高 揚，胡勝勇，劉長河，胡 斐，李繼華，朱曉彤

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

煤炭是我國重要的能源，我國的經(jīng)濟快速發(fā)展離不開煤炭能源的大量消耗。在煤炭巨大的市場需求環(huán)境下，煤炭的開采、加工產(chǎn)量大幅提升，而隨之帶來的粉塵污染問題也日益嚴重[1]。高濃度的粉塵對作業(yè)環(huán)境造成嚴重污染，可能帶來一系列的生產(chǎn)安全問題，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，累計報告職業(yè)病97.5萬例，其中，職業(yè)性塵肺病87.3萬例，約占報告職業(yè)病病例總數(shù)的90%[4，5]。此外，煤塵還會影響工作面能見度、加速機械設(shè)備磨損，甚至造成爆炸事故[6]。

目前，國內(nèi)外許多學者對濕式除塵器開展了諸多研究。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，并進行了性能實驗研究。蔣仲安等[11]研制了一種適用于礦井掘進工作面的自激式水浴水膜除塵器。張江石等[12]研究設(shè)計出了一種適用于掘進工作面的高效復合式濕式除塵器。Kurella[13]提出了一種多級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)場水質(zhì)較差，而目前常見濕式除塵器或是除塵效率低、或是存在噴嘴及濾網(wǎng)易堵塞等問題，無法在煤礦得到長期應(yīng)用[14]。因此，開展礦用徑混式旋流除塵器的研究對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，實現(xiàn)了設(shè)備的免維護，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

礦用徑混式旋流除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示，研發(fā)了一種主要由進水管、徑混式葉輪、防爆電機、導流葉片、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表1。現(xiàn)有濕式除塵器常見的葉輪分別為軸流式、徑流式和混流式。軸流式葉輪風壓較低，風量較大；徑流式葉輪風壓較高，風量較小?；炝魇饺~輪則介于軸流式和徑流式之間，氣體在葉輪中的流動方向與軸線成某一角度，氣體的流動具有強烈的三維特性，風壓較同機號軸流式高，風量較同機號徑流式大。因此，基于徑流式葉輪產(chǎn)生的風流在離心力的作用下沿徑向運動的特點，并結(jié)合混流式葉輪將動能轉(zhuǎn)換為有用靜態(tài)的優(yōu)勢，設(shè)計出了一種新型葉輪——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相連接。導流葉片環(huán)繞在防爆電機的外殼上，具有導向風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行分離，實現(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水管與水泵連接；右半部分的底部設(shè)有排污槽，可及時收集底部的污泥。通過對礦用徑混式旋流除塵器的基本性能測試可得，該除塵器的處理風量為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程主要分為布水、初級霧化、二次霧化三部分。該除塵器的布水過程是由進水管、徑混式葉輪、防爆電機三者共同完成的。開始運行時，徑混式葉輪由防爆電機驅(qū)動并高速旋轉(zhuǎn)以提供負壓，水在水泵的作用下從進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，當水到達布水盤邊緣時呈輻射狀沿著布水盤的切線向葉片移動，此時，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

液體的霧化是通過氣體和液體之間的相互碰撞和摩擦實現(xiàn)的[15]。完成布水過程后，含污空氣和液膜從布水盤的邊緣進入葉片的內(nèi)邊緣，在高速旋轉(zhuǎn)葉片的作用下，液膜會因葉片內(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，霧化后液滴又會捕捉大部分粉塵。此時，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]。由氣體動力學可知，積分形式的連續(xù)方程、動量方程、動量矩方程、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)點與坐標原點距離；q為控制體吸入的熱量；W為轉(zhuǎn)子和剪切力對葉片作的功；h0為滯止焓；下標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)動方向水平運動；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)動方向運動；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)表面會形成一層由水組成的液膜，當液膜在受到離心力作用的同時受到粉塵與空氣的沖擊和壓力影響，對液膜形成慣性碰撞，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，從而大大加強了水霧接觸粉塵的機會，獲得了極高的捕集率。此時，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，該脫水過程是由導流葉片與脫水柵兩者共同完成的。從葉輪出來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入導流葉片。含污空氣通過導流葉片的導流作用將自身的運動軌跡擴大到沿除塵器的內(nèi)筒壁進行螺旋運動。導流葉片的設(shè)置改變了含污空氣的運動方向，并降低了導流過程中的阻力。當含污空氣以螺旋運動軌跡進入脫水器，干燥的空氣仍以螺旋軌跡運動至脫水格柵的出口，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，并通過脫水柵進入到除塵器的內(nèi)壁，以此來分離空氣和污水，完成脫水過程。

圖3 礦用徑混式旋流除塵器脫水原理

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

礦用徑混式旋流除塵器在山東濟寧二號煤礦洗煤廠進行了現(xiàn)場應(yīng)用。濟寧二號煤礦選煤廠是國家“八五”重點項目，地處山東西南部，位于濟寧市境內(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t/a，主洗系統(tǒng)的處理能力為400萬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。該除塵器進行應(yīng)用與測試的車間負責精煤的二次脫水與運輸。在洗煤廠生產(chǎn)時，精煤從離心脫水機落到帶式輸送機以及精煤運輸?shù)倪^程中都會產(chǎn)生大量揚塵，這些煤塵漂浮在車間內(nèi)，嚴重污染了工作環(huán)境。礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場布置如圖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輸機后方的一側(cè)，通過進風口連接主管道，出風口位于車間外部，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)塵點全部覆蓋。

圖4 礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場布置

3.2 應(yīng)用效果分析

礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場應(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)塵點的分布情況，目的為將粉塵控制在與帶式輸送機相連的吸塵罩內(nèi)，防止粉塵從帶式輸送機逃逸至車間，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，對工人的身體健康造成極大的威脅。而開啟礦用徑混式旋流除塵器后，車間內(nèi)的可見度明顯提高，已無肉眼可見的粉塵顆粒，除塵效果明顯。

圖5 礦用徑混式旋流除塵器現(xiàn)場應(yīng)用情況

為了進一步測試礦用徑混式旋流除塵器的運行效果，更加直觀的了解車間內(nèi)的粉塵情況，本文針對主洗車間內(nèi)工人活動工作的重點區(qū)域，應(yīng)用AKFC-92A粉塵采樣器在同一工作時期內(nèi)分別針對未開啟除塵器和開啟除塵器的兩種工況下的粉塵濃度分別進行了測定。粉塵濃度的測試點布置如圖4所示，測試點1為吸塵罩，測試點2為轉(zhuǎn)載點，多次測試求平均值。應(yīng)用除塵器后粉塵濃度測試情況如圖6所示。在未開啟除塵器時，測試點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；測試點2處的全塵和呼塵平均粉塵濃度分別高達118.7mg/m3和79.2mg/m3；在開啟除塵器后，測試點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，測試點2處的全塵和呼塵平均粉塵濃度分別降至4.2mg/m3和3mg/m3。通過計算可知，礦用徑混式旋流除塵器的除塵效率達到96%以上，現(xiàn)場粉塵濃度已達到我國《中華人民共和國職業(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)出由進水管、徑混式葉輪、電機、導流葉片、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，實現(xiàn)了高效除塵。

2)礦用徑混式旋流除塵器采用進水管、徑混式葉輪、電機三者相結(jié)合的方式完成布水、初級霧化、二次霧化的三次捕塵過程，并在導流葉片與脫水柵的作用下將空氣進行充分脫水，進而實現(xiàn)含污空氣的凈化。

3)礦用徑混式旋流除塵器在山東濟寧二號煤礦洗煤廠進行了現(xiàn)場試驗，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到96%以上，粉塵治理效果顯著。