风动式射流风幕除尘风机的设计研究

2014-10-15曹毅杰

制造业自动化 2014年19期

曹毅杰

（赤峰工业职业技术学院，赤峰 024005）

0 引言

煤矿采掘机械化实现了煤矿作业的高产高效，同时煤矿井下综采工作面等的产尘量也随之增加，特别是呼吸性粉尘的增加加重了井下工作的危害。除尘设备着眼于从粉尘产生的根源处对粉尘进行控制，是粉尘污染防治根本、简单、经济的措施。现有除尘风机由于设计及使用等方面的原因，还不能对粉尘的扩散进行有效地控制，而且对呼吸性粉尘的降尘率也较差，难以有效地改善综采工作面的工作环境。

针对某煤矿综采工作面的实际应用需求，设计制作了一套风动式射流风幕除尘风机。基于理论分析和试验研究对风机的射流风幕集尘罩进行了整体设计与参数设计；通过试验对常用的除尘技术进行对比，确定选用泡沫振动纤维栅除尘作为所设计风动的除尘器；除尘风机以风动风机为动力源，通过试验对设计的风动风机性能指标进行了测试。现场多次试验测试结果表明设计的风动式射流风幕除尘机能够达到很好的除尘效果。

1 射流风幕集尘罩设计

射流风幕集尘罩就是在机械集尘罩的边缘固定射流管，然后在射流管上钻出一定数量的射流孔，工作时压缩空气由进气口进入射流管再经射流孔射出，形成空气射流，进而由于射流的扩散作用使射流（部分）封闭相邻射流间的缝隙，从而形成封闭性较好的隐形风幕。

1.1 射流风幕集尘罩控尘

射流风幕集尘罩通过两两射流孔射流的叠加效果而实现控尘。当集尘罩射流管多个射流孔同时喷射高压气流而形成多股平行射流时，射流会在射流前方一定距离出现干涉增强，进而形成一个近乎密闭的射流锥面，防止射流锥体空间内的含尘空气向锥体外扩散。同时要使射流风幕集尘罩将气幕控制范围内含尘气流控制在幕内而不外溢，还需要满足如下两个条件：1) 产生射流风幕的气流流场总动量应不小于幕内含尘气流流场的总动量；2) 射流流场水平方向的速度分量应不小于巷道水平反向含尘气流的速度。满足上述控尘基本条件情况后，除尘风机动力系统产生负压，将射流风幕内的含尘气流吸入除尘器，实现空气除尘。

通过合理的设计射流孔的个数、直径及孔间间距等参数，便可在机械集尘罩前方5～10倍集尘罩直径的地方形成一个控制粉尘源外逸的无形空气幕，将尽可能多的含尘气流吸入除尘器处理掉，而又不影响工人的视线和作业空间。

1.2 射流风幕集尘罩设计

集尘罩的功能是汇集含尘气体，然后通过管道将所吸入的含尘气体送入除尘器内进行净化除尘。综采工作面滚筒割煤速度较快，所产生的粉尘比较分散，而煤矿现场尘源可视为直径500mm的圆形尘源，故采用圆形伞式集尘罩。集尘罩连同除尘风机一起安装在掘进机上靠近摇臂末端的位置，取尘源至罩口的距离为2.5m，结合《除尘技术手册》可得集尘罩控制直径为1.75m。掘进机破碎割煤时粉尘以较高速度放散出来，为使距罩口最远点上的污染物能随气流进入罩内，根据经验射流风幕集尘罩的控制风速应大于2.5～10m/s。综采工作面空间狭小，且巷道内机械设备难于搬运，故而选用耐腐蚀、重量轻、易于安装维修的薄钢板作为集尘罩的制作材料。集尘罩最终的形状表现为大圆直径600mm、小圆直径400mm、罩高150mm、吸风量270m3/min 的薄钢板圆形伞形集尘罩。

上述伞形集尘罩大圆边缘焊接一个环形圆管，在管上开射流孔形成射流风幕集尘罩，然后通过试验对集尘罩射流环管上射流孔参数进行优化设计。预先在射流管上钻不同直径、不同间距的射流孔，然后将射流管一端封闭，另一端通入高压压缩空气，逐次对某一直径、某一间距的两个射流孔进行试验（其余射流孔全部封闭），测出相应的射流出口风速、射流扩散角和控制距离等参数，然后结合经验选取最优的参数设计值。进行试验后折中考虑射流距离和射流出口速度两个参数，将射流孔直径设计为3mm，相邻射流孔之间的间距设计为25mm，同时根据现场实际情况取环形管直径为25mm、射流压为0.4MPa～0.6MPa。

射流风幕集尘罩的控尘效果可以用其密封效果和最大控制断面两个参数来表征，通过控尘试验对所设计的射流风幕集尘罩的控尘效果进行测试。正常工作压力0.4MPa～0.6MPa下试验测试数据表明在射流孔直径一定的情况下，随射流进气压力的增加，隔尘效率都大于85%，射流风幕集尘罩的最大控制断面直径逐渐增大；同时经计算可得漏气率在5%～15%之间，射流风幕集尘罩能够密封住绝大部分含尘气流。

2 除尘器除尘方法设计

井下综采工作面现场常用的除尘方法包括湿式过滤层除尘、湿式金属网格栅除尘、湿式振动纤维栅除尘及泡沫振动纤维栅除尘。通过试验对比的各种除尘方法的除尘效率、风阻及处理风量等参数，确定适合风动射流风幕除尘风机的除尘器的除尘方法。

依据国标GB482-95与GB481-93的要求，取煤矿煤样经对辊破碎机XPC-200×75进行破碎，然后通过球磨机得到煤样，再让煤样通过XSB-88顶出式振筛机，得到与煤矿现场试验相近粒径分布的试验粉尘。试验时将皮托管接到U 型压差计的两端，通过压差计测量流速产生的动压，进而可根据公式计算出处理风量；以入口速度为基准进行除尘器阻力系数的计算；除尘效率通过质量法进行测定。

整个测试装置（如图1所示）由发尘器、风管、风机、除尘器、风速测定仪、阻力测定系统及粉尘浓度测定仪组成。粉尘发尘器的发尘量为0.5～12g/min，室内空气干、湿球温度和相对湿度采用干湿球温度计进行测定，空气压力采用大气压力计加以测定，粉尘采样仪选用FC-4，滤膜称重选用FG328A(S)分析天平。制备待比较的各湿式除尘器系统，进行试验。

图1 除尘实验装置原理图

试验结果表明：1) 湿式过滤层的全尘与呼吸性粉尘除尘效率均较高，但系统阻力较大，过滤层过段时间必须及时清洗更换；2) 湿式金属网格栅的全尘除尘效率较高，但呼吸性粉尘除尘效率较低，且金属网格栅金属丝的交叉点部分容易积聚粉尘造成堵孔，必须及时清洗更换以减小除尘系统阻力；3) 湿式振弦栅的全尘和呼吸性粉尘除尘效率基本达到了矿用除尘器的要求，但由于其受过滤风速影响，处理风量小；4) 泡沫振动纤维栅兼具了振动纤维栅和泡沫除尘的优点，除尘效率能达到93%以上，系统阻力小，且除尘效率基本不受风速的影响。因此选用泡沫振动纤维栅作为风动式射流风幕除尘风机的除尘方法。

3 风动式风机设计

煤矿井下掘进工作面动力除常用的电力外，还有液压动力和风动动力（压缩空气动力）。液压动力较大且比较稳定，但需要配备液压油回路系统，系统比较复杂；而风动动力只需一条进风管路，动力较好，还可以根据要处理的污风量调节供风量实现无极调速，其缺点是噪音相对较大，但可以通过噪音控制将噪音控制在允许标准以下。

风动风机马达选择气动马达，变载荷的场合使用时应注意考虑的因素是速度范围及力矩，而在均衡载荷下使用时其工作速度则是最重要的因素。通风机叶轮选用玻璃钢叶轮以避免由于通风机外壳变形或马达的偏心旋转造成叶轮与通风机外壳的摩擦产生火花造成不安全因素，叶轮叶片角度取35o，叶片数设计为6个，而叶片直径则为560mm。风机外壳材料也采用3mm厚的低碳钢薄板，即将两张规格为914mm×600mm的薄板经折弯机折成180°半圆弧，然后将两个半圆弧焊接即为风动风机的外壳。进行风机组装时，将马达置于风机外壳内中心位置，用角钢将气动马达初步固定在风机外壳正中心，布置好气动马达进气管和排气管位置，将玻璃钢叶轮安装在气动马达上，旋转叶轮观察叶轮与风机外壳之间的空隙，确保风机叶轮与风机外壳无摩擦碰撞。最后将气动马达固定牢固。

风动风机经测试动力性能满足实际需求，但存在较大噪声。参照GB2888-82进行了噪声测试，射流风幕射流过程产生的噪声和风动马达工作时产生的噪声分别为60dB和85dB，而其它的噪声源声级在20dB以下。通过优化射流喷口的形状、大小及圆滑度，在风动马达进气口安装稳流器，在马达的两个排气口安装消音器，在除尘风机内壁上安装吸音材料，成功地将除尘风机的整机噪声控制在了80dB以下，达到了国家标准的要求。

4 现场应用分析

将设计的风动式射流风幕除尘风机除尘器和风动风机安装于掘进机机身中央的转载机上（如图2所示），而将射流风幕集尘罩安装在掘进机摇臂上距切割头中心约2.5m处。射流风幕集尘罩和除尘器用可伸缩柔性骨架风筒连接，射流风幕集尘罩随掘进机摇臂方向的变化而变化，始终保持射流风幕集尘罩和主要产尘位置方向一致，保证射流风幕集尘罩将绝大部分含高浓度粉尘的气流控制并吸入除尘风机泡沫振动纤维栅除尘器，泡沫振动纤维栅除尘器中的泡沫由除尘器前端的压气式泡沫枪产生，在除尘风机的后方布置泡沫液箱，泡沫液由供液泵压入到泡沫枪在压气的作用下产生泡沫喷向振动纤维栅。整套风动式射流风幕除尘风机可随掘进机同步移动，避免频繁安装。

图2 综采工作面风动式射流风幕除尘风机布置图

掘进机工作时，风动式射流风幕除尘风机的吸尘风筒可迅速将切割产生的大量粉尘吸走，而使工作面端头无粉尘聚集，抽尘率可达80%～90%，极大的降低了粉尘浓度，改善了工作面的工作环境（如表1所示）。射流风幕的最大控制半径能达到2m，且密闭性较好，有地控制了集尘罩范围内的粉尘向罩外扩散。机载除尘系统噪声为80dB左右，且机载配套性好、安装维修简便。

5 结束语

以某矿的综采工作面为实际应用对象，通过理论分析和试验研究设计制作了一套风动式射流风幕除尘风机。研究了射流风幕集尘罩的设计，确定了射流风幕产生方式，并通过射流实验优化出了射流风幕集尘罩的射流参数。通过试验对常用的除尘技术进行对比，确定选用泡沫振动纤维栅除尘作为所设计风动的除尘器，并试制了除尘器样机。以风动风机为风动式射流风幕除尘风机的动力源，通过试验测试了风动风机的性能指标。现场所进行的多次试验结果表明所设计的风动式射流风幕除尘风机与现场的掘进机配套良好，对全尘和呼吸性粉尘都具有较高的除尘效率，有效地改善了井下工作面的工作环境。