露天礦用鉆機脈沖濾筒除塵器

呂秀梅，鄒 偉

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 遼寧 阜新 123000）

鉆機在露天開采作業(yè)中承擔著鉆探和穿爆的生產(chǎn)任務，是露天開采的重要設(shè)備之一。鉆機在鉆孔作業(yè)時產(chǎn)生大量灰塵，據(jù)統(tǒng)計鉆機產(chǎn)塵量占生產(chǎn)設(shè)備總產(chǎn)塵量的第2 位，僅次于汽車運礦的產(chǎn)塵情況。鉆機孔口附近工作地帶在沒有采取防塵措施時，粉塵的質(zhì)量濃度平均為448.9 mg/m3，最高達到1 373 mg/m3。鉆機司機室粉塵的質(zhì)量濃度平均為20.8 mg/m3，最高達79.4 mg/m3。這還是在潮濕季節(jié)測定的，大風干燥季節(jié)尤為嚴重。大量的粉塵嚴重污染了大氣環(huán)境，也不符合國家環(huán)保標準的要求，同時還會影響操作者的人身健康，一旦粉塵進入鉆機關(guān)鍵部位，還會造成零件的加速磨損，影響鉆機壽命，所以設(shè)計有效、合理、節(jié)能的除塵系統(tǒng)對露天礦鉆機來說至關(guān)重要。對于大型的潛孔鉆機來說，一般采用脈沖濾筒除塵器，此除塵器的設(shè)計是整個除塵系統(tǒng)的核心[1]。

1 脈沖濾筒除塵器的組成和工作原理

鉆機用脈沖濾筒除塵器主要包括除塵箱體、濾筒、風機、驅(qū)動裝置（電機或液壓馬達）、脈沖閥、減壓閥、儲氣包、連接管路等。

脈沖濾筒除塵器的工作原理如圖1。

1）除塵器除塵的工作原理。工作時，含塵的氣體從箱體下部進入除塵器，并通過濾筒。因此粉塵被捕集在濾筒外表面，經(jīng)過濾的潔凈氣體則經(jīng)由濾筒中心進入凈氣室，再經(jīng)除塵器的出口排出，進入除塵風機，最后從除塵風機的排風口排出[2]，脈沖濾筒除塵器的工作原理如圖1（a）。

圖1 脈沖濾筒除塵器的工作原理

2）除塵器清灰的工作原理。當濾筒清灰時，由控制器操縱電磁閥打開脈沖閥，此時高壓氣體便可直接沖入所選濾筒的中心，把捕集在濾筒表面的粉塵吹掉。而粉塵也隨著主氣流的趨勢，并在重力的作用下落入灰斗，實現(xiàn)清灰的目的，脈沖濾筒除塵器的工作原理如圖1（b）。

2 除塵器配置選型

2.1 除塵風機

為了克服流體動阻力，必須使流體具有一定的壓力能，通風機就是能使氣體產(chǎn)生壓力能的流體機械。除塵風機在除塵系統(tǒng)中占有重要位置，主要性能參數(shù)有風量、風壓、轉(zhuǎn)速、功率等。

2.1.1 風量與風壓

風量是除塵風機的重要參數(shù)之一，在選擇除塵風機的風量時要根據(jù)鉆機使用的空壓機相關(guān)參數(shù)，并考慮設(shè)備密封及氣體轉(zhuǎn)向所受阻力等因素影響。一般在設(shè)計收塵器時，風機風量會比空壓機能提供的風量富裕30%～40%，收塵器風機的風量計算公式如下：

Q1＝（1+30%～40%）Q

式中：Q1為除塵風機風量，m3/min；Q 為空壓機風量，m3/min。

除塵系統(tǒng)的壓力損失指氣體從捕塵罩入口到風機出口的壓力降或稱阻力。除塵系統(tǒng)的壓力損失主要包括除塵器的運行阻力、通過濾芯的阻力、系統(tǒng)漏風壓力損失、管道的摩擦阻力和局部壓力損失，可以通過公式計算除塵系統(tǒng)的阻力，但除塵器的運行阻力系數(shù)難以計算，所以一般采用估算法，經(jīng)驗證，多數(shù)脈沖濾筒除塵器的設(shè)備阻力在1 500 Pa 以下[3]。設(shè)濾料和濾料上粉塵層壓力損失約占設(shè)備運行阻力的10%，系統(tǒng)漏風的壓力損失約占設(shè)備運行阻力的10%，管道的壓力損失約為系統(tǒng)壓力損失的1～1.5倍，可根據(jù)管道實際情況選擇。所以對于一級脈沖除塵系統(tǒng)的風壓一般在3 300～4 050 Pa。

2.1.2 功率

當除塵系統(tǒng)的風量和風壓確定后，可以進行風機的功率計算，計算公式如下：

W＝K×Q1×p/（3 600×η0×η1××1 000）

式中：K 為電機容量安全系數(shù)，1.1～1.5，小風機取低值，大風機取高值；Q1為風量，m3/h；p 為風壓，Pa；η0為風機內(nèi)效率，一般0.75～0.85，小風機取低值，大風機取高值；η1為機械效率，電機（液壓馬達）直聯(lián)取1，聯(lián)軸器連接取0.95～0.98，三角膠帶連接取0.9～0.95，平膠帶傳動取0.85。

2.1.3 驅(qū)動方式

除塵系統(tǒng)的動力來源主要是除塵風機的轉(zhuǎn)動，通過風機的高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，將鉆機打孔產(chǎn)生的灰塵吸入除塵裝置，經(jīng)濾筒過濾后由除塵風機排出。

除塵風機的動力來源有電機驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動2 種，電機驅(qū)動的優(yōu)點是效率高，功率損失小，連接管路方便、干凈；缺點是電機轉(zhuǎn)速較低，電機體積較大，安裝非常不方便。而液壓馬達驅(qū)動的優(yōu)點是能夠提供更大的扭矩，液壓馬達體積小，便于安裝，轉(zhuǎn)速較高，正常工作轉(zhuǎn)速可達4 000～4 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速可達6 000 r/min，從而使風機提供更大的吸力，使除塵效果更好。但缺點是液壓馬達的效率低，功率損耗多，且管路連接存在漏油的風險。選擇什么驅(qū)動作為風機的動力源，要看鉆機動力系統(tǒng)的類型，如果是柴油鉆機就只能選擇液壓馬達為風機的動力源，如果是電驅(qū)動鉆機優(yōu)先選擇電機驅(qū)動。

2.2 除塵濾筒

濾筒除塵器廣泛地應用于水泥、鋼鐵、電力、食品、冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域，濾筒對于超細粉塵（0.5～5 μm）的收集、過濾效果更好。主要特點：過濾面積大、壓差低、低排放、體積小、使用壽命長等。濾筒在除塵器內(nèi)的布局間距一般在40～60 mm 以上。通過對單個濾筒的過濾面積和除塵器總的過濾面積計算可以確定濾筒的使用個數(shù)。

1）單個濾筒的過濾面積計算：

A＝2×L×N×M

式中：A 為單個濾筒過濾面積，mm2；L 為濾筒折深，mm；N 為濾筒折數(shù)；M 為濾筒高度，mm。

2）除塵器過濾面積計算：

A1＝Q1/V

式中：A1為除塵器過濾面積，m2；Q1為除塵器風量，m3/min；V 為氣體通過濾網(wǎng)的速度，0.8～1.6 m/min。

3）濾筒折量的計算：

N＝A1/A

式中：N 為濾筒折數(shù)；A1為除塵器需要過濾的面積，m2；A 為單個濾筒過濾面積，m2。

2.3 電磁脈沖閥

電磁脈沖閥是濾筒除塵器中噴吹清灰裝置的執(zhí)行機構(gòu)和關(guān)鍵部件[4]。分直通式（阻力較大）、直角式和淹沒式（阻力較小，安裝位置不便），在設(shè)計時可根據(jù)管路布局選擇適合的脈沖閥。

當系統(tǒng)的清灰壓力固定時，則有1 個最小噴吹氣量，脈沖閥提供的1 次噴吹氣量要大于這最小噴吹氣量。最小噴吹氣量一般是過濾氣量的3 倍以上。

q≥C1×C2×C3×C4×n×f×Vf×k-1

式中：q 為最小噴吹氣量，m/h；C1為粉塵粒度系數(shù)，0.5～5，平均粒徑大取小值；C2為粉塵含濕量系數(shù)，1～3，含濕量大取小值；C3為過濾速度系數(shù)，0.6；C4為噴吹裝置系數(shù)，5～10；n 為濾袋同時噴吹的條數(shù)；f 為濾芯的過濾面積，m2；Vf為過濾速度，m/min；k 為誘導比，2～6。

脈沖閥的每個動作周期間隔時間要根據(jù)濾芯的沾灰程度和鉆1 次孔的具體時間和工況而定，周期間隔盡量時間長一些可以增加脈沖閥和濾芯的使用壽命同時降低耗氣量。

噴吹壓力的大小能直接影響清灰效果。噴吹壓力取決于含沉氣體濃度、除塵器壓力損失要求、脈沖周期和脈沖噴吹時間。因脈沖時間與壓縮空氣耗氣量成正比，且脈沖時間大于0.1 s 后，除塵器的壓力損失降低最小，所以脈沖時間不宜過長。一般噴出壓力為0.7 MPa 時，脈沖時間為0.1～0.12 s；噴出壓力為0.6 MPa 時，脈沖時間為0.15～0.17 s；噴出壓力為0.5 MPa 時，脈沖時間為0.17～0.2 s[5]。反吹時脈沖閥1 次動作，當脈沖閥全部噴吹完成后再進入新一輪噴吹，中間間隔的時間為噴吹周期，一般的約60 s左右，實際操作中根據(jù)除塵器阻力確定脈沖周期。經(jīng)對比選擇，發(fā)現(xiàn)DMF 型電磁脈沖閥符合鉆機除塵器使用，因不同廠家生產(chǎn)的脈沖閥耗氣量不同，所以選擇脈沖閥時耗氣量由廠家提供參數(shù)進行選擇。單個脈沖閥的耗氣量、噴吹時間、噴吹周期確定后，進行脈沖閥的總耗氣量計算：

Q＝a×n×qm/t

式中：Q 為總耗氣量，m3/min；n 為脈沖閥數(shù)量；a為附加系數(shù)1.2～1.5，一般取1.2；qm為每個脈沖閥1次噴吹的耗氣量，m3/（閥·次）；t 為噴吹周期，min。

2.4 減壓閥

脈沖閥的開啟壓力一般為0.5～0.6 MPa，而潛孔鉆機的空壓機的壓力一般從2.1～2.4 MPa，因此通常在該支路安裝氣動減壓閥，從而控制進入除塵箱的氣體壓力。由于壓縮機的壓縮作用，從儲氣罐進入除塵箱的氣體，會有少量的水分存在，為了延長濾芯的使用壽命，在減壓閥上還裝有過濾器，保證進入除塵箱的氣體的清潔和干燥。減壓閥的流量要大于脈沖閥噴吹的總耗氣[6-7]。

2.5 氣源氣包

氣源氣包也叫儲氣包，簡稱氣包，對除塵器清灰系統(tǒng)而言，起到穩(wěn)定壓力的作用。從理論上說，氣包越大，所提供的壓力更穩(wěn)定，清灰效果越好。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，在脈沖閥噴吹后氣包內(nèi)壓降不超過原來儲存壓力的30%。即根據(jù)所選型號脈沖閥1 次噴吹最大耗氣量來確定氣源氣包容積。氣包最小體積計算公式如下：

Vmin＝△nm×R×T/（△pmin×K）

△nm＝Qm/22.4

式中：Vmin為氣包最小體積，L；△nm為脈沖閥噴吹耗氣量摩爾數(shù)；Qm為脈沖閥1 次耗氣量，L/次；22.4 為標準狀態(tài)下氣體分子摩爾體積，L/mol；R 為氣體常數(shù)，8.031 45 J/（mol·K）；△pmin為氣包內(nèi)最小工作壓力，Pa；T 為氣體溫度，℃；K 為容積系數(shù)，＜30%。

當系統(tǒng)中空壓機一直開啟，氣包內(nèi)壓力降低后隨時有空氣補入時氣包體積可適當減小。

3 除塵器的節(jié)能途徑和措施

1）除塵器的節(jié)能途徑。除塵器的能耗大體分2部分：①使含塵氣體通過除塵設(shè)備的能耗，即處理所捕集的氣量和克服系統(tǒng)阻力所消耗的功，集中反映在主風機的功率上；②除塵或清灰的附加能耗，這與各類除塵器的特點有關(guān)。主風機的電耗取決于風機的全壓和所處理的氣體量。對于1 個除塵器而言，如果能以較小的風量達到控制粉塵的效果[8]，或者使系統(tǒng)的阻力最小，就可以實現(xiàn)降低能耗的目的，這就是節(jié)能的基本途徑。

2）除塵器節(jié)能的措施。合理的工藝、加強密封、減少風量；合理選擇除塵方式，降低設(shè)備阻力；正確設(shè)計系統(tǒng)管道，降低管網(wǎng)阻力；風機調(diào)速實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)；采用新技術(shù)，應用節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品；嚴格操作管理、充分發(fā)揮除塵系統(tǒng)效能。

4 結(jié)語

介紹了除塵器的組成和工作原理，通過除塵器風量、風壓、功率等的計算，選擇了合適的風機、濾筒、脈沖閥、減壓閥等裝置，設(shè)計除塵系統(tǒng)。脈沖濾筒除塵器在鉆機上進行了多次試驗且在現(xiàn)場經(jīng)過了長時間使用，設(shè)備運行狀況良好；通過現(xiàn)場實測，除塵、全塵和呼吸性粉塵的脫除率分別達到99.9%和95.8%，現(xiàn)場實測除塵效果遠高于國家標準。