呂秀梅，鄒 偉

（1.遼寧瀚石機(jī)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(jī)在露天開(kāi)采作業(yè)中承擔(dān)著鉆探和穿爆的生產(chǎn)任務(wù)，是露天開(kāi)采的重要設(shè)備之一。鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大量灰塵，據(jù)統(tǒng)計(jì)鉆機(jī)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(yùn)礦的產(chǎn)塵情況。鉆機(jī)孔口附近工作地帶在沒(méi)有采取防塵措施時(shí)，粉塵的質(zhì)量濃度平均為448.9 mg/m3，最高達(dá)到1 373 mg/m3。鉆機(jī)司機(jī)室粉塵的質(zhì)量濃度平均為20.8 mg/m3，最高達(dá)79.4 mg/m3。這還是在潮濕季節(jié)測(cè)定的，大風(fēng)干燥季節(jié)尤為嚴(yán)重。大量的粉塵嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境，也不符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還會(huì)影響操作者的人身健康，一旦粉塵進(jìn)入鉆機(jī)關(guān)鍵部位，還會(huì)造成零件的加速磨損，影響鉆機(jī)壽命，所以設(shè)計(jì)有效、合理、節(jié)能的除塵系統(tǒng)對(duì)露天礦鉆機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。對(duì)于大型的潛孔鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，一般采用脈沖濾筒除塵器，此除塵器的設(shè)計(jì)是整個(gè)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(jī)用脈沖濾筒除塵器主要包括除塵箱體、濾筒、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置（電機(jī)或液壓馬達(dá)）、脈沖閥、減壓閥、儲(chǔ)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(shí)，含塵的氣體從箱體下部進(jìn)入除塵器，并通過(guò)濾筒。因此粉塵被捕集在濾筒外表面，經(jīng)過(guò)濾的潔凈氣體則經(jīng)由濾筒中心進(jìn)入凈氣室，再經(jīng)除塵器的出口排出，進(jìn)入除塵風(fēng)機(jī)，最后從除塵風(fēng)機(jī)的排風(fēng)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(dāng)濾筒清灰時(shí)，由控制器操縱電磁閥打開(kāi)脈沖閥，此時(shí)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(shì)，并在重力的作用下落入灰斗，實(shí)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(fēng)機(jī)

為了克服流體動(dòng)阻力，必須使流體具有一定的壓力能，通風(fēng)機(jī)就是能使氣體產(chǎn)生壓力能的流體機(jī)械。除塵風(fēng)機(jī)在除塵系統(tǒng)中占有重要位置，主要性能參數(shù)有風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速、功率等。

2.1.1 風(fēng)量與風(fēng)壓

風(fēng)量是除塵風(fēng)機(jī)的重要參數(shù)之一，在選擇除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量時(shí)要根據(jù)鉆機(jī)使用的空壓機(jī)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(jì)收塵器時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量會(huì)比空壓機(jī)能提供的風(fēng)量富裕30%～40%，收塵器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量計(jì)算公式如下：

Q1＝（1+30%～40%）Q

式中：Q1為除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/min；Q 為空壓機(jī)風(fēng)量，m3/min。

除塵系統(tǒng)的壓力損失指氣體從捕塵罩入口到風(fēng)機(jī)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(yùn)行阻力、通過(guò)濾芯的阻力、系統(tǒng)漏風(fēng)壓力損失、管道的摩擦阻力和局部壓力損失，可以通過(guò)公式計(jì)算除塵系統(tǒng)的阻力，但除塵器的運(yùn)行阻力系數(shù)難以計(jì)算，所以一般采用估算法，經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行阻力的10%，系統(tǒng)漏風(fēng)的壓力損失約占設(shè)備運(yùn)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(shí)際情況選擇。所以對(duì)于一級(jí)脈沖除塵系統(tǒng)的風(fēng)壓一般在3 300～4 050 Pa。

2.1.2 功率

當(dāng)除塵系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓確定后，可以進(jìn)行風(fēng)機(jī)的功率計(jì)算，計(jì)算公式如下：

W＝K×Q1×p/（3 600×η0×η1××1 000）

式中：K 為電機(jī)容量安全系數(shù)，1.1～1.5，小風(fēng)機(jī)取低值，大風(fēng)機(jī)取高值；Q1為風(fēng)量，m3/h；p 為風(fēng)壓，Pa；η0為風(fēng)機(jī)內(nèi)效率，一般0.75～0.85，小風(fēng)機(jī)取低值，大風(fēng)機(jī)取高值；η1為機(jī)械效率，電機(jī)（液壓馬達(dá)）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(dòng)取0.85。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)方式

除塵系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源主要是除塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，將鉆機(jī)打孔產(chǎn)生的灰塵吸入除塵裝置，經(jīng)濾筒過(guò)濾后由除塵風(fēng)機(jī)排出。

除塵風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)源有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)2 種，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是效率高，功率損失小，連接管路方便、干凈；缺點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)體積較大，安裝非常不方便。而液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供更大的扭矩，液壓馬達(dá)體積小，便于安裝，轉(zhuǎn)速較高，正常工作轉(zhuǎn)速可達(dá)4 000～4 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，從而使風(fēng)機(jī)提供更大的吸力，使除塵效果更好。但缺點(diǎn)是液壓馬達(dá)的效率低，功率損耗多，且管路連接存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)。選擇什么驅(qū)動(dòng)作為風(fēng)機(jī)的動(dòng)力源，要看鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的類型，如果是柴油鉆機(jī)就只能選擇液壓馬達(dá)為風(fēng)機(jī)的動(dòng)力源，如果是電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)優(yōu)先選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2 除塵濾筒

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

1）單個(gè)濾筒的過(guò)濾面積計(jì)算：

A＝2×L×N×M

式中：A 為單個(gè)濾筒過(guò)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(guò)濾面積計(jì)算：

A1＝Q1/V

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

3）濾筒折量的計(jì)算：

N＝A1/A

式中：N 為濾筒折數(shù)；A1為除塵器需要過(guò)濾的面積，m2；A 為單個(gè)濾筒過(guò)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(jī)構(gòu)和關(guān)鍵部件[4]。分直通式（阻力較大）、直角式和淹沒(méi)式（阻力較小，安裝位置不便），在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)管路布局選擇適合的脈沖閥。

當(dāng)系統(tǒng)的清灰壓力固定時(shí)，則有1 個(gè)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(guò)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(guò)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(shí)噴吹的條數(shù)；f 為濾芯的過(guò)濾面積，m2；Vf為過(guò)濾速度，m/min；k 為誘導(dǎo)比，2～6。

脈沖閥的每個(gè)動(dòng)作周期間隔時(shí)間要根據(jù)濾芯的沾灰程度和鉆1 次孔的具體時(shí)間和工況而定，周期間隔盡量時(shí)間長(zhǎng)一些可以增加脈沖閥和濾芯的使用壽命同時(shí)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(shí)間。因脈沖時(shí)間與壓縮空氣耗氣量成正比，且脈沖時(shí)間大于0.1 s 后，除塵器的壓力損失降低最小，所以脈沖時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。一般噴出壓力為0.7 MPa 時(shí)，脈沖時(shí)間為0.1～0.12 s；噴出壓力為0.6 MPa 時(shí)，脈沖時(shí)間為0.15～0.17 s；噴出壓力為0.5 MPa 時(shí)，脈沖時(shí)間為0.17～0.2 s[5]。反吹時(shí)脈沖閥1 次動(dòng)作，當(dāng)脈沖閥全部噴吹完成后再進(jìn)入新一輪噴吹，中間間隔的時(shí)間為噴吹周期，一般的約60 s左右，實(shí)際操作中根據(jù)除塵器阻力確定脈沖周期。經(jīng)對(duì)比選擇，發(fā)現(xiàn)DMF 型電磁脈沖閥符合鉆機(jī)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(shí)耗氣量由廠家提供參數(shù)進(jìn)行選擇。單個(gè)脈沖閥的耗氣量、噴吹時(shí)間、噴吹周期確定后，進(jìn)行脈沖閥的總耗氣量計(jì)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(gè)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(kāi)啟壓力一般為0.5～0.6 MPa，而潛孔鉆機(jī)的空壓機(jī)的壓力一般從2.1～2.4 MPa，因此通常在該支路安裝氣動(dòng)減壓閥，從而控制進(jìn)入除塵箱的氣體壓力。由于壓縮機(jī)的壓縮作用，從儲(chǔ)氣罐進(jìn)入除塵箱的氣體，會(huì)有少量的水分存在，為了延長(zhǎng)濾芯的使用壽命，在減壓閥上還裝有過(guò)濾器，保證進(jìn)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(chǔ)氣包，簡(jiǎn)稱氣包，對(duì)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(shuō)，氣包越大，所提供的壓力更穩(wěn)定，清灰效果越好。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在脈沖閥噴吹后氣包內(nèi)壓降不超過(guò)原來(lái)儲(chǔ)存壓力的30%。即根據(jù)所選型號(hào)脈沖閥1 次噴吹最大耗氣量來(lái)確定氣源氣包容積。氣包最小體積計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)系統(tǒng)中空壓機(jī)一直開(kāi)啟，氣包內(nèi)壓力降低后隨時(shí)有空氣補(bǔ)入時(shí)氣包體積可適當(dāng)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(guò)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(fēng)機(jī)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(diǎn)有關(guān)。主風(fēng)機(jī)的電耗取決于風(fēng)機(jī)的全壓和所處理的氣體量。對(duì)于1 個(gè)除塵器而言，如果能以較小的風(fēng)量達(dá)到控制粉塵的效果[8]，或者使系統(tǒng)的阻力最小，就可以實(shí)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(qiáng)密封、減少風(fēng)量；合理選擇除塵方式，降低設(shè)備阻力；正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)管道，降低管網(wǎng)阻力；風(fēng)機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)；采用新技術(shù)，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品；嚴(yán)格操作管理、充分發(fā)揮除塵系統(tǒng)效能。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了除塵器的組成和工作原理，通過(guò)除塵器風(fēng)量、風(fēng)壓、功率等的計(jì)算，選擇了合適的風(fēng)機(jī)、濾筒、脈沖閥、減壓閥等裝置，設(shè)計(jì)除塵系統(tǒng)。脈沖濾筒除塵器在鉆機(jī)上進(jìn)行了多次試驗(yàn)且在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間使用，設(shè)備運(yùn)行狀況良好；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，除塵、全塵和呼吸性粉塵的脫除率分別達(dá)到99.9%和95.8%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)除塵效果遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。