小型盾构机除尘系统设计

高党国，杜东峰

（陕西省机械研究院，陕西 咸阳712000）

掘进机在掘进时，刀具在破碎岩石的同时产生了大量粉尘，这是掘进机粉尘污染的根源。为了保证掘进机安全可靠地工作，必须将这些粉尘有效去除。目前盾构机的除尘主要采用一堵二疏的方法。一是在掘进机机头刀盘支撑外侧设有挡尘板，将粉尘堵在掘进机刀盘前部，不向机头后溢出；二是沿刀盘四周设置喷嘴，其喷水可以形成环状水雾，与较大颗粒粉尘结合沉降，可去除粉尘[1-4]。但对于小直径掘进机特别是开挖直径小于3 m的掘进机，由于空间狭小，湿式除尘容易引起电机以及电气线路短路，干湿除尘设备体积庞大，不能安装在掘进机机体内，所以给小直径掘进机除尘带来很大的困扰[5，6]。

在1800型掘进机除尘系统的设计当中，根据整机的结构布局，结合国家有关法规、规范及标准，在满足有关的工艺操作，在保证设备长期有效运行以及节约成本的情况下，对含尘气体输送管路+加压轴流风机+滤筒式脉冲除尘器+高压离心式引风机的方式工作过程中产生的烟尘进行捕集、输送、过滤，最终再由引风机将处理后含尘气体进行达标排放的设计方案，取得了良好的使用效果。

1 小型盾构机设计要求及技术参数

1.1 技术要求

（1）粉尘排放浓度≤30mg/m3.

（2）除尘效率高，排放浓度低。

（3）占地面积小，钢材消耗量少，一次性投资省。

（4）过滤元件在净气室进行安装，方便可靠。

（5）能保证长周期稳定运行。

1.2 设计原则和技术要求

（1）依据烟气的温度，性质，结合现有场地的尺寸，所需处理的烟气量，入、出口浓度，过滤元件的材质等因素作设计取舍，同时要考虑安全运行的双保险。

（2）滤筒滤料采用过滤精度高、耐磨性能好的聚酯纤维无纺布制作。

（3）选择先进的脉冲清灰技术，运动部件少，故障率低。

1.3 除尘器参数

由于设备距离施工现场太远（最远可达到5公里），通过计算可知，5 km的管路阻力将近24 kPa，而除尘器的阻力为1.2 kPa，故整个系统的阻力约为25 kPa.所以应在管路系统增加高压轴流风机进行压力补偿，故除尘器选型及技术参数如下表1所列。

表1 除尘器型号及技术参数

（续下表）

（续上表）

2 小型盾构机除尘器设计方案

2.1 工作原理

除尘器主体采用滤筒式。随着滤筒技术及材料不断的研制，对除尘器的内部结构和过滤滤芯进行优化改进，目前，滤筒式除尘器已经广泛地应用于水泥、钢铁、电力、食品、冶金、化工等多个行业。随着行业发展的需要，除尘器容量不断增加，该项技术已经成为过滤面积>2000 m2大型除尘器种类之一，为解决传统除尘器对超细粉尘收集难、过滤风速高、清灰效果差、滤袋易磨损破漏、运行成本高等问题，提供了新的技术方案，与现有多种形式的滤袋式除尘相比，具有过滤面积大、压差低、低排放、体积小、使用寿命长等特点，是解决空间小，粉尘处理量大的最佳选择。该除尘器具有占地面积小，布置密度大，结构紧凑，安装方便，成本低，维修工作量小、过滤面积大，阻力小等优点。

在掘进过程中，受回转驱动，破碎的碴石在沉降时，产生大量粉尘，含尘气体经高压轴流风机及管路进入处理装置，气流中部分粗大颗粒在分离后直接沉降；其余粉尘进入滤尘室后，通过滤筒过滤，使粉尘沉积在滤料表面上，净化后的气体由排气管路经引风机排出。

随着滤筒除尘器的工况，滤筒表面积尘达到一定量时，阻力达到某一规定值时必须进行清灰。由清灰控制装置，按设定程序，打开电磁脉冲阀喷吹。首先箱体进气提升阀关闭，将含尘气体与箱体滤料断开，然后电磁脉冲阀开启，压缩空气在短的时间内迅速膨胀，进入滤筒，使滤筒膨胀发生变形，产生振动，附在滤筒外表面上的粉尘被分离，并落入灰斗中。清灰完毕后，电磁脉冲阀关闭，提升阀打开，箱体恢复过滤状态。脱落的粉尘掉入灰斗内，通过缷灰阀、螺旋输送机排出。为防止气流阻力过大，因此，必须周期性地开启清灰装置，对滤筒进行清灰。清灰并不是将滤筒上的灰层全部彻底清除，而是将滤筒表面，残余少量的微尘粒组成布粉层，用于下次过滤较小粉尘。清灰装置是采用脉冲气流来实现清灰的目的，逐行进行清灰。

2.2 滤筒式除尘器的结构

滤筒式除尘器结构由管路、高压轴流风机、箱体、清灰装置、滤筒、气源分配器、卸灰阀、螺旋输送机、引风机及电控装置组成。除尘器中滤筒的布置很关键，既可以倾斜布置，也可以垂直布置在箱体花板上。从清灰效果角度来说，垂直布置效果最佳。花板下部为过滤室，上部为气箱脉冲室。此次设计采用垂直布置的方式，同时在入口处，加装气流分布板。

2.2.1 风道

风道由进出口管道、高压轴流风机、密封件组成。由于在隧道施工时，管线长，气压损失大，为此，分段在管路上加装高压轴流风机，保持足够的气流压力、风速，防止粉尘沉积，造成堵塞管路。

2.2.2 箱体

箱体分为上下结构。上下箱体中间由花板隔开，上箱体是净气室；下箱体安装有滤筒组件，箱体包括了提升阀、喷吹系统、脉冲电磁阀、花板、分流板、滤筒组件。

喷吹系统由仪表、气源、空气管路、气源分配器、电磁脉冲阀、喷吹管等组成。每排滤筒上均有一根喷吹管，通过电磁脉冲阀与气源分配器相连。喷入滤筒的压缩空气，由气源分配器的脉冲电磁阀开启时间决定。气压系统的工作压力应在0.2～0.4 MPa之间，压力越低，对滤筒损伤越小，在保证清灰效果的前提下，应尽量将气压调至最小。采用在脉冲喷吹管路上安装有导流装置，使脉冲气流充分进入滤筒，加速气流的速度，优点是耗气量少，清灰效果显著。

喷吹需瞬间完成，使用膜片阀来实现快速反应，箱内的压缩空气压迫触发膜片和主膜片是电磁脉冲阀保持关闭状态，在电磁阀的激励下，在触发膜片上产生压差，膜片抬起，主膜片一侧空气泄出，主膜片在压差作用下抬起，箱内压缩空气进入喷吹管，在喷吹管的引导下冲入滤筒。

滤筒内急速下冲的压缩气流，滤筒突然径向变形膨胀，使滤筒外表面积聚的灰尘脱落分离。电磁脉冲阀在不激励状态时，空气泄出处关闭，气压将膜片复位，电磁脉冲阀关闭，喷吹时应将提升阀关闭。

气流分流板针对气流的上升和粉尘的下降，如果气流分布不均，实践证明，流速过低时，会大幅降低除尘效率。分流板的开孔率约为50%时，阻力系数较小，为此气流速度控制在<0.8 m/s时，分流板布置完全满足滤筒式除尘器的使用要求。

2.2.3 花板及滤筒>

花板用于固定滤筒，并可作为滤筒检查平台。滤筒组件从花板孔装入。

滤筒由顶盖、金属框架、褶形滤料和底座等组成。滤筒按形状分为圆形、扁形和锥形等。滤筒是用设计长度的滤料折叠成褶，首尾黏合成筒，筒的内外用金属框架支撑，上、下用顶盖和底座固定。顶盖用螺栓固定。针对滤筒上下端盖及护网必须粘接牢固，不允许有脱胶、漏胶和流挂等缺陷；滤筒上的金属件必须满足防锈要求；滤筒外表面应无明显伤痕、磕碰、拉毛和毛刺等缺陷；滤筒的喷吹清灰，按需要可配用诱导喷嘴或文氏里管等喷吹装置，滤筒内侧加有防护网，采用圆形结构，直径Φ320 mm，长度660 mm滤筒，配有文氏里管。见表2.

表2 聚酯纤维无纺布常用工况和保质条款

脉冲气流未经过文丘里，直接喷吹进入滤筒内部。进入滤筒的气流在滤筒上部流速是最快的。随这气流不断向下运动，并向四周扩散，因而使气流速度不断降低。由于气流速度越快、压力越低，因此在滤筒的上部形成了一个负压，压力分布从上到下不断增加，这样就使滤筒上部清灰不彻底，下部滤材容易破损。见图1.

图1 布袋抽风及反吹工作状态图

在脉冲喷吹管上安装滤筒用文丘里喷嘴。喷吹压力采用全滤筒高度正压喷吹形式。脉冲喷吹时，喷吹气流进入文氏管，随着文氏管截面不断减少，使气流速不断加快，压力减小，形成负压区，引导周围气体流入，形成二次气流。使喷吹的气流量大幅增加，通过文氏管进入滤筒后，使整个滤筒内部的压力分布很均匀，清灰效果大为改善，滤筒底部损坏率减少，喷吹耗气量减少。喷吹气流应干燥、不含油、无粉尘。脉冲阀无漏气现象，且正常启闭，工作可靠。脉冲控制仪喷吹时间与间隔均能调整。

2.2.4 出灰装置及支腿

出灰装置由灰斗、卸灰阀、螺旋输送机等组成。灰斗出灰法兰与卸灰阀连接。支腿是用于支撑除尘器本体、灰斗。

2.2.5 检测、控制系统

PLC控制系统允许全自动操作和手动操作。系统逻辑由可编程控制器提供。

2.2.6 滤筒设计根据总成要求要注意以下要素

（1）粉尘排放，要选择具有过滤精度高、清灰容易、阻力小的多微孔薄膜复合的滤材。

（2）环境湿度，粉尘易吸潮或粉尘中含有油脂成份时，考虑选择具有防油、防水、防污功能的滤材。

（3）内骨架尺寸及强度的确定主要考虑通油小孔的大小不应影响过滤气量，考虑滤筒承受的压差要以骨架支撑，所以直径越小强度越高。

（4）除尘器总高和进出口的距离。

（5）滤筒过滤能力。

（6）出气口连接方式及尺寸。

（7）过滤精度等相关的性能要求。

3 结束语

针对此项目，综合所述得出如下几点：

（1）隧道在施工过程中，会产生大量的粉尘。通过对粉尘收集，大幅降低隧道粉尘对人体的危害。

（2）在掘进过程中配备一套干式除尘机，运行后将粉尘浓度降低至允许排放范围以内。

（3）除尘器与通风机并用，大幅降低了通风机的送风量，降低了生产成本。

[1]郭海军，董华东.长压短抽除尘系统在快速掘进工作面的应用[J].煤矿安全，2016（4）：158-160.

[2]辛德林，张世良，郑 彬，等.煤矿长距离斜井盾构法施工通风技术[J].施工技术，2016（22）：15-18.

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[4]扈国义.神华新街台格庙矿区斜井盾构穿越煤系地层安全处置技术[J].铁道建筑技术，2017（2）：62-66.

[5]黄剑飞.可燃性粉尘湿法除尘系统的风险分析及控制[J].浙江化工，2017（6）：42-44.

[6]张文清.干式除尘系统在全岩大巷掘进中的应用[J].建井技术，2017（2）：46-48.