礦用徑混式旋流除塵器的研究與應(yīng)用

高 揚(yáng)，胡勝勇，劉長(zhǎng)河，胡 斐，李繼華，朱曉彤

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山東新陽(yáng)光環(huán)保設(shè)備股份有限公司，山東 鄒城 273500)

煤炭是我國(guó)重要的能源，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展離不開(kāi)煤炭能源的大量消耗。在煤炭巨大的市場(chǎng)需求環(huán)境下，煤炭的開(kāi)采、加工產(chǎn)量大幅提升，而隨之帶來(lái)的粉塵污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重[1]。高濃度的粉塵對(duì)作業(yè)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，可能帶來(lái)一系列的生產(chǎn)安全問(wèn)題，作業(yè)人員吸入高濃度的粉塵，可能引發(fā)塵肺病等職業(yè)病[2，3]。截至2018年底，累計(jì)報(bào)告職業(yè)病97.5萬(wàn)例，其中，職業(yè)性塵肺病87.3萬(wàn)例，約占報(bào)告職業(yè)病病例總數(shù)的90%[4，5]。此外，煤塵還會(huì)影響工作面能見(jiàn)度、加速機(jī)械設(shè)備磨損，甚至造成爆炸事故[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)濕式除塵器開(kāi)展了諸多研究。Campbell[7]等研發(fā)出一種水淹式洗滌除塵器。袁源平等[8]研制了一種采用雙“W”型通道結(jié)構(gòu)的高效濕式除塵器。宋智瀛等[9]提出了一種應(yīng)用于井下綜采工作面的新型濕式蜂窩濾芯除塵器。石零等[10]發(fā)明了一種濕式旋流旋切結(jié)構(gòu)的除塵器，并進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)研究。蔣仲安等[11]研制了一種適用于礦井掘進(jìn)工作面的自激式水浴水膜除塵器。張江石等[12]研究設(shè)計(jì)出了一種適用于掘進(jìn)工作面的高效復(fù)合式濕式除塵器。Kurella[13]提出了一種多級(jí)雙流篩板濕式除塵器。由于煤炭加工作業(yè)的工序繁雜，現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)較差，而目前常見(jiàn)濕式除塵器或是除塵效率低、或是存在噴嘴及濾網(wǎng)易堵塞等問(wèn)題，無(wú)法在煤礦得到長(zhǎng)期應(yīng)用[14]。因此，開(kāi)展礦用徑混式旋流除塵器的研究對(duì)煤礦粉塵的高效治理具有重要意義。

本文研發(fā)出一種集抽塵、凈化、脫水三效合為一體的礦用徑混式旋流除塵器，該設(shè)備的除塵效率高，避免了噴嘴及濾網(wǎng)的堵塞，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的免維護(hù)，為改善工作區(qū)域的工作條件，保障煤礦工人的安全生產(chǎn)提供了新思路。

1 礦用徑混式旋流除塵器設(shè)計(jì)

礦用徑混式旋流除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示，研發(fā)了一種主要由進(jìn)水管、徑混式葉輪、防爆電機(jī)、導(dǎo)流葉片、脫水柵、污水箱等組成的礦用徑混式旋流除塵器。礦用徑混式旋流除塵器及其部件的具體尺寸見(jiàn)表1。現(xiàn)有濕式除塵器常見(jiàn)的葉輪分別為軸流式、徑流式和混流式。軸流式葉輪風(fēng)壓較低，風(fēng)量較大；徑流式葉輪風(fēng)壓較高，風(fēng)量較小。混流式葉輪則介于軸流式和徑流式之間，氣體在葉輪中的流動(dòng)方向與軸線成某一角度，氣體的流動(dòng)具有強(qiáng)烈的三維特性，風(fēng)壓較同機(jī)號(hào)軸流式高，風(fēng)量較同機(jī)號(hào)徑流式大。因此，基于徑流式葉輪產(chǎn)生的風(fēng)流在離心力的作用下沿徑向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并結(jié)合混流式葉輪將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用靜態(tài)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出了一種新型葉輪——徑混式葉輪。其由布水盤、徑流葉片二者焊接而成，葉片的上邊緣與直徑為680mm的布水盤外邊緣相連，葉片的下邊緣與葉輪的底邊相連，既能旋轉(zhuǎn)提供風(fēng)壓，又能破碎液體產(chǎn)生水霧。葉輪的底部與三相異步防爆電機(jī)相連接。導(dǎo)流葉片環(huán)繞在防爆電機(jī)的外殼上，具有導(dǎo)向風(fēng)流與提供離心力的作用。脫水柵由脫水槽環(huán)繞脫水筒內(nèi)壁上構(gòu)成，可將含塵污水與潔凈空氣進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)含塵氣流的脫水。排污管的下方為污水箱，污水箱的內(nèi)部由隔流板分成左右兩部分，左半部分的底部通過(guò)水管與水泵連接；右半部分的底部設(shè)有排污槽，可及時(shí)收集底部的污泥。通過(guò)對(duì)礦用徑混式旋流除塵器的基本性能測(cè)試可得，該除塵器的處理風(fēng)量為400.4m3/min，壓降為173.7Pa，功率為18.2kW。

表1 礦用徑混式旋流除塵器及其部件的具體尺寸

2 礦用徑混式旋流除塵器凈化原理

2.1 礦用徑混式旋流除塵器捕塵原理

礦用徑混式旋流除塵器捕塵原理如圖2所示，礦用徑混式旋流除塵器的捕塵過(guò)程主要分為布水、初級(jí)霧化、二次霧化三部分。該除塵器的布水過(guò)程是由進(jìn)水管、徑混式葉輪、防爆電機(jī)三者共同完成的。開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，徑混式葉輪由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)并高速旋轉(zhuǎn)以提供負(fù)壓，水在水泵的作用下從進(jìn)水管流到徑混式葉輪中心的布水盤；在布水盤高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與水自身重力的作用下，水呈圓環(huán)狀向布水盤邊緣移動(dòng)，當(dāng)水到達(dá)布水盤邊緣時(shí)呈輻射狀沿著布水盤的切線向葉片移動(dòng)，此時(shí)，從布水盤中心至邊緣形成一層液膜，并粘結(jié)部分粉塵顆粒，完成第一次粉塵捕捉與布水過(guò)程。

圖2 礦用徑混式旋流除塵器捕塵原理

液體的霧化是通過(guò)氣體和液體之間的相互碰撞和摩擦實(shí)現(xiàn)的[15]。完成布水過(guò)程后，含污空氣和液膜從布水盤的邊緣進(jìn)入葉片的內(nèi)邊緣，在高速旋轉(zhuǎn)葉片的作用下，液膜會(huì)因葉片內(nèi)邊緣的切削作用而破裂，然后水與含污空氣之間激烈碰撞摩擦，最終霧化成微小的液滴顆粒，霧化后液滴又會(huì)捕捉大部分粉塵。此時(shí)，完成第二次粉塵捕捉與初次霧化。

在大多數(shù)濕式除塵器中，慣性碰撞是去除顆粒的主要手段，慣性碰撞是利用顆粒的動(dòng)能穿透洗滌液(在大多數(shù)情況下為水)的表面張力[16]。由氣體動(dòng)力學(xué)可知，積分形式的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、動(dòng)量矩方程、能量方程[17]為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)為作用在葉片單位面積上的表面力(包括法向方向上的表面力和切向方向上的表面力)；B為單位質(zhì)量上的重力；r為所研究質(zhì)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)距離；q為控制體吸入的熱量；W為轉(zhuǎn)子和剪切力對(duì)葉片作的功；h0為滯止焓；下標(biāo)v和s分別為葉片和葉片表面。

由上述公式可知，礦用徑混式旋流除塵器完成初次霧化后，一部分氣-水混合體在法向方向的表面力作用下沿葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向水平運(yùn)動(dòng)；另一部分氣-水混合體在切向方向的表面力作用下向垂直于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)；由于作用在葉片表面上的法向力和切向力產(chǎn)生的扭矩很小，不予考慮。因此，葉片內(nèi)表面會(huì)形成一層由水組成的液膜，當(dāng)液膜在受到離心力作用的同時(shí)受到粉塵與空氣的沖擊和壓力影響，對(duì)液膜形成慣性碰撞，并在葉片外邊緣的切削作用下，將液膜破碎并使之二次霧化，從而大大加強(qiáng)了水霧接觸粉塵的機(jī)會(huì)，獲得了極高的捕集率。此時(shí)，完成二次霧化與第三次粉塵捕捉。

2.2 礦用徑混式旋流除塵器脫水原理

礦用徑混式旋流除塵器的脫水原理如圖3所示，該脫水過(guò)程是由導(dǎo)流葉片與脫水柵兩者共同完成的。從葉輪出來(lái)的粉塵被水霧捕捉后與空氣形成含污空氣，并在葉輪的離心力作用下逐漸進(jìn)入導(dǎo)流葉片。含污空氣通過(guò)導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流作用將自身的運(yùn)動(dòng)軌跡擴(kuò)大到沿除塵器的內(nèi)筒壁進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)流葉片的設(shè)置改變了含污空氣的運(yùn)動(dòng)方向，并降低了導(dǎo)流過(guò)程中的阻力。當(dāng)含污空氣以螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)入脫水器，干燥的空氣仍以螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)至脫水格柵的出口，污水則在自身重力與離心力的作用下聚集在脫水柵的內(nèi)壁上，并通過(guò)脫水柵進(jìn)入到除塵器的內(nèi)壁，以此來(lái)分離空氣和污水，完成脫水過(guò)程。

圖3 礦用徑混式旋流除塵器脫水原理

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工程概況

礦用徑混式旋流除塵器在山東濟(jì)寧二號(hào)煤礦洗煤廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。濟(jì)寧二號(hào)煤礦選煤廠是國(guó)家“八五”重點(diǎn)項(xiàng)目，地處山東西南部，位于濟(jì)寧市境內(nèi)。該選煤廠為礦井型選煤廠，提升系統(tǒng)的處理能力為500萬(wàn)t/a，主洗系統(tǒng)的處理能力為400萬(wàn)t/a，下設(shè)有原煤車間、洗煤車間、壓濾車間、裝車車間、技檢車間等，共7層。該除塵器進(jìn)行應(yīng)用與測(cè)試的車間負(fù)責(zé)精煤的二次脫水與運(yùn)輸。在洗煤廠生產(chǎn)時(shí)，精煤從離心脫水機(jī)落到帶式輸送機(jī)以及精煤運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，這些煤塵漂浮在車間內(nèi)，嚴(yán)重污染了工作環(huán)境。礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示，由于該洗煤廠車間內(nèi)可用的空間有限，該除塵器放置在帶式運(yùn)輸機(jī)后方的一側(cè)，通過(guò)進(jìn)風(fēng)口連接主管道，出風(fēng)口位于車間外部，在主管道一側(cè)分出四根支管道，支管道的尾部連接吸塵罩，將主要產(chǎn)塵點(diǎn)全部覆蓋。

圖4 礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)布置

3.2 應(yīng)用效果分析

礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖5所示。本文綜合考慮了該洗煤廠主洗車間內(nèi)產(chǎn)塵點(diǎn)的分布情況，目的為將粉塵控制在與帶式輸送機(jī)相連的吸塵罩內(nèi)，防止粉塵從帶式輸送機(jī)逃逸至車間，污染車間內(nèi)的工作環(huán)境。從圖5中可以明顯觀察到在礦用徑混式旋流除塵器應(yīng)用前，由于車間內(nèi)空氣更新速度慢，不能及時(shí)處理飄散的粉塵，使得大量粉塵彌漫在空氣中，影響了工作區(qū)域的工人視線，對(duì)工人的身體健康造成極大的威脅。而開(kāi)啟礦用徑混式旋流除塵器后，車間內(nèi)的可見(jiàn)度明顯提高，已無(wú)肉眼可見(jiàn)的粉塵顆粒，除塵效果明顯。

圖5 礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為了進(jìn)一步測(cè)試礦用徑混式旋流除塵器的運(yùn)行效果，更加直觀的了解車間內(nèi)的粉塵情況，本文針對(duì)主洗車間內(nèi)工人活動(dòng)工作的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)用AKFC-92A粉塵采樣器在同一工作時(shí)期內(nèi)分別針對(duì)未開(kāi)啟除塵器和開(kāi)啟除塵器的兩種工況下的粉塵濃度分別進(jìn)行了測(cè)定。粉塵濃度的測(cè)試點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)試點(diǎn)1為吸塵罩，測(cè)試點(diǎn)2為轉(zhuǎn)載點(diǎn)，多次測(cè)試求平均值。應(yīng)用除塵器后粉塵濃度測(cè)試情況如圖6所示。在未開(kāi)啟除塵器時(shí)，測(cè)試點(diǎn)1處的全塵和呼塵平均粉塵濃度的分別為98.7mg/m3和74.3mg/m3；測(cè)試點(diǎn)2處的全塵和呼塵平均粉塵濃度分別高達(dá)118.7mg/m3和79.2mg/m3；在開(kāi)啟除塵器后，測(cè)試點(diǎn)1處的全塵和呼塵粉塵濃度的平均值僅為3.9mg/m3和2.9mg/m3，測(cè)試點(diǎn)2處的全塵和呼塵平均粉塵濃度分別降至4.2mg/m3和3mg/m3。通過(guò)計(jì)算可知，礦用徑混式旋流除塵器的除塵效率達(dá)到96%以上，現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度已達(dá)到我國(guó)《中華人民共和國(guó)職業(yè)病防治法》中規(guī)定的環(huán)境煤塵濃度，具有顯著的應(yīng)用效果。

圖6 礦用徑混式旋流除塵器粉塵濃度情況

4 結(jié) 論

1)在不使用噴嘴與濾網(wǎng)的前提下，研發(fā)出由進(jìn)水管、徑混式葉輪、電機(jī)、導(dǎo)流葉片、脫水柵等構(gòu)成的礦用徑混式旋流除塵器，該設(shè)備集抽塵、凈塵、脫水三效于一體，實(shí)現(xiàn)了高效除塵。

2)礦用徑混式旋流除塵器采用進(jìn)水管、徑混式葉輪、電機(jī)三者相結(jié)合的方式完成布水、初級(jí)霧化、二次霧化的三次捕塵過(guò)程，并在導(dǎo)流葉片與脫水柵的作用下將空氣進(jìn)行充分脫水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)含污空氣的凈化。

3)礦用徑混式旋流除塵器在山東濟(jì)寧二號(hào)煤礦洗煤廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：主洗車間內(nèi)有人作業(yè)區(qū)域范圍粉塵濃度降至4.2mg/m3以下，全塵和呼塵的除塵效率均達(dá)到96%以上，粉塵治理效果顯著。