風動式射流風幕除塵風機的設計研究

曹毅杰

（赤峰工業職業技術學院，赤峰 024005）

0 引言

煤礦采掘機械化實現了煤礦作業的高產高效，同時煤礦井下綜采工作面等的產塵量也隨之增加，特別是呼吸性粉塵的增加加重了井下工作的危害。除塵設備著眼于從粉塵產生的根源處對粉塵進行控制，是粉塵污染防治根本、簡單、經濟的措施。現有除塵風機由于設計及使用等方面的原因，還不能對粉塵的擴散進行有效地控制，而且對呼吸性粉塵的降塵率也較差，難以有效地改善綜采工作面的工作環境。

針對某煤礦綜采工作面的實際應用需求，設計制作了一套風動式射流風幕除塵風機。基于理論分析和試驗研究對風機的射流風幕集塵罩進行了整體設計與參數設計；通過試驗對常用的除塵技術進行對比，確定選用泡沫振動纖維柵除塵作為所設計風動的除塵器；除塵風機以風動風機為動力源，通過試驗對設計的風動風機性能指標進行了測試。現場多次試驗測試結果表明設計的風動式射流風幕除塵機能夠達到很好的除塵效果。

1 射流風幕集塵罩設計

射流風幕集塵罩就是在機械集塵罩的邊緣固定射流管，然后在射流管上鉆出一定數量的射流孔，工作時壓縮空氣由進氣口進入射流管再經射流孔射出，形成空氣射流，進而由于射流的擴散作用使射流（部分）封閉相鄰射流間的縫隙，從而形成封閉性較好的隱形風幕。

1.1 射流風幕集塵罩控塵

射流風幕集塵罩通過兩兩射流孔射流的疊加效果而實現控塵。當集塵罩射流管多個射流孔同時噴射高壓氣流而形成多股平行射流時，射流會在射流前方一定距離出現干涉增強，進而形成一個近乎密閉的射流錐面，防止射流錐體空間內的含塵空氣向錐體外擴散。同時要使射流風幕集塵罩將氣幕控制范圍內含塵氣流控制在幕內而不外溢，還需要滿足如下兩個條件：1) 產生射流風幕的氣流流場總動量應不小于幕內含塵氣流流場的總動量；2) 射流流場水平方向的速度分量應不小于巷道水平反向含塵氣流的速度。滿足上述控塵基本條件情況后，除塵風機動力系統產生負壓，將射流風幕內的含塵氣流吸入除塵器，實現空氣除塵。

通過合理的設計射流孔的個數、直徑及孔間間距等參數，便可在機械集塵罩前方5～10倍集塵罩直徑的地方形成一個控制粉塵源外逸的無形空氣幕，將盡可能多的含塵氣流吸入除塵器處理掉，而又不影響工人的視線和作業空間。

1.2 射流風幕集塵罩設計

集塵罩的功能是匯集含塵氣體，然后通過管道將所吸入的含塵氣體送入除塵器內進行凈化除塵。綜采工作面滾筒割煤速度較快，所產生的粉塵比較分散，而煤礦現場塵源可視為直徑500mm的圓形塵源，故采用圓形傘式集塵罩。集塵罩連同除塵風機一起安裝在掘進機上靠近搖臂末端的位置，取塵源至罩口的距離為2.5m，結合《除塵技術手冊》可得集塵罩控制直徑為1.75m。掘進機破碎割煤時粉塵以較高速度放散出來，為使距罩口最遠點上的污染物能隨氣流進入罩內，根據經驗射流風幕集塵罩的控制風速應大于2.5～10m/s。綜采工作面空間狹小，且巷道內機械設備難于搬運，故而選用耐腐蝕、重量輕、易于安裝維修的薄鋼板作為集塵罩的制作材料。集塵罩最終的形狀表現為大圓直徑600mm、小圓直徑400mm、罩高150mm、吸風量270m3/min 的薄鋼板圓形傘形集塵罩。

上述傘形集塵罩大圓邊緣焊接一個環形圓管，在管上開射流孔形成射流風幕集塵罩，然后通過試驗對集塵罩射流環管上射流孔參數進行優化設計。預先在射流管上鉆不同直徑、不同間距的射流孔，然后將射流管一端封閉，另一端通入高壓壓縮空氣，逐次對某一直徑、某一間距的兩個射流孔進行試驗（其余射流孔全部封閉），測出相應的射流出口風速、射流擴散角和控制距離等參數，然后結合經驗選取最優的參數設計值。進行試驗后折中考慮射流距離和射流出口速度兩個參數，將射流孔直徑設計為3mm，相鄰射流孔之間的間距設計為25mm，同時根據現場實際情況取環形管直徑為25mm、射流壓為0.4MPa～0.6MPa。

射流風幕集塵罩的控塵效果可以用其密封效果和最大控制斷面兩個參數來表征，通過控塵試驗對所設計的射流風幕集塵罩的控塵效果進行測試。正常工作壓力0.4MPa～0.6MPa下試驗測試數據表明在射流孔直徑一定的情況下，隨射流進氣壓力的增加，隔塵效率都大于85%，射流風幕集塵罩的最大控制斷面直徑逐漸增大；同時經計算可得漏氣率在5%～15%之間，射流風幕集塵罩能夠密封住絕大部分含塵氣流。

2 除塵器除塵方法設計

井下綜采工作面現場常用的除塵方法包括濕式過濾層除塵、濕式金屬網格柵除塵、濕式振動纖維柵除塵及泡沫振動纖維柵除塵。通過試驗對比的各種除塵方法的除塵效率、風阻及處理風量等參數，確定適合風動射流風幕除塵風機的除塵器的除塵方法。

依據國標GB482-95與GB481-93的要求，取煤礦煤樣經對輥破碎機XPC-200×75進行破碎，然后通過球磨機得到煤樣，再讓煤樣通過XSB-88頂出式振篩機，得到與煤礦現場試驗相近粒徑分布的試驗粉塵。試驗時將皮托管接到U 型壓差計的兩端，通過壓差計測量流速產生的動壓，進而可根據公式計算出處理風量；以入口速度為基準進行除塵器阻力系數的計算；除塵效率通過質量法進行測定。

整個測試裝置（如圖1所示）由發塵器、風管、風機、除塵器、風速測定儀、阻力測定系統及粉塵濃度測定儀組成。粉塵發塵器的發塵量為0.5～12g/min，室內空氣干、濕球溫度和相對濕度采用干濕球溫度計進行測定，空氣壓力采用大氣壓力計加以測定，粉塵采樣儀選用FC-4，濾膜稱重選用FG328A(S)分析天平。制備待比較的各濕式除塵器系統，進行試驗。

圖1 除塵實驗裝置原理圖

試驗結果表明：1) 濕式過濾層的全塵與呼吸性粉塵除塵效率均較高，但系統阻力較大，過濾層過段時間必須及時清洗更換；2) 濕式金屬網格柵的全塵除塵效率較高，但呼吸性粉塵除塵效率較低，且金屬網格柵金屬絲的交叉點部分容易積聚粉塵造成堵孔，必須及時清洗更換以減小除塵系統阻力；3) 濕式振弦柵的全塵和呼吸性粉塵除塵效率基本達到了礦用除塵器的要求，但由于其受過濾風速影響，處理風量小；4) 泡沫振動纖維柵兼具了振動纖維柵和泡沫除塵的優點，除塵效率能達到93%以上，系統阻力小，且除塵效率基本不受風速的影響。因此選用泡沫振動纖維柵作為風動式射流風幕除塵風機的除塵方法。

3 風動式風機設計

煤礦井下掘進工作面動力除常用的電力外，還有液壓動力和風動動力（壓縮空氣動力）。液壓動力較大且比較穩定，但需要配備液壓油回路系統，系統比較復雜；而風動動力只需一條進風管路，動力較好，還可以根據要處理的污風量調節供風量實現無極調速，其缺點是噪音相對較大，但可以通過噪音控制將噪音控制在允許標準以下。

風動風機馬達選擇氣動馬達，變載荷的場合使用時應注意考慮的因素是速度范圍及力矩，而在均衡載荷下使用時其工作速度則是最重要的因素。通風機葉輪選用玻璃鋼葉輪以避免由于通風機外殼變形或馬達的偏心旋轉造成葉輪與通風機外殼的摩擦產生火花造成不安全因素，葉輪葉片角度取35o，葉片數設計為6個，而葉片直徑則為560mm。風機外殼材料也采用3mm厚的低碳鋼薄板，即將兩張規格為914mm×600mm的薄板經折彎機折成180°半圓弧，然后將兩個半圓弧焊接即為風動風機的外殼。進行風機組裝時，將馬達置于風機外殼內中心位置，用角鋼將氣動馬達初步固定在風機外殼正中心，布置好氣動馬達進氣管和排氣管位置，將玻璃鋼葉輪安裝在氣動馬達上，旋轉葉輪觀察葉輪與風機外殼之間的空隙，確保風機葉輪與風機外殼無摩擦碰撞。最后將氣動馬達固定牢固。

風動風機經測試動力性能滿足實際需求，但存在較大噪聲。參照GB2888-82進行了噪聲測試，射流風幕射流過程產生的噪聲和風動馬達工作時產生的噪聲分別為60dB和85dB，而其它的噪聲源聲級在20dB以下。通過優化射流噴口的形狀、大小及圓滑度，在風動馬達進氣口安裝穩流器，在馬達的兩個排氣口安裝消音器，在除塵風機內壁上安裝吸音材料，成功地將除塵風機的整機噪聲控制在了80dB以下，達到了國家標準的要求。

4 現場應用分析

將設計的風動式射流風幕除塵風機除塵器和風動風機安裝于掘進機機身中央的轉載機上（如圖2所示），而將射流風幕集塵罩安裝在掘進機搖臂上距切割頭中心約2.5m處。射流風幕集塵罩和除塵器用可伸縮柔性骨架風筒連接，射流風幕集塵罩隨掘進機搖臂方向的變化而變化，始終保持射流風幕集塵罩和主要產塵位置方向一致，保證射流風幕集塵罩將絕大部分含高濃度粉塵的氣流控制并吸入除塵風機泡沫振動纖維柵除塵器，泡沫振動纖維柵除塵器中的泡沫由除塵器前端的壓氣式泡沫槍產生，在除塵風機的后方布置泡沫液箱，泡沫液由供液泵壓入到泡沫槍在壓氣的作用下產生泡沫噴向振動纖維柵。整套風動式射流風幕除塵風機可隨掘進機同步移動，避免頻繁安裝。

圖2 綜采工作面風動式射流風幕除塵風機布置圖

掘進機工作時，風動式射流風幕除塵風機的吸塵風筒可迅速將切割產生的大量粉塵吸走，而使工作面端頭無粉塵聚集，抽塵率可達80%～90%，極大的降低了粉塵濃度，改善了工作面的工作環境（如表1所示）。射流風幕的最大控制半徑能達到2m，且密閉性較好，有地控制了集塵罩范圍內的粉塵向罩外擴散。機載除塵系統噪聲為80dB左右，且機載配套性好、安裝維修簡便。

5 結束語

以某礦的綜采工作面為實際應用對象，通過理論分析和試驗研究設計制作了一套風動式射流風幕除塵風機。研究了射流風幕集塵罩的設計，確定了射流風幕產生方式，并通過射流實驗優化出了射流風幕集塵罩的射流參數。通過試驗對常用的除塵技術進行對比，確定選用泡沫振動纖維柵除塵作為所設計風動的除塵器，并試制了除塵器樣機。以風動風機為風動式射流風幕除塵風機的動力源，通過試驗測試了風動風機的性能指標。現場所進行的多次試驗結果表明所設計的風動式射流風幕除塵風機與現場的掘進機配套良好，對全塵和呼吸性粉塵都具有較高的除塵效率，有效地改善了井下工作面的工作環境。

表1 風動式射流風幕除塵風機現場測試結果

[1]郭宏偉,葛仕福.離心除塵風機的試驗研究[J].流體機械,2002,30(3):4-5.

[2]吳俊峰,王超,申永樂,等.自行式雙筒液壓自動除塵風機的設計[J].煤礦機械,2006,27(9):38-39.

[3]戚美,倪剛,譚龍海,等.SCF型濕式除塵風機的改進設計研究[J].煤礦機械,2010,31(7):166-168.