煤矿井下掘进工作面干式过滤除尘实验教学系统建设

周福宝， 李世航， 杨永良

（中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）

0 引 言

煤矿粉尘是矿井五大灾害之一，在煤炭生产过程中，绝大部分作业工序均可产生粉尘。近年来，随着煤矿集约化生产强度和机械化程度的不断提高，煤矿采掘工作面的粉尘产生量急剧上升［1-2］。调查显示，中国大部分煤矿的采掘工作面现场粉尘浓度为200 ～400 mg／m3，严重时可达1 ～2 g／m3，远远超过国家对煤矿粉尘的要求标准。呼吸性粉尘对工人健康有极大的危害，作业人员长期吸入呼吸性粉尘，可引起肺部病变，造成尘肺病［3］。卫计委公布2018 年数据［4］显示，截至2018 年底，我国累计上报职业病约97.5 万例，其中职业性尘肺病87.3 万例，约占上报职业病患者总数的90%。煤炭行业每年因尘肺病死亡病例已超过生产安全事故死亡人数的2 倍，造成直接经济损失达80亿元。煤矿尘肺病的发病率极高，给煤矿工人及其家庭带来了极大的痛苦。对于尘肺病，以目前的医学水平只可以缓解，无法治愈，长时间患病会使患者丧失劳动能力［5］。此外，粉尘局部聚集还容易导致粉尘爆炸事故的发生，在国有重点煤矿中，87.37%的煤矿粉尘具有爆炸危险性，爆炸可致使大量人员伤亡，造成极其严重的社会影响。

目前煤矿掘进工作面常用的降尘措施主要有喷雾降尘、湿式除尘器、通风除尘、泡沫除尘等，但都存在一定的不足与缺陷。水喷雾和湿式除尘器虽然耗费成本低，但仅能除去大颗粒的粉尘，对粒径较小的呼吸性粉尘的处理效率比较低，且耗水量大，会对环境造成二次污染［6-7］。通风除尘只能将巷道内的粉尘吹散，逸散粉尘随风流向巷道后方扩散，会对整个巷道造成污染［8-9］。泡沫技术可以有效抑制呼吸性粉尘，但覆盖在产尘源上的泡沫会遮挡工作人员的视线，发泡剂的高成本也严重限制了其大规模应用［10-11］。传统的除尘技术并不能有效地解决煤矿掘进工作面的粉尘污染问题。

干式过滤除尘技术因其过滤效率高、零耗水、无二次污染等特点，近年来得到了较多的关注［12］。净化风量、相对湿度、粉尘的物化特性、清灰参数等因素均会影响干式过滤除尘技术的应用效果，这些因素相互制约，形成了较为复杂的作用体系，相关技术人员特别是学生难以快速准确的了解其作用机理。因此，有必要研发煤矿井下掘进工作面干式过滤除尘实验教学系统，模拟煤矿掘进工作面产尘以及干式过滤除尘系统运行，直观展示各影响因素对干式过滤除尘技术应用效果的影响，可有效提高毕业生及相关技术人员在后期工作中对煤矿井下掘进工作面干式过滤除尘技术的了解程度，推动掘进工作面的粉尘防治工作。

1 矿用干式过滤除尘原理及影响因素

1.1 工作原理

图1 除尘器结构示意图

干式过滤除尘器结构示意图如图1 所示。根据各部分结构与功能，除尘器内部一般划分为过滤室、洁净室与积灰室，除尘器箱体内以花板为界，花板下部为过滤室，上部为洁净室，除尘器底部落灰区域为积灰室。

除尘器工作时，含尘气流通过进风口进入过滤室，由于风流断面突然扩大导致流速降低，一部分粒径较大的粉尘在重力的作用下发生自由沉降，剩余粒径较小的粉尘受惯性、碰撞、扩散、拦截、筛滤、静电吸引等作用的影响被吸附至滤筒表面形成粉尘层，过滤后的气体进入洁净室经由抽出式风机排出。

随着过滤的进行，沉积在滤筒表面的粉尘层厚度不断增加，除尘器过滤阻力也随之增加，当其阻力值达到某一规定值时，需要进行喷吹清灰操作。由脉冲控制仪控制脉冲阀的开启，气包内的压缩空气通过喷吹管、喷嘴向滤筒内部喷射高速气流，同时产生数倍于喷射气流的诱导气流一同进入滤筒内部，使滤筒内部出现瞬间正压，沉积在滤筒外壁的粉尘层脱落掉入灰斗内，以达到清灰的目的。

1.2 干式过滤除尘主要影响因素

影响干式过滤除尘效果的影响因素如图2 所示。

图2 影响干式过滤除尘效果的主要因素

（1）煤矿井下具体工况环境。由于煤的变质程度以及掘进工作面的作业方式不同，会产生具有不同粒径分布的粉尘颗粒，改变滤料表面沉积粉尘颗粒之间受力状态，形成不同的粉尘层沉积状态及堆积密度，从而对过滤阻力产生影响；工作面内外喷雾会改变含尘气流的相对湿度，湿度增加会增大粉尘颗粒之间的毛细力、粉尘与滤料之间的黏附力，增加清灰难度［13］；井下供风正压风筒和除尘器吸尘负压风筒之间的相对位置可以影响巷道内部风流流场分布，从而影响除尘器的集尘效率［14］。

（2）除尘器本体参数。除尘器的净化风量决定了设备对含尘气流的处理能力，净化风量越大则设备单位时间内处理含尘气流的能力越大；设备运行阻力是表征能耗大小的重要指标，与风机所耗功率成正比，运行阻力越小，除尘器能耗越小；除尘效率是指相同时间内捕集的粉尘量与进入设备内的粉尘量之比，影响最终的排放浓度，是除尘器的重要技术指标之一；漏风率表征了除尘器结构密封性，是指设备运行条件下漏风量与进风量的百分比［15］。

（3）清灰系统参数。除尘器清灰系统中气包压力、脉冲时间、脉冲宽度、清灰策略、喷嘴直径、喷吹高度等因素均会影响除尘器脉冲清灰效果［16-17］，从而影响除尘器整体性能。

2 干式过滤除尘实验教学系统功能

如图3 所示，干式过滤除尘实验教学系统主要包括模拟现实巷道子系统、除尘器本体以及脉冲清灰子系统。

图3 干式过滤除尘实验教学系统图

（1）除尘器本体测试子系统。主要包括除尘器壳体、滤筒、花板以及抽出式风机等。风机开启后，含尘气流经由负压风筒进入除尘器内部，粉尘被滤筒捕集，洁净空气由抽出式风机排出。该系统模拟了除尘器过滤以及阻力上升过程，可以对除尘器的净化风量、设备运行阻力、除尘效率、漏风率等参数进行测试。

（2）脉冲清灰测试子系统。该子系统主要由气包、脉冲控制仪、脉冲阀、喷吹管等组成，可以通过气包压力、脉冲时间、喷吹高度以及喷吹管类型等参数的正交组合对残余过滤阻力、过滤周期等参数进行测试，用来模拟脉冲喷吹清灰过程并进行清灰效果评定。

（3）模拟现实巷道测试子系统。该子系统主要由掘进机模型、转载机模型、皮带输送机模型、正压风筒、负压风筒、定量给粉机、超声波雾化器等组成，可以通过调整正压、负压风筒的位置，控制定量给粉机、超声波雾化器的启闭来模拟煤矿井下掘进工作面实际作业工况。

3 干式过滤除尘实验教学系统

由于除尘器内部为强负压环境，考虑到耐负压强度，选取厚度为4 mm 的Q235 钢板作为箱体材料；为了避免除尘器内部气体流速过高导致阻力增大，要保证滤筒之间有足够的间距，洁净室有足够的高度；出于安全性考虑，减小粉尘爆炸的危险性，在除尘器本体下部设置泄爆膜；在除尘器进出口位置布置压力测孔，利用皮托管测量进出口处的动压、静压；在除尘器入口处以及出口管道上布置粉尘测孔，利用粉尘传感器测量粉尘浓度。

为了模拟不同喷吹参数组合对于除尘器清灰效果的影响，设计活动式喷吹管以及花板的组合，便于调节喷吹管径和喷吹距离；通过调整PLC 可编程式脉冲控制仪参数设置，实现自主编程，灵活控制脉冲时间、脉冲间隔以及清灰顺序；在滤筒上、中、下共布置3 个静压传感器，测量滤筒内壁静压峰值，用来评定滤筒的清灰效果。

考虑到现场具体工况环境对干式过滤除尘性能存在重大影响，因此遵循几何相似、运动相似以及动力相似规则，求解相似准则数，建立模拟巷道；考虑到产尘源位置和粉尘浓度的影响，通过设置给粉机在不同位置释放不同粒径、不同浓度的粉尘，精准模拟现实工况环境中的粉尘源；为了模拟巷道中不同的空气湿度，在进风口处设计超声波雾化器及湿度计控制进风流湿度；改变正压风筒、负压风筒在巷道中的空间分布，测试风筒相对位置对巷道风流场改变以及捕尘效果的影响。

4 实验过程

（1）除尘器本体参数测量。开启抽出式风机，除尘系统正常工作后，利用除尘系统进出口管道预留测压孔，采用皮托管分别测量进、出口动压，同时测量进出口管道内径，计算得出除尘器进口风量Q1、出口风量Q2，再由Q ＝ （Q1＋Q2）／2 即可求得除尘器净化风量，由φ ＝［（Q1-Q2）／Q］×100%即可得出除尘器漏风率；采用皮托管分别测量除尘器进口全压p1以及出口全压p2，利用公式Δp ＝p1-p2即可得设备运行阻力；利用粉尘浓度传感器测量除尘器入口气流含尘浓度c1以及出口处含尘浓度c2，由η ＝ （1 - c2／c1）×100%即可计算除尘效率。

（2）清灰系统参数测量。水平安装喷吹管，使喷吹孔与滤筒的中心线重合，根据表1 中预设的参数变化调整不同的喷吹直径及喷吹距离。打开空气压缩机，调节不同的气包压力。连接电磁脉冲阀与脉冲控制仪，通过脉冲控制仪调整脉冲时间、脉冲宽度、清灰策略等参数。连接静压传感器、电荷放大器、信息采集卡，打开高级测试应用程序（VC）软件，完成采集设置后，触发采集命令，利用脉冲控制仪控制高压气体喷吹，数据采集后读取滤筒侧壁各测点压力数值，记录实验结果，利用滤筒侧壁静压峰值来评定除尘系统清灰性能的优劣。

表1 干式过滤除尘系统模拟实验相关参数

（3）模拟巷道除尘参数测量。打开给粉机，向其中添加不同粒径的粉尘，使其与风流混合形成含尘气流。开启除尘系统、进风口前端的超声波雾化器，调整超声波雾化器挡位大小控制含尘气流的湿度；改变正压风筒、负压风筒的位置，通过测试除尘器进口粉尘浓度以及除尘效率来分析上述各参数对于干式过滤除尘效果的影响。模拟实验相关测试参数如表1 所示。

5 结 语

粉尘是煤矿井下主要灾害之一，极易对作业人员职业健康造成损害。干式过滤除尘技术作为目前高效的粉尘治理手段之一，在煤矿领域逐渐推广应用，然而由于煤矿井下特殊的作业环境以及多种影响因素的相互制约关系，无法对煤矿井下掘进工作面干式过滤除尘技术进行现场实验及演示。为进一步探究各影响因素综合作用规律，直观展示干式过滤除尘设备作业流程，提高安全工程和职业健康工程专业毕业生对矿用干式过滤除尘技术的认识，服务于本科教学及相关科研，设计并研发了煤矿井下掘进工作面干式过滤除尘实验教学系统。利用该模拟实验系统为本科生进行了多次演示实验，充分提高了学生对干式过滤降尘技术的认知水平。