通風除塵設備在電鏟中的設計應用

張國營，賀文健，陳 浩

應用研究

通風除塵設備在電鏟中的設計應用

張國營1，賀文健2，陳 浩2

（1. 神華準格爾能源有限責任公司科學技術研究院，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430000）

傳統礦山電鏟的除塵設備普遍采用機械除塵等方式，存在散熱效率低、噪音大、占用空間大、結構強度低、過濾性較低等問題。本文提出了一種空過濾式除塵設備，重點展開了某礦山電鏟通風除塵設備的設計方法和流程，顯著提高該類型設備對電鏟內部配電設備及機械設備的換熱效率和空氣過濾能力，推動通風除塵設備在礦山領域的應用。

電鏟通風除塵設備 空過濾式 設計方法 流程

0 引言

通風除塵設備作為露天礦山中半連續和間斷開采工藝的大型礦用機械式挖掘機（俗稱“電鏟”）[3]內部主要空氣凈化設備，其換熱效率和除塵效率直接影響電鏟內部各電子元器件的故障率及使用壽命，從而影響到礦山運行的整體經濟效益。由于電鏟內部電器室內的變頻器及機械室內的變壓器、各大型電機在使用過程中，都會產生大量的熱，同時各配電設備內部的精密電子器件對于礦用環境中的大顆粒粉塵極其敏感，較大的發熱量與粉塵濃度將嚴重影響電鏟的生產效率。故降低電鏟各艙室內溫度及凈化各艙室內空氣，可以提高電鏟內部配電設備的使用壽命及其長久可靠性，因此需要對電鏟內部艙室進行降溫及除塵設計。

本文介紹了各類電鏟常用除塵設備的優缺點，從除塵設備應用環境及電鏟空間利用的情況著手，保證電鏟的正常運行，改善電鏟內部的空氣質量和工作環境，滿足電鏟正常運行的條件，對電鏟內部的機械室以及電器室進行降溫除塵治理，從而保障電鏟內部各配電設備的正常、可靠工作。同時展開了用于通風除塵設備的選型與計算方法的研究，為電鏟內部的散熱和除塵提供可靠的技術保障。

1 通風除塵設備選擇

通風除塵設備的結構形式[1]-[2]主要有機械除塵散熱、過濾式除塵散熱、濕式除塵散熱、電除塵散熱等方式。

機械除塵設備包括重力型沉降設備、旋風除塵型設備和慣性除塵型設備等。這些除塵設備的技術特點是構造方式比較簡單、維護相對方便、價格比較低，但設備對應的除塵效率普遍不高，通常被用作于多級除塵系統中的前置預除塵設備。

濕式型除塵設備普遍使用低能型濕式除塵器和高能型文氏管除塵器兩種形式。這類型除塵器的特點是主要除塵介質采用水這種介質。相對來說，濕式除塵器的除塵效率會高一些，但其所消耗的能量也比較高。而且濕式型除塵設備的會產生大批量污水，必須進行二次處理，以避免二次污染，維護使用相對較為麻煩。

空過濾式型除塵設備普遍使用顆粒層除塵器和袋式除塵器兩種形式，其除塵特點是以過濾機理作為除塵設備的主要工作機理。按照除塵設備選用的設計參數和濾料的差別，袋式除塵器的效率可達99.9%及以上。

電除塵設備普遍使用電力作為捕塵的工作機理。普遍使用有干式電除塵器和濕式電除塵器兩種除塵方式。這類型除塵設備的特點是除塵效率較高（特別是濕式電除塵器），耗費動力較少；主要弊端是投資很高，消耗鋼材料較多。

2 通風除塵設備系統設計

2.1 電器室降溫及粉塵治理設計

經過分析了解到電器室內溫度過高原因是室內各配電設備內的變壓器、變頻器在工作過程中產生大量熱量，通過配電設備的下側進風頂部排風進行散熱，而一旦電器室通風量偏小，在夏季高溫時若電器室內的通風條件不足以將散發的熱量及時排出，將會致使配電設備內溫度不斷上升，最終影響配電設備的正常使用經常報警。從而設計時在電器室內部根據風量需求，設置3個送風口，將室外經過凈化的空氣送至電器室。為了避免配電設備本身的散熱風扇壓力不夠，以及升溫造成的衰減，在配電設備頂部設置排風風道，以及用于排風的軸流風機，助力配電設備內部由下而上排至排風管道中的熱風排放到機械室或電鏟車外，具體的排風位置會根據現場布局情況進行布局安裝。同時配電設備難免會將部分熱量通過自身殼體散發到電器室中，所以電器室內需要做通風換氣處理，根據實際情況設計在電器室相應位置做送風，送入的風為通過除塵設備過濾后的室外新風，同時考慮室內空氣循環，在電器室遠端設置兩個外排軸流風機將熱風排放至室外。由于室外空氣污染嚴重，所以整個電器室的送風和排風要保持10%～20%的正壓差，這樣才能保證室外的粉塵不會通過電器室的縫隙進入到電器室，影響電氣設備的使用。

1) 建立健全控制系統信息安全管理制度，制訂了《網絡安全管理辦法》，成立了工業控制系統信息安全管理組織機構。

2.2 機械室降溫及粉塵治理設計

圖1 除塵設備原理框圖

根據對現場電鏟機械室內的設備分析，機械室本身幾乎不產生粉塵，只有小部分粉塵來自于卷揚機鋼絲繩的震動，相對整個機械室可忽略不計。所以設計時只需要考慮不讓室外的粉塵通過機械室的縫隙進入到機械室，所以設計在機械室不同位置設計送風口，無需設計排風，送進來的風通過電鏟車的縫隙及開口處（卷揚機鋼絲繩進出位置）排出。保證100%的機械室正壓，同時送入機械室的風為經過通風除塵設備凈化后的室外新風，溫度低且潔凈程度高。

2.3 電器室風量設計

根據電器室散熱損耗進行設計，電器室的通風，可采用換氣次數確定風量，一般按：變電室5～8 次/h，配電室3～4 次/h。考慮配電設備自身會散發熱量，所以所需通風量比理論值要大，所以要加大機房內部的風量，取15次/h的換氣次數。由于降溫送入的新風從頂部送入，絕大部分從配電設備下部風口進入配電設備，經過電氣元件熱交換后從上部軸流風機排出，相當于對整個電器室的空氣進行了置換，而且該換氣次數遠大于變電室5-8次/h的要求，所以本次設計不再計算電器室換氣次數所需風量。由于電器室相對機械室較為密封，所以在保證電器室散熱的前提條件下，整個電器室的送風和排風要保持約10%～20%的正壓差，這樣才能保證室外的粉塵不會通過電器室的縫隙進入到電器室，影響電氣設備的使用。計算電器室的總送風量為50000×1.2=60000 m3/h，考慮到送風管道的阻力以及風量的損失，最終送風量確定為60000 m3/h。電器室6臺軸流風機總排風量確定為：51000 m3/h。綜上所述最終電器室除塵設備采用3臺高效濾筒除塵器，單臺設備治理風量20000 m3/h。選用6臺排風軸流風機，單臺軸流風機具體參數根據最終排風布置來確定。

2.4 機械室風量設計

根據機械室散熱損耗進行設計，目前進入機械室的風量約60000 m3/h，已滿足電鏟機械室的粉塵治理，根據最新的布局，2臺高效濾筒除塵器除塵主機直接送風至機械室，另外通過電器室后進入機械室的風量約20000 m3/h，因此機械室的設計風量最終確定為80000 m3/h。

2.5 其他設計

根據電鏟具體情況，電鏟車機械室上方已規劃好除塵設備擺放區域，考慮到現場振動工況及除塵本體重量較大，需要對除塵設備的支撐底座進行二次加固。本除塵設備一共有5臺高效濾筒除塵器并排擺放，卸灰方式考慮控制設備的總高度，在高效濾筒除塵器底部共采用1套螺旋輸送機輸送及1臺卸灰閥卸灰，攔截下來的粉塵通過螺旋輸送機再經過卸灰閥直接排放到外部地面。

3 通風除塵設備功能介紹

3.1 高效濾筒除塵器

礦山環境中帶粉塵的空氣在除塵設備風機的作用下通過風道進入高效濾筒除塵器，經過火花分離器過濾掉火星及較大的粉塵顆粒，再通過高效除塵濾筒過濾將凈化后的空氣由風道、經由除塵風機排出。礦山環境中的粉塵被濾芯攔截在其表層之上，當濾筒表面的粉塵不斷沉積時，濾芯內外的壓力差將會增大，當壓差到達設定值閾值時，控制壓縮空氣的電磁閥將會打開，屆時氣管內的壓縮空氣會霎時噴向濾芯內表面，在高壓氣流的沖刷下濾芯上的粉塵顆粒會瞬間掉落。掉落后的粉塵再通過錐心灰斗被收集在灰斗的底部，最后通過用灰斗下方的螺旋輸送機配卸灰閥進行自動卸灰外排。

高效濾筒除塵器是專門針對礦用粉塵及其他粉塵特點開發的一款除塵器，高強度除塵器本體、控制系統、反吹系統、排灰系統等一體化設計，外型簡潔，設計好看，設備體積小，能夠節省珍貴的電鏟場地面積空間。

除塵設備選用的高效除塵濾筒使用壽命長，濾筒外層材料采用進口材料--聚酯基材，材料的表面覆PTFE膜[4]，該覆膜具備一定的防水性，相較于傳統的超細纖維覆膜濾筒應用壽命可延長2倍。

同時除塵設備的電控箱采用外部掛置的形式布置，有效的降低了礦山粉塵對電控設備中的電氣元件的影響，同時依據設備現場運行環境的評估，電控箱外置布局后其裝置的位置可以愈加靈活。

高效除塵濾筒的過濾單元采用端蓋式濾筒快裝式的安裝方式，更加便于濾筒在現場的拆裝及維護，濾筒豎裝使其清灰時能更加的徹底干凈，濾筒過濾面積較大風速較低使用壽命更長。

3.2 過濾元件

高效濾筒除塵器采用高效過濾筒作為過濾元件，該過濾筒的材質不同于普通傳統的濾筒，其外表面進行聚四氟乙烯微孔膜[4]，形成濾膜覆材。同時由于除塵設備長時間運行，現場環境粉塵濃度較大，濾筒表面會有灰塵堆積，假如沒有能主動清灰的裝置，長久以往濾筒的過濾效率將會迅速降低。本濾筒具備十分高的過濾效率，相較于傳統濾筒提高了4倍以上，對于0.1 μm以上的粉塵過濾效率超過了99.9％；而且其應用壽命相較于傳統濾筒提高了2倍以上。即使現場的環境溫度低于零點溫度時，濾筒的過濾元件也能保持十分穩定的過濾能力。各型材料較高的穩定性確保過濾元件有著較長的應用壽命。

高效除塵濾筒的自動化清潔原理：高效除塵濾筒的日常清潔是通過濾筒正上方的壓差傳感器控制的脈沖閥噴吹機構來完成的，每當除塵器運行了一段時間以后，礦山環境的粉塵將會堆積在濾筒表面，使得濾筒的透氣功能降低。這時經過一個安裝在濾筒原氣側、一個安裝在濾筒凈氣側的兩個端口的壓差傳感器監控。當壓差傳感器檢測到內外壓差超過設定值時輸出壓差信號，這時脈沖發生器接收到信號后將依照既定順序啟動脈沖噴吹閥，干凈的壓縮空氣霎時由閥口噴出，噴射氣流直接對濾筒內部進行吹掃直到壓差低于標準設定值時才會停止；濾筒表面積附的粉塵在氣流作用下被清除掃落，落在除塵器底部的集塵灰斗中。同時脈沖閥噴吹需過程中須保持延續且穩定不變的0.5 MPa的供氣量。詳細見下圖2-3。

圖2 濾筒抽風狀態

3.3 耗材更換

根據現場已安裝的除塵設備在電鏟車上使用的情況反饋，原有除塵系統的濾筒更換過于頻繁且更換時間較長非常影響正常工作，且每次更換耗材的費用過高。為了節約成本情況下又能達到操作便捷節省時間的目的，本通風除塵設備的更換濾筒方式為模塊快裝式，除塵設備濾筒每4個為一個模塊，更換濾筒時只需要將原有濾筒取下，直接將準備好的濾筒順機械導軌推入除塵設備，再轉動機械手柄壓緊濾筒即可，更換四個濾筒所需時間不到2分鐘即可，相比較傳統以及現有除塵設備更換濾筒所需時間，快裝式的更換方式更加的便捷、優越，更換時間更短。

圖3 濾筒反吹狀態

3.4 離心式風機

本通風除塵設備采用抗阻變型凈化專用離心通風機，應用于礦山環境中使用除塵設備過濾時，整個系統的阻力隨過濾部件的堵塞從而導致風阻變大的特性開發的專用系列產品。相較于傳統的離心風機，該系列風機在伴隨阻力變換的同時，運行風量變化會更小。能夠延長除塵器過濾部件的清理維護周期。該風機通過采用更先進的設計方法來保證其高效特性。

3.5 控制系統

除塵系統的運行通過采用PLC系統來進行控制，設備運行可靠，穩定；具備對應的顯示、必要的控制、報警等功能；可滿足除塵設備與觸摸屏、變頻器及其它第三方的設備進行通信的需求。電氣工程師可針對使用工況的不同，選擇適用的PLC且對運行程序進行定制化的設置。

4 除塵系統設計計算

除塵系統的設計計算[1]-[2]包括除塵管道內部阻力損失和氣體流量的設計計算、除塵設備管道系統的阻力計算以及電機風機的選擇等，其中最主要的就是管道系統的阻力計算。管道的設計對除塵系統的工作能力、除塵效果和能量消耗都有著直接的影響。

1)繪制整套管網的計算草圖，同時為了方便計算可以在草圖上標注結點編號和各管段的風量、部分阻力系數、管長等計算參數。

2)進行管網結構特性的分析，建立起各環路的組合關系。從主回路開始計算，將各管路結點的相關計算參數填入風管設計計算表格中。

3)通過經濟分技術剖析來選擇合理的主環路管內設計風速，并計算出主環路中各管路結點的壓力損失值和管徑。

4)假設流速、計算風壓的損失、反推管徑的方法計算出各支回路或管道節點的壓力損失，并計算出主、支回路在并聯結點處的風壓平衡率：

若風壓平衡率在9%以內，本次計算結果可通過，否則將重新調整管徑尺寸和設計風速進行風壓平衡計算，直到風壓平衡率能滿足設計要求為止。

1)管道內的氣體流速應當小于傾斜和水平管道中的流速，傾斜和水平管道內的氣體流速應當大于最大塵粒的懸浮速度。在除塵系統中，管道內各截面的氣體存在著渦流現象，所以還必須具有能夠吹走風機前次停轉時沉積在管道內的粉塵。因此，一般實際釆用的氣體流速必須比理論計算的氣體流速大3倍左右。除塵器后端的排氣管道內氣體流速一般取10 m/s。

2)流量的計算

根據矩形管道的氣體流量計算公式：

Q=3600ABv? (2)

式(2)中：Q：氣體流量，m3/h；A、B：矩形管道的長與寬，m；V：管道內氣體的流速，m/s；

3)管道中的阻力損失計算

根據非圓形管道阻力損失的計算公式：

綜上所述，根據除塵系統關鍵位置的元件計算，選出電鏟除塵系統所需要風機、管道等元件型號，以及性能及結構形式。

5 結束語

本文介紹了通風除塵設備的多種除塵散熱方式，對比了多種除塵散熱方式的優缺點及不同環境情況下的選擇，闡述了礦用通風除塵設備的主要原理，重點展開了電鏟通風除塵設備設計的方法和流程。綜上所述，濾筒式通風除塵設備除塵散熱效率高、容量大、空間占用率小、噪音小、維護次數少、運行費用低、可靠性高等優點，可快速跟上礦山電鏟等設備的發展趨勢。隨著電鏟鏟車設備在礦山領域中的應用逐漸增多，通風除塵設備在礦山研究領域必將有著廣闊的運用前景。

[1] 張殿印, 王純. 除塵工程設計手冊[M]. 第二版. 北京: 化學工業出版社, 2010, 6: 24-25, 389-392.

[2] 譚天祐, 梁鳳珍. 工業通風除塵技術[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1984, 8: 24-25, 205-206.

[3] 劉國宏, 楊威. 變頻器水冷循環系統在電鏟中的設計應用[J]. 船電技術, 2022, 42(04): 13-17.

[4] 劉忠東. 聚四氟乙烯覆膜技術與褶式濾筒[C]. 中國硅酸鹽學會環保學術會議論文集. 166-170.

Design and application of ventilation and dust removal equipment in electric shovel

Zhang Guoying1，He Wenjian2，Chen Hao2

(1. Science and Technology Research Institute of Shenhua Junge Energy Co. Ltd, Erdos, Inner 010300, Mongolia ,China ; 2. Wuhan GREAT SEA HI-TECH Co. Ltd., Wuhan 430000, China)

TD422

A

1003-4862（2023）10-0013-05

2023-01-03

張國營(1985-)，男，高級工程師。研究方向：礦山機電。E-mail: 10570362@ceic.com