長臂采煤機溢流床除塵器的設計和應用研究

李 超

（西山煤電屯蘭礦綜采二隊， 山西 古交 030200）

引言

當前控制粉塵的方法包括通風氣流進行稀釋、噴水進行限制和隔離、噴水進行潤濕和捕集以及淹沒床除塵器進行潤濕和捕集。在這些方法中，最理想的是淹沒床除塵器進行潤濕和捕集，它可以清除氣流中的灰塵，而不僅是稀釋或限制灰塵。具備有效去除可吸入粉塵能力的粉塵洗滌器，已連續多年成功應用于采礦機。但在長壁系統中應用粉塵洗滌器方法除塵并沒有取得顯著效果。盡管試驗證明使用通風鼓、通風前罩、水力洗滌塔和水床洗滌塔等可有效除塵，但這些方法通常存在可靠性低、維護難和集塵能力方面的問題[1-4]。

本文針對長壁系統存在的除塵問題，建造了一個長壁采煤機的全尺寸模型，并配備了溢流床除塵器，用于收集閘門切割滾筒產生的粉塵。

1 長壁采煤機及溢流床除塵器模型創建

采煤機分為主體、前門驅動器、后門驅動器、前門測距臂、后門測距臂、前門鼓和后門鼓7 個部分。采煤機模型的每個部分均使用原始圖紙中的尺寸分別開發，然后將這7 個零件組裝在一起，以創建一個完整的采煤機模型。在采用設計之前，應考慮對洗滌塔進行多次迭代設計。最終設計添加2 個相對較短的模塊：位于頂蓋模塊和主體之間的洗滌塔模塊，以及位于主體和后蓋模塊之間的風扇模塊。設計中還包括連接洗滌塔和風扇模塊以及出口的外部入口和管道。選擇這種集成設計的原因主要是因為高度和可見性限制，無法將洗滌器添加到采煤機的頂部。如圖1 所示，采煤機清理器系統由一個分離臂組成，該分離臂從頂板模塊的頂角（人行道側）延伸到頂板鼓上方約0.46 m（18 英寸）。連接到分離器臂上的是1 塊布在地面上的短絨布。分離臂還具有連接到其上的一系列面向面部的噴嘴。該系統的目的是通過將其朝著臉部引導并遠離人員所在的人行道，從而將在頂蓋附近產生的灰塵封閉。

圖1 采煤機計算模型

圖2 顯示了溢流床除塵器的總體布置，包括編織網、除霧器和風機。捕獲的含塵空氣通過風扇產生的負壓被吸入洗滌塔入口。充滿塵土的空氣撞擊分層篩床，該篩床被全錐噴水潤濕。當灰塵顆粒撞擊濕篩網時，撞擊力會導致大部分灰塵被包裹在潤濕篩網的水滴中。然后，這種空氣/臟水混合物流經除霧器，該除霧器由1 組平行且彎曲的PVC 板層組成。當臟水影響除霧器的褶皺時，它會掉到黑色的水槽中。最后，相對清潔的干燥空氣通過洗滌器出口排出。

圖2 溢流床除塵器的總體布置

連續礦機除塵器的典型風機功率為10～30 kW（13～40 hp），產生的氣體流量為 1.65～4.72 m3/s（3 500～10 000 cfm），篩網由 10～30 層 89 μm 的編織鋼網篩組成。通常在310 kPa（45 psi）的壓力下以0.41 L/s（6.5 gpm）的速度噴水。常用捕獲效率（其是洗滌器捕獲的空氣中灰塵的一部分）和清潔效率（其是從捕獲的空氣中去除的灰塵的百分比）兩個運行特性來定義洗滌器性能。溢流床除塵器技術非常成熟，本文的工作范圍不包括評估或提高除塵器的清潔效率，而集中在開發洗滌器系統上，該系統可有效地收集長壁采煤機頂板切割滾筒附近的灰塵[5-6]。因此，將連續采礦機洗滌塔網和除霧器與37.3 kW（50 hp）的離心風機結合使用。使用的洗滌器由20 層篩網組成，尺寸為64.1 cm×79.4 cm。除霧器由21 層組成，尺寸為62.2 cm×54.6 cm×31.8 cm。使用這種洗滌器和除霧器，風機可提供的最大氣流為6.47 m3/s（13 700 cfm），如表1 所示。

表1 洗滌器組件

2 應用結果分析

使用12 個PDM 來監控長壁廊道表面各個位置的粉塵減少情況，并使用回風道中的4 個PDM 進行監測，確定這些點每個位置上的降塵量以驗證軟件模型。但分析這些位置中每個位置的洗滌器性能是不切實際的，因此本文重點分析以下6 種情況：帶分離臂噴頭的回氣道關閉；人行道（1、2、3、8 位），分叉臂噴水關閉；帶有分離臂的臉部區域（7、12 位）關閉；采煤機主體上方靠近閘板模塊（位置4、5、6）的區域，分流臂噴淋關閉；回氣道，分流臂噴淋打開；人行道（1、2、3、8 位），分配器噴水開啟。

在關閉分流器臂的情況下進行除塵的其余區域研究，包括人行道、工作面區域以及采煤機機身上方的區域。降低人行道中的粉塵濃度非常重要，因為這是礦工通常會工作的區域。因此，減少人行道中的粉塵對于減少粉塵暴露于礦工是非常必要。如表2 所示，統計了不同時間段人行道、工作面區域以及采煤機機身上方區域的粉塵含量，沿工作面和采煤機主體上方的粉塵減少進行了分析，深入了解洗滌器對采煤機附近氣流的影響，并與將在采煤機中開發的CFD模型進行比較。公式（1）顯示了粉塵減少率17.84%。

表2 在所有因素均處于低水平的情況下，在回氣道中進行1 次粉塵濃度測量 mg/m3

然后將結果用于確定主要影響、相互作用，并開發用于減少回風中粉塵的回歸模型。表3 顯示了這種情況的回歸模型參數估計。表3 還顯示了確定系數R2，該系數為0.95，意味著模型預測了觀察到的變化的95%。對表3 的檢查表明，有3 個主要影響因素，最重要的一個是洗滌器容量。進一步的檢查表明三者間沒有明顯的相互作用，洗滌塔的容量系數為12.5，進氣口延伸系數和面風速度系數分別為3.1 和3.4。在所有因素都處于較高水平的情況下，模型預計降塵量為56.4%。

表3 返回氣道的回歸模型參數估計值-分流器臂噴霧關閉

最佳的洗滌器性能應包括進樣口的延伸部分（因為入口更靠近粉塵源）、洗滌器的容量更高（因為洗滌器會清潔更多的空氣）、并且較低的面空氣速度（因為洗滌器清潔了總空氣的較大部分）。例如，在高洗滌能力的情況下，42%的面部空氣以較低的面部空氣速度進行洗滌，而28%的面部空氣以較高的面部空氣速度進行洗滌。但是，在較高的面風速度下，洗滌器性能實際上會更好（當包括進氣口延伸且洗滌器容量處于較高水平時）。盡管洗滌器以較高的面空氣速度清潔了較少的空氣，但是增加的面空氣速度的作用有助于將充滿灰塵的空氣引向洗滌器入口。

負洗滌塔容量與面風速度相互作用效應也相對較小，系數為-2.9。這種相互作用表明，當其他因素處于較高水平（處于測試水平）時，洗滌空氣的性能受到面風速度的影響較小。例如，在洗滌器容量和進氣口處于較高水平的情況下，該模型預測，在面對低空氣的情況下灰塵濃度降低73%，在面對空氣高水平的情況下灰塵濃度降低74%。

3 結論

通過對在實驗室環境中集成到長壁采煤機中的除塵器，可以有效減少空氣中可吸入的粉塵。在長壁采煤機上配備溢流床除塵器，可以有效降低煤炭開采過程中的粉塵。實驗結果表明，在除塵器中增加洗滌塔，返回氣道中的可呼吸粉塵減少了56%，在采煤機附近的走道區域中可吸入粉塵減少了74%。