風水聯動除塵器測試系統設計與試驗驗證

許 斌，陳清華，江丙友，唐明云，趙 君，林漢毅

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.工業粉塵防控與職業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備，但傳統礦用除塵器體積較大、安裝移動不便，在高瓦斯煤礦應用時，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霧化器和軸流風機集合為一體，不僅使其結構更加緊湊，還增強了霧化效果，提高了降塵效率。基于以上特點，風水聯動除塵器正被越來越多的煤礦企業引進，以改善掘進工作面的作業環境。同時，由于風水聯動除塵器運用的是一種新型除塵技術，其性能等還有較大的完善空間，但國內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和降塵效率的關系，得到了其最佳運行工況。Xie[5]等結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，并在數值模型的基礎上對除塵風機的運行參數進行了分析。杜鵬程[7]設計了一種除塵器性能在線測試系統，通過改進檢測除塵效率方法，提高了測試系統的準確性。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要求，并開展測試研究，給出了科學的測試方法。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系，為提升濕式除塵器的降塵效率提供了依據。

通過上述研究可以發現，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動除塵器降塵效率的2 大因素。因此，基于風水聯動除塵器的工作原理，對風水聯動除塵器試驗系統進行了設計與試驗驗證，為研究其除塵效率和最佳運行參數的匹配提供了試驗平臺。

1 風水聯動除塵器工作原理

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

在除塵器運轉過程中，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]。隨著粉塵捕獲數量的增加，霧粒因粒徑增大、質量增加而沉降下來，并在水霧連續沖擊洗滌作用下，使塵泥水漿流出除塵器。

2 風水聯動除塵器測試系統

2.1 測試系統總體結構和工作原理

風水聯動除塵器測試系統主要包括風水聯動除塵器、粉塵發射器、管道、高壓水泵、空氣壓縮機、儲氣罐等。風水聯動除塵器測試系統結構示意圖如圖1。

圖1 風水聯動除塵器測試系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of air-water combined power dust collector test system

粉塵發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，通過調節發射器支架使粉塵發射器粉塵發射出口正對粉塵擴散器；風水聯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，并通過調節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，儲氣罐與風水聯動除塵器通過高壓氣管連接；正壓管道和負壓管道內均安裝有采樣管，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。

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

2.2 粉塵發射器

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

圖2 粉塵發射器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of dust emitter

粉塵發射器工作原理如下：

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

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

3）添料裝置出口處設計有流量控制閥，通過調節流量控制閥，可以控制粉塵進入發射容器的質量流率，以實現粉塵發射濃度的均勻性。

2.3 風水聯動除塵器性能參數測量方法

風水聯動除塵器的主要性能參數為除塵效率、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量，mg/m3；m2為采集粉塵后濾膜的質量，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。系統采用水表計量法對風水聯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，從而得到風水聯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，L；L2為水泵工作后水表示數，L；tp為水泵工作時間，min。

3 風水聯動除塵器測試系統性能試驗

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

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

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

按照風水聯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果如圖4。

圖4 除塵器性能測試結果Fig.4 Performance test results of dust collector

由圖4 可知，通過對比不同運行參數下的測試結果發現，當風水聯動除塵器僅通入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，測試系統的風量及降塵效率均隨供風壓力的增大而增大。

4 結 語

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

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

3）在供風壓力為0.5 MPa 的情況下，供水壓力為3 MPa 時風水聯動除塵器的風量及降塵效率均明顯優于供水壓力為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，風水聯動除塵器的風量及降塵效率均隨供風壓力的增大而增大。