长臂采煤机溢流床除尘器的设计和应用研究

李 超

（西山煤电屯兰矿综采二队， 山西 古交 030200）

引言

当前控制粉尘的方法包括通风气流进行稀释、喷水进行限制和隔离、喷水进行润湿和捕集以及淹没床除尘器进行润湿和捕集。在这些方法中，最理想的是淹没床除尘器进行润湿和捕集，它可以清除气流中的灰尘，而不仅是稀释或限制灰尘。具备有效去除可吸入粉尘能力的粉尘洗涤器，已连续多年成功应用于采矿机。但在长壁系统中应用粉尘洗涤器方法除尘并没有取得显著效果。尽管试验证明使用通风鼓、通风前罩、水力洗涤塔和水床洗涤塔等可有效除尘，但这些方法通常存在可靠性低、维护难和集尘能力方面的问题[1-4]。

本文针对长壁系统存在的除尘问题，建造了一个长壁采煤机的全尺寸模型，并配备了溢流床除尘器，用于收集闸门切割滚筒产生的粉尘。

1 长壁采煤机及溢流床除尘器模型创建

采煤机分为主体、前门驱动器、后门驱动器、前门测距臂、后门测距臂、前门鼓和后门鼓7 个部分。采煤机模型的每个部分均使用原始图纸中的尺寸分别开发，然后将这7 个零件组装在一起，以创建一个完整的采煤机模型。在采用设计之前，应考虑对洗涤塔进行多次迭代设计。最终设计添加2 个相对较短的模块：位于顶盖模块和主体之间的洗涤塔模块，以及位于主体和后盖模块之间的风扇模块。设计中还包括连接洗涤塔和风扇模块以及出口的外部入口和管道。选择这种集成设计的原因主要是因为高度和可见性限制，无法将洗涤器添加到采煤机的顶部。如图1 所示，采煤机清理器系统由一个分离臂组成，该分离臂从顶板模块的顶角（人行道侧）延伸到顶板鼓上方约0.46 m（18 英寸）。连接到分离器臂上的是1 块布在地面上的短绒布。分离臂还具有连接到其上的一系列面向面部的喷嘴。该系统的目的是通过将其朝着脸部引导并远离人员所在的人行道，从而将在顶盖附近产生的灰尘封闭。

图1 采煤机计算模型

图2 显示了溢流床除尘器的总体布置，包括编织网、除雾器和风机。捕获的含尘空气通过风扇产生的负压被吸入洗涤塔入口。充满尘土的空气撞击分层筛床，该筛床被全锥喷水润湿。当灰尘颗粒撞击湿筛网时，撞击力会导致大部分灰尘被包裹在润湿筛网的水滴中。然后，这种空气/脏水混合物流经除雾器，该除雾器由1 组平行且弯曲的PVC 板层组成。当脏水影响除雾器的褶皱时，它会掉到黑色的水槽中。最后，相对清洁的干燥空气通过洗涤器出口排出。

图2 溢流床除尘器的总体布置

连续矿机除尘器的典型风机功率为10～30 kW（13～40 hp），产生的气体流量为 1.65～4.72 m3/s（3 500～10 000 cfm），筛网由 10～30 层 89 μm 的编织钢网筛组成。通常在310 kPa（45 psi）的压力下以0.41 L/s（6.5 gpm）的速度喷水。常用捕获效率（其是洗涤器捕获的空气中灰尘的一部分）和清洁效率（其是从捕获的空气中去除的灰尘的百分比）两个运行特性来定义洗涤器性能。溢流床除尘器技术非常成熟，本文的工作范围不包括评估或提高除尘器的清洁效率，而集中在开发洗涤器系统上，该系统可有效地收集长壁采煤机顶板切割滚筒附近的灰尘[5-6]。因此，将连续采矿机洗涤塔网和除雾器与37.3 kW（50 hp）的离心风机结合使用。使用的洗涤器由20 层筛网组成，尺寸为64.1 cm×79.4 cm。除雾器由21 层组成，尺寸为62.2 cm×54.6 cm×31.8 cm。使用这种洗涤器和除雾器，风机可提供的最大气流为6.47 m3/s（13 700 cfm），如表1 所示。

表1 洗涤器组件

2 应用结果分析

使用12 个PDM 来监控长壁廊道表面各个位置的粉尘减少情况，并使用回风道中的4 个PDM 进行监测，确定这些点每个位置上的降尘量以验证软件模型。但分析这些位置中每个位置的洗涤器性能是不切实际的，因此本文重点分析以下6 种情况：带分离臂喷头的回气道关闭；人行道（1、2、3、8 位），分叉臂喷水关闭；带有分离臂的脸部区域（7、12 位）关闭；采煤机主体上方靠近闸板模块（位置4、5、6）的区域，分流臂喷淋关闭；回气道，分流臂喷淋打开；人行道（1、2、3、8 位），分配器喷水开启。

在关闭分流器臂的情况下进行除尘的其余区域研究，包括人行道、工作面区域以及采煤机机身上方的区域。降低人行道中的粉尘浓度非常重要，因为这是矿工通常会工作的区域。因此，减少人行道中的粉尘对于减少粉尘暴露于矿工是非常必要。如表2 所示，统计了不同时间段人行道、工作面区域以及采煤机机身上方区域的粉尘含量，沿工作面和采煤机主体上方的粉尘减少进行了分析，深入了解洗涤器对采煤机附近气流的影响，并与将在采煤机中开发的CFD模型进行比较。公式（1）显示了粉尘减少率17.84%。

表2 在所有因素均处于低水平的情况下，在回气道中进行1 次粉尘浓度测量 mg/m3

然后将结果用于确定主要影响、相互作用，并开发用于减少回风中粉尘的回归模型。表3 显示了这种情况的回归模型参数估计。表3 还显示了确定系数R2，该系数为0.95，意味着模型预测了观察到的变化的95%。对表3 的检查表明，有3 个主要影响因素，最重要的一个是洗涤器容量。进一步的检查表明三者间没有明显的相互作用，洗涤塔的容量系数为12.5，进气口延伸系数和面风速度系数分别为3.1 和3.4。在所有因素都处于较高水平的情况下，模型预计降尘量为56.4%。

表3 返回气道的回归模型参数估计值-分流器臂喷雾关闭

最佳的洗涤器性能应包括进样口的延伸部分（因为入口更靠近粉尘源）、洗涤器的容量更高（因为洗涤器会清洁更多的空气）、并且较低的面空气速度（因为洗涤器清洁了总空气的较大部分）。例如，在高洗涤能力的情况下，42%的面部空气以较低的面部空气速度进行洗涤，而28%的面部空气以较高的面部空气速度进行洗涤。但是，在较高的面风速度下，洗涤器性能实际上会更好（当包括进气口延伸且洗涤器容量处于较高水平时）。尽管洗涤器以较高的面空气速度清洁了较少的空气，但是增加的面空气速度的作用有助于将充满灰尘的空气引向洗涤器入口。

负洗涤塔容量与面风速度相互作用效应也相对较小，系数为-2.9。这种相互作用表明，当其他因素处于较高水平（处于测试水平）时，洗涤空气的性能受到面风速度的影响较小。例如，在洗涤器容量和进气口处于较高水平的情况下，该模型预测，在面对低空气的情况下灰尘浓度降低73%，在面对空气高水平的情况下灰尘浓度降低74%。

3 结论

通过对在实验室环境中集成到长壁采煤机中的除尘器，可以有效减少空气中可吸入的粉尘。在长壁采煤机上配备溢流床除尘器，可以有效降低煤炭开采过程中的粉尘。实验结果表明，在除尘器中增加洗涤塔，返回气道中的可呼吸粉尘减少了56%，在采煤机附近的走道区域中可吸入粉尘减少了74%。