员的身体健康。为降低掘进工作面粉尘浓度，煤矿井下采取了一系列降尘措施，其中除尘器抽尘净化作为常见的降尘措施，在合理配合风量比和分风控尘的基础上，工作面可以取得较好的降尘效果。掘锚一体机（简称掘锚机）自带的除尘器抽尘净化作业时有一定的除尘效果，但因除尘风机抽风量与现场供风风量不匹配、供风风筒无控风，导致现场实际降尘效果不理想，工作面局部位置总粉尘浓度甚至可达到1 000 mg/m3以上。

本文针对内蒙古某矿5103胶运顺掘锚面原设备自带除尘器降尘效果不佳问题，通过选定风机型号，根据掘锚面除尘器安放位置设计除尘器外形、优化内部结构，以替代掘锚机上自带的除尘器，结合长压短抽控风除尘技术，改善掘锚面作业环境。

1、掘锚面除尘器适用条件分析

5103胶运顺槽掘锚工作面使用山特维克MB670型掘锚机截割，配套行走式破碎、装载连续运输装备，之后连接带式输送机。工作面实际供风风量约为500 m3/min，掘锚机自带的液动机载除尘器风量为250 m3/min，抽压比为1∶2，除尘器抽风风量偏小，工作面降尘效果不佳。需要更换除尘器，加大抽风量，使抽压比在0.8～1.1。根据井下现场情况调研，除尘器的位置是在掘锚机机身上，因掘锚机机身可供放置空间有限，除尘风机风量增大，则相对应的体积也会增大，因此需要缩小除尘系统整体外形尺寸、优化内部结构，使除尘器满足现场空间布置要求和工作面降尘需要。

除尘风机是掘进工作面长压短抽通风控除尘工艺技术的核心装备，除尘风机的除尘效率与结构形式直接决定长压短抽通风除尘系统的降尘效果和现场适应性。本文通过设计最佳的喷雾系统、过滤系统、脱水系统降低除尘器自身运行阻力，使除尘风机的性能在限定的外形结构、尺寸条件下发挥到最优效果，在此基础上选取合适风量的风机，开展降噪设计，并进行现场试验。

2、除尘器内部结构优化及试验

(1）喷雾系统优化

在湿式除尘器中，喷雾系统的主要作用是喷雾捕尘（含水雾冲击到过滤网形成的混合捕尘区捕尘）和冲刷滤网。在水雾撞击到过滤网形成混合捕尘区之前，是依靠水雾对空气中粉尘的惯性碰撞、截留、静电力、扩散等多种机理的综合应用实现喷雾降尘。因此喷嘴的选型与布置对喷雾系统降尘效果起主要作用，根据除尘器过滤网的面积、喷雾装置（喷嘴）与过滤网的间距，选用大角度、短射程、抗风能力强的实心螺旋喷嘴和实心锥形喷嘴，以顺风喷雾的布置方式对过滤网进行全覆盖喷雾测试。喷嘴的测试参数如表1所示，布置方式如图1所示。

表1喷嘴的主要技术参数

图1除尘器喷嘴布置方式

(2）过滤系统优化

在湿式除尘器中，过滤单元对呼吸性粉尘的捕集效率直接影响着除尘器的除尘效率，影响除尘器过滤单元的主要因素有过滤组合网的孔径、层数，过滤网的材质、结构等。国内常用的过滤单元为不锈钢过滤网，其对大颗粒粉尘的拦截阻挡效果较好，但是对呼吸性粉尘的除尘效率不高；国外的丝网过滤技术对呼吸性粉尘等微小颗粒的过滤效果更好。

同时为了提高除尘效率，选取FBCD-NO.7.1/2×30型抽出式对旋轴流通风机替代原有风机。除尘器抽出风量为225 m3/min，采用顺喷喷雾，按照MT 159标准中的总除尘效率及呼吸性粉尘测试方法试验不同类型的过滤单元，对前后端采样滤膜样本进行称重及粒度分析，计算总粉尘和呼吸性粉尘的除尘效率。试验结果如表2所示。

表2过滤单元除尘效率对比试验

由表2可知，丝网过滤单元呼吸性粉尘除尘效率要高于过滤网，但是阻力较大；而丝网与单层过滤网的组合过滤单元不仅除尘效率较高，并且大大减小了过滤单元的厚度从而减小了其阻力。减薄丝网厚度至30 mm并在前端安装单层60目过滤网时，试验系统阻力比采用50 mm厚度丝网的阻力增加值小，且除尘效率损失较少，满足设计要求。因此过滤单元选用30 mm厚度丝网与60目不锈钢过滤网组合的结构。参照经验，过滤网以一定角度斜放安装可增大其有效面积。

(3）脱水系统优化

湿式除尘器中脱水段的脱水效率直接影响净化空气的含水量。旋流脱水是湿式除尘器中常用的脱水结构，但是采用旋流脱水技术导致结构外形较长，从而增加除尘器的整体外形尺寸，难以满足掘锚面现场使用需求。波纹板脱水具有结构紧凑、体积较小的特点，但需要对一些关键性能参数进行研究，从而保证其脱水效率。

为了获得优化的波纹板结构参数，主要包括波纹板密度和波纹板曲率，利用试验平台，通过研究不同波纹板密度、波纹板曲率与脱水效率之间的关系，从而为脱水结构的设计提供依据。

通过试验测试，波纹板间距为20 mm时除雾效率较高，除雾效率随着叶片间距的增大而降低。这是因为叶片间距的增大使得介质在通道中的流通面积变大，气流的速度方向变化趋于平缓，颗粒对气流的跟随性变好，气流流出叶片通道时不易被捕集，从而使除雾效率降低。但波纹板间距过小会导致压降升高。

波纹板弯折角度是影响除雾效率的另一个重要因素，普遍选用的弯折角度为90°或120°。弯折角度为120°时除尘效率较高，但弯折角度越大除雾器的厚度越厚，从而导致压降升高。

除波纹板的间距、弯折角，波纹板弯折个数越多除雾效率越高，但是弯折个数的增加会导致除雾器厚度增加，从而升高压降。

在试验平台上对结构为3道弯折、不带倒刺且间距为20 mm的波纹板进行测试。试验过程中，将除尘器过滤单元去掉，单独测试波纹板，并观察波纹板脱水情况。经过测试波纹板风速高于5.5 m/s或低于2.8 m/s时脱水情况变差，因此波纹板的临界风速为5.5 m/s和2.8 m/s，此时波纹板的阻力分别为210 Pa和70 Pa。

通过上述理论及试验研究分析，波纹板设计为流线形不带倒钩的结构，且根据波纹板最大临界风速（5.5 m/s）设计波纹板最小的过风面积，此时波纹板脱水具有较高的脱水效率和较小的阻力。在试验平台中安装过滤网，并进行喷雾。此时测试波纹板在最高临界风速下的脱水效率为98.5%，满足设计要求。

将该波纹板安装于除尘器的脱水段，通过试验对比2种脱水结构的性能参数，如表3所示。

表3 2种脱水结构性能对比

由表3可知，使用波纹板脱水结构可以有效提高湿式除尘器的脱水效率，并减小了除尘器整体长度、质量和阻力，更能适应井下条件。

3、除尘器设计改造

(1）配套风机的选型在保证除尘风机额定风量和处理能力的前提下，尽最大限度缩小除尘风机的整体体积，以提高对现场的适应性，配套除尘风机选用轴流式单级双叶轮风机，电机电压等级与掘锚机电压等级相同（1 140 V），便于现场连接电源并与掘锚机实现联动控制。结合除尘系统设计风量及抽尘风道的阻力损失，选用额定风量为450 m3/min、功率45 kW的风机。

(2）噪声的处理由于除尘风机处理风量较大，轴流式风机在运行时由于风流的高速运动产生较大的噪声。经试验测试，能量最大的区间是800 Hz和1 600 Hz为中心频率的1/3倍频程区内。根据噪声频率区间，选取重量轻、防水的复合玻璃纤维消音棉为降噪材料，消音结构与风机出风侧导风段设计为一体。为提高降噪效果，并且不明显增加风机阻力，在导风消音段内部设置平行于风流方向的纵隔板。进行消音降噪处理后，除尘风机的运行噪声为83～85 dB(A）。

(3）湿式过滤除尘器外形设计改造掘锚机机载矿用湿式过滤除尘器通过配套风机和过滤网捕捉粉尘，再结合高效波纹板脱水，达到高效除尘的效果。除尘器主要由前喷雾段、配套风机、除尘脱水段三部分组成，其尾部出风段可以根据现场需要设计为向巷道顶部或巷道后部出风的形式。

4、应用效果分析

轻质柔性附壁风筒位于供风风筒前端位置，通过调节径向出风口数量、调节绳改变轴径向出风口面积，达到调节风量大小的目的，现场应用时仅开启靠巷道中部的2个侧面出风口。

拆除原掘锚机除尘器，包括风道口、过滤除尘段、液动风机、托架等，只保留最前端橡胶风筒，利用掘锚机护盾为支撑架，结合护盾之间的空间位置，将新设计的矿用湿式过滤除尘器整体嵌入掘锚机两护盾之间，利用掘锚机原有的抽尘风道及吸尘口，将除尘器进风口与掘锚机橡胶抽尘风道连接，形成通风除尘系统。除尘器的电源取自掘锚机的截割滚筒电源，供水取自掘锚机截割电机冷却水。

在掘锚机正常截割作业时，开启除尘器并采用附壁风筒控尘、掘锚机挡尘帘隔尘喷雾措施，同时开启掘锚机截割滚筒喷雾、掘锚机溜槽喷雾，测试掘锚机截割作业时司机位置及除尘器的降尘效率，测试结果如表4所示。

表4井下现场除尘效率测试

由表4可知，除尘器在井下试验过程中，总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为96.55%和91.01%，略低于实验室测试值99.01%和92.5%。在采用综合降尘措施后，司机处总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为91.50%和80.32%，有效改善了现场作业环境。

5、结语

(1）分析了5103胶运顺槽掘锚工作面使用原除尘器降尘效果不佳的原因，根据掘锚工作面现有条件，提出了通过优化除尘器内部系统来解决除尘器外形结构变化带来的影响；

(2）通过选用实心螺旋喷嘴优化喷雾系统，实现对过滤网进行全覆盖喷雾；通过30 mm厚度丝网与60目不锈钢过滤网组合的结构优化过滤系统，使除尘器总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率保持在92%以上；通过波纹板脱水结构提升湿式除尘器的脱水效率至98.5%，并减小了除尘器整体长度、质量和阻力；

(3）通过重新设计湿式除尘器外形结构并优化内部结构，有效利用了掘锚机原有的除尘设备布置空间。经过井下掘锚面现场试验，优化的湿式除尘器总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为96.55%和91.01%。该湿式过滤除尘器满足现场使用要求，达到了预期效果。

参考文献:

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文章来源:许洋铭.掘锚工作面高效湿式除尘器结构优化设计[J].煤矿机械,2024,45(09):121-124.

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