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        風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)設(shè)計與試驗驗證

        2021-10-21 08:41:32陳清華江丙友唐明云林漢毅
        煤礦安全 2021年10期
        關(guān)鍵詞:降塵風水除塵器

        許 斌,陳清華,江丙友,唐明云,趙 君,林漢毅

        (1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.工業(yè)粉塵防控與職業(yè)安全健康教育部重點實驗室,安徽 淮南 232001;3.大同煤礦集團有限責任公司 同大科技研究院,山西 大同 037003)

        除塵器是掘進工作面的主要降塵設(shè)備,但傳統(tǒng)礦用除塵器體積較大、安裝移動不便,在高瓦斯煤礦應(yīng)用時,還因動力裝置采用電動部件而存在電氣安全隱患[1-3]。風水聯(lián)動除塵器作為一種新型濕式除塵器,通過直接使用礦井靜壓水和高壓氣作為動力源,提高了除塵器使用的便利性,消除了電氣安全隱患。該除塵器還通過將旋轉(zhuǎn)霧化器和軸流風機集合為一體,不僅使其結(jié)構(gòu)更加緊湊,還增強了霧化效果,提高了降塵效率?;谝陨咸攸c,風水聯(lián)動除塵器正被越來越多的煤礦企業(yè)引進,以改善掘進工作面的作業(yè)環(huán)境。同時,由于風水聯(lián)動除塵器運用的是一種新型除塵技術(shù),其性能等還有較大的完善空間,但國內(nèi)外卻鮮有對其性能的研究,因此亟需對其性能進行研究。

        為了提高除塵器的性能,Liu[4]等設(shè)計了一種剪切沖擊式霧化除塵器,通過研究該除塵器的運行參數(shù)和降塵效率的關(guān)系,得到了其最佳運行工況。Xie[5]等結(jié)合旋風除塵器和濾筒式除塵器的特點,提出了一種新型濾筒式旋風除塵器,并對其壓降和降塵效率等性能進行了實驗研究。趙海鳴等[6]利用FLUENT對濕式除塵風機的三相流場進行了研究,并在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上對除塵風機的運行參數(shù)進行了分析。杜鵬程[7]設(shè)計了一種除塵器性能在線測試系統(tǒng),通過改進檢測除塵效率方法,提高了測試系統(tǒng)的準確性。劉含笑[8]等針對濕式電除塵器的測試特點,提出了測試工況、測孔位置、測孔尺寸及采樣點布置等相關(guān)要求,并開展測試研究,給出了科學(xué)的測試方法。郭振新[9]等通過試驗得到了濕式除塵器的風量與頻率、風量與功率以及風量與除塵效率的關(guān)系,為提升濕式除塵器的降塵效率提供了依據(jù)。

        通過上述研究可以發(fā)現(xiàn),除塵器的除塵效率是評價其性能的重要指標,而風壓和水壓則是影響風水聯(lián)動除塵器降塵效率的2 大因素。因此,基于風水聯(lián)動除塵器的工作原理,對風水聯(lián)動除塵器試驗系統(tǒng)進行了設(shè)計與試驗驗證,為研究其除塵效率和最佳運行參數(shù)的匹配提供了試驗平臺。

        1 風水聯(lián)動除塵器工作原理

        風水聯(lián)動除塵器通過風動馬達可直接驅(qū)動扇葉旋轉(zhuǎn),同時由于旋轉(zhuǎn)組件上噴嘴噴射的高壓水流方向與扇葉產(chǎn)生的氣流方向存在一定夾角,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩并進一步驅(qū)動扇葉轉(zhuǎn)動。因此,風水聯(lián)動除塵器可以由風壓和水壓聯(lián)合驅(qū)動。

        在除塵器運轉(zhuǎn)過程中,高壓水流與筒壁碰撞形成微細水霧,通過微細水霧捕獲、凝聚粉塵[10-11]。隨著粉塵捕獲數(shù)量的增加,霧粒因粒徑增大、質(zhì)量增加而沉降下來,并在水霧連續(xù)沖擊洗滌作用下,使塵泥水漿流出除塵器。

        2 風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)

        2.1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

        風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)主要包括風水聯(lián)動除塵器、粉塵發(fā)射器、管道、高壓水泵、空氣壓縮機、儲氣罐等。風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

        圖1 風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air-water combined power dust collector test system

        粉塵發(fā)射器放置于負壓管道入口前,粉塵擴散器安裝在負壓管道入口處,通過調(diào)節(jié)發(fā)射器支架使粉塵發(fā)射器粉塵發(fā)射出口正對粉塵擴散器;風水聯(lián)動除塵器通過螺栓固定在除塵器支架上,正壓管道和負壓管道分別置于除塵器的后端和前端,并通過調(diào)節(jié)管道支架使兩管道與除塵器處于同一高度;高壓水泵與風水聯(lián)動除塵器通過高壓水管連接,空氣壓縮機與儲氣罐通過高壓氣管連接,儲氣罐與風水聯(lián)動除塵器通過高壓氣管連接;正壓管道和負壓管道內(nèi)均安裝有采樣管,以便連接粉塵采樣器;正壓管道出口位置處裝有風速測量裝置。

        風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)工作原理如下:空氣壓縮機向儲氣罐供壓,分別調(diào)節(jié)儲氣罐和高壓水泵的壓力控制閥實現(xiàn)對風水聯(lián)動除塵器運行參數(shù)的控制,驅(qū)動除塵器進行工作;待風水聯(lián)動除塵器在管道內(nèi)形成穩(wěn)定流場后,通過風速測量裝置風量大小,同時開啟粉塵發(fā)射器向管道內(nèi)發(fā)射煤粉,煤粉在負壓作用下經(jīng)粉塵擴散器擴散后在負壓風筒內(nèi)向風水聯(lián)動除塵器方向運移,粉塵采樣器對負壓管道內(nèi)的煤粉進行采樣得到負壓風筒內(nèi)的粉塵濃度;煤粉經(jīng)除塵器除塵后從正壓管道的出口流出,經(jīng)粉塵采樣器對正壓管道內(nèi)的煤粉進行采樣得到正壓管道內(nèi)的粉塵濃度,通過對正、負壓管道內(nèi)的粉塵濃度的計算,得到聯(lián)動除塵器的除塵效率。

        2.2 粉塵發(fā)射器

        為了能夠獲得均勻的粉塵發(fā)射濃度,研制了一種粉塵發(fā)射器。該粉塵發(fā)射器主要由控制臺、防爆電機、離心葉輪、添料裝置、發(fā)射容器、膠帶傳動裝置和防塵罩組成。粉塵發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

        圖2 粉塵發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dust emitter

        粉塵發(fā)射器工作原理如下:

        1)防爆電機通過膠帶傳動裝置帶動離心葉輪旋轉(zhuǎn),在發(fā)射容器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)風流,對發(fā)射容器內(nèi)的粉塵進行攪拌揚塵,從而使粉塵從發(fā)射容器出口射出。

        2)添料裝置通過3 根支撐架安裝在發(fā)射容器上方,并依靠防爆電機運行時產(chǎn)生的振動促使粉塵落入發(fā)射容器中。

        3)添料裝置出口處設(shè)計有流量控制閥,通過調(diào)節(jié)流量控制閥,可以控制粉塵進入發(fā)射容器的質(zhì)量流率,以實現(xiàn)粉塵發(fā)射濃度的均勻性。

        2.3 風水聯(lián)動除塵器性能參數(shù)測量方法

        風水聯(lián)動除塵器的主要性能參數(shù)為除塵效率、風量和耗水量。

        1)除塵效率測量。粉塵濃度的測量方法分為采樣法和非采樣法,采樣法測量準確度高,不受粉塵的特性影響[12-13]。因此,測試系統(tǒng)采用采樣法中的濾膜稱重法對粉塵濃度進行測量,通過粉塵采樣器進對負壓管道和正壓管道中的粉塵進行采集,計算除塵前后的粉塵濃度,從而得到風水聯(lián)動除塵器的除塵效率。其檢測原理如下:

        式中:c 為氣體含塵濃度,mg/m3;m1為采集粉塵前濾膜的質(zhì)量,mg/m3;m2為采集粉塵后濾膜的質(zhì)量,mg/m3;q 為采樣流量,m3/h;t 為采樣時間,s;η 為除塵效率;c1為負壓管道粉塵濃度,mg/m3;c2為正壓管道粉塵濃度,mg/m3。

        2)風量測量。系統(tǒng)采用動壓法測風量,在正壓管道出口位置處安裝皮托管,將皮托管的前端中心孔正對風流,通過與皮托管的“+”、“-”接頭相連的U 形管計算該位置處的風壓,進而得到風量的大小。其檢測原理如下:

        式中:Qg為風量,m3/min;ρl為水的密度,kg/m3;ρg為空氣的密度,kg/m3;g 為重力加速度,m/s2;l 為U形管兩端液面高度差,m;D 為管道直徑,m。

        3)耗水量測量。系統(tǒng)采用水表計量法對風水聯(lián)動除塵器的耗水量進行測量,通過在高壓水泵的出水口安裝高精度水表,記錄除塵前后水表示數(shù),從而得到風水聯(lián)動除塵器在不同水壓下的用水量大小。其測量原理如下:

        式中:Ql為耗水量,L/min;L1為水泵工作前水表示數(shù),L;L2為水泵工作后水表示數(shù),L;tp為水泵工作時間,min。

        3 風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)性能試驗

        風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)總成如圖3。利用該測試系統(tǒng)分別對風水聯(lián)動除塵器進行除塵效率和風量測試驗證,除塵測試工況參數(shù)見表1。

        表1 除塵測試工況參數(shù)Table 1 Dust removal test parameters

        圖3 風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)總成Fig.3 Air-water combined power dust collector test system assembly

        按照風水聯(lián)動除塵器性能的測試方法對其耗水量、降塵效率和風量分別進行測量,測得風水聯(lián)動除塵器在3 MPa 的水壓下水量恒定為20 L/min,風量和除塵效率測試結(jié)果如圖4。

        圖4 除塵器性能測試結(jié)果Fig.4 Performance test results of dust collector

        由圖4 可知,通過對比不同運行參數(shù)下的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),當風水聯(lián)動除塵器僅通入0.5 MPa 的風壓時,粉塵只能依靠自身重力沉降,此時除塵器的降塵效率較低;當風水聯(lián)動除塵器同時通入0.5 MPa 的風壓和3.0 MPa 的水壓時,高壓水流會進一步增大扇葉轉(zhuǎn)矩,并沖擊筒壁形成微細水霧,促進霧滴與粉塵的凝聚,使得除塵器風量和除塵效率較之僅供風時的工況均有較大提升。在供水壓力為3 MPa,供風壓力為0.2~0.5 MPa 時,測試系統(tǒng)的風量及降塵效率均隨供風壓力的增大而增大。

        4 結(jié) 語

        1)基于風水聯(lián)動除塵器的工作原理,完成了風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)的設(shè)計與研制,為實現(xiàn)其除塵效率和最佳運行參數(shù)的匹配提供了試驗平臺。

        2)當供水壓力保持在3 MPa 時,風水聯(lián)動除塵器的耗水量恒為20 L/min,驗證了風水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        3)在供風壓力為0.5 MPa 的情況下,供水壓力為3 MPa 時風水聯(lián)動除塵器的風量及降塵效率均明顯優(yōu)于供水壓力為0 MPa 時的情況。

        4)在供水壓力為3 MPa,供風壓力為0.2~0.5 MPa 時,風水聯(lián)動除塵器的風量及降塵效率均隨供風壓力的增大而增大。

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