风水联动除尘器测试系统设计与试验验证

许 斌，陈清华，江丙友，唐明云，赵 君，林汉毅

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.工业粉尘防控与职业安全健康教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；3.大同煤矿集团有限责任公司 同大科技研究院，山西 大同 037003）

除尘器是掘进工作面的主要降尘设备，但传统矿用除尘器体积较大、安装移动不便，在高瓦斯煤矿应用时，还因动力装置采用电动部件而存在电气安全隐患[1-3]。风水联动除尘器作为一种新型湿式除尘器，通过直接使用矿井静压水和高压气作为动力源，提高了除尘器使用的便利性，消除了电气安全隐患。该除尘器还通过将旋转雾化器和轴流风机集合为一体，不仅使其结构更加紧凑，还增强了雾化效果，提高了降尘效率。基于以上特点，风水联动除尘器正被越来越多的煤矿企业引进，以改善掘进工作面的作业环境。同时，由于风水联动除尘器运用的是一种新型除尘技术，其性能等还有较大的完善空间，但国内外却鲜有对其性能的研究，因此亟需对其性能进行研究。

为了提高除尘器的性能，Liu[4]等设计了一种剪切冲击式雾化除尘器，通过研究该除尘器的运行参数和降尘效率的关系，得到了其最佳运行工况。Xie[5]等结合旋风除尘器和滤筒式除尘器的特点，提出了一种新型滤筒式旋风除尘器，并对其压降和降尘效率等性能进行了实验研究。赵海鸣等[6]利用FLUENT对湿式除尘风机的三相流场进行了研究，并在数值模型的基础上对除尘风机的运行参数进行了分析。杜鹏程[7]设计了一种除尘器性能在线测试系统，通过改进检测除尘效率方法，提高了测试系统的准确性。刘含笑[8]等针对湿式电除尘器的测试特点，提出了测试工况、测孔位置、测孔尺寸及采样点布置等相关要求，并开展测试研究，给出了科学的测试方法。郭振新[9]等通过试验得到了湿式除尘器的风量与频率、风量与功率以及风量与除尘效率的关系，为提升湿式除尘器的降尘效率提供了依据。

通过上述研究可以发现，除尘器的除尘效率是评价其性能的重要指标，而风压和水压则是影响风水联动除尘器降尘效率的2 大因素。因此，基于风水联动除尘器的工作原理，对风水联动除尘器试验系统进行了设计与试验验证，为研究其除尘效率和最佳运行参数的匹配提供了试验平台。

1 风水联动除尘器工作原理

风水联动除尘器通过风动马达可直接驱动扇叶旋转，同时由于旋转组件上喷嘴喷射的高压水流方向与扇叶产生的气流方向存在一定夹角，从而产生旋转力矩并进一步驱动扇叶转动。因此，风水联动除尘器可以由风压和水压联合驱动。

在除尘器运转过程中，高压水流与筒壁碰撞形成微细水雾，通过微细水雾捕获、凝聚粉尘[10-11]。随着粉尘捕获数量的增加，雾粒因粒径增大、质量增加而沉降下来，并在水雾连续冲击洗涤作用下，使尘泥水浆流出除尘器。

2 风水联动除尘器测试系统

2.1 测试系统总体结构和工作原理

风水联动除尘器测试系统主要包括风水联动除尘器、粉尘发射器、管道、高压水泵、空气压缩机、储气罐等。风水联动除尘器测试系统结构示意图如图1。

图1 风水联动除尘器测试系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of air-water combined power dust collector test system

粉尘发射器放置于负压管道入口前，粉尘扩散器安装在负压管道入口处，通过调节发射器支架使粉尘发射器粉尘发射出口正对粉尘扩散器；风水联动除尘器通过螺栓固定在除尘器支架上，正压管道和负压管道分别置于除尘器的后端和前端，并通过调节管道支架使两管道与除尘器处于同一高度；高压水泵与风水联动除尘器通过高压水管连接，空气压缩机与储气罐通过高压气管连接，储气罐与风水联动除尘器通过高压气管连接；正压管道和负压管道内均安装有采样管，以便连接粉尘采样器；正压管道出口位置处装有风速测量装置。

风水联动除尘器测试系统工作原理如下：空气压缩机向储气罐供压，分别调节储气罐和高压水泵的压力控制阀实现对风水联动除尘器运行参数的控制，驱动除尘器进行工作；待风水联动除尘器在管道内形成稳定流场后，通过风速测量装置风量大小，同时开启粉尘发射器向管道内发射煤粉，煤粉在负压作用下经粉尘扩散器扩散后在负压风筒内向风水联动除尘器方向运移，粉尘采样器对负压管道内的煤粉进行采样得到负压风筒内的粉尘浓度；煤粉经除尘器除尘后从正压管道的出口流出，经粉尘采样器对正压管道内的煤粉进行采样得到正压管道内的粉尘浓度，通过对正、负压管道内的粉尘浓度的计算，得到联动除尘器的除尘效率。

2.2 粉尘发射器

为了能够获得均匀的粉尘发射浓度，研制了一种粉尘发射器。该粉尘发射器主要由控制台、防爆电机、离心叶轮、添料装置、发射容器、胶带传动装置和防尘罩组成。粉尘发射器结构示意图如图2。

图2 粉尘发射器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of dust emitter

粉尘发射器工作原理如下：

1）防爆电机通过胶带传动装置带动离心叶轮旋转，在发射容器内形成旋转风流，对发射容器内的粉尘进行搅拌扬尘，从而使粉尘从发射容器出口射出。

2）添料装置通过3 根支撑架安装在发射容器上方，并依靠防爆电机运行时产生的振动促使粉尘落入发射容器中。

3）添料装置出口处设计有流量控制阀，通过调节流量控制阀，可以控制粉尘进入发射容器的质量流率，以实现粉尘发射浓度的均匀性。

2.3 风水联动除尘器性能参数测量方法

风水联动除尘器的主要性能参数为除尘效率、风量和耗水量。

1）除尘效率测量。粉尘浓度的测量方法分为采样法和非采样法，采样法测量准确度高，不受粉尘的特性影响[12-13]。因此，测试系统采用采样法中的滤膜称重法对粉尘浓度进行测量，通过粉尘采样器进对负压管道和正压管道中的粉尘进行采集，计算除尘前后的粉尘浓度，从而得到风水联动除尘器的除尘效率。其检测原理如下：

式中：c 为气体含尘浓度，mg/m3；m1为采集粉尘前滤膜的质量，mg/m3；m2为采集粉尘后滤膜的质量，mg/m3；q 为采样流量，m3/h；t 为采样时间，s；η 为除尘效率；c1为负压管道粉尘浓度，mg/m3；c2为正压管道粉尘浓度，mg/m3。

2）风量测量。系统采用动压法测风量，在正压管道出口位置处安装皮托管，将皮托管的前端中心孔正对风流，通过与皮托管的“+”、“-”接头相连的U 形管计算该位置处的风压，进而得到风量的大小。其检测原理如下：

式中：Qg为风量，m3/min；ρl为水的密度，kg/m3；ρg为空气的密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；l 为U形管两端液面高度差，m；D 为管道直径，m。

3）耗水量测量。系统采用水表计量法对风水联动除尘器的耗水量进行测量，通过在高压水泵的出水口安装高精度水表，记录除尘前后水表示数，从而得到风水联动除尘器在不同水压下的用水量大小。其测量原理如下：

式中：Ql为耗水量，L/min；L1为水泵工作前水表示数，L；L2为水泵工作后水表示数，L；tp为水泵工作时间，min。

3 风水联动除尘器测试系统性能试验

风水联动除尘器测试系统总成如图3。利用该测试系统分别对风水联动除尘器进行除尘效率和风量测试验证，除尘测试工况参数见表1。

表1 除尘测试工况参数Table 1 Dust removal test parameters

图3 风水联动除尘器测试系统总成Fig.3 Air-water combined power dust collector test system assembly

按照风水联动除尘器性能的测试方法对其耗水量、降尘效率和风量分别进行测量，测得风水联动除尘器在3 MPa 的水压下水量恒定为20 L/min，风量和除尘效率测试结果如图4。

图4 除尘器性能测试结果Fig.4 Performance test results of dust collector

由图4 可知，通过对比不同运行参数下的测试结果发现，当风水联动除尘器仅通入0.5 MPa 的风压时，粉尘只能依靠自身重力沉降，此时除尘器的降尘效率较低；当风水联动除尘器同时通入0.5 MPa 的风压和3.0 MPa 的水压时，高压水流会进一步增大扇叶转矩，并冲击筒壁形成微细水雾，促进雾滴与粉尘的凝聚，使得除尘器风量和除尘效率较之仅供风时的工况均有较大提升。在供水压力为3 MPa，供风压力为0.2～0.5 MPa 时，测试系统的风量及降尘效率均随供风压力的增大而增大。

4 结 语

1）基于风水联动除尘器的工作原理，完成了风水联动除尘器测试系统的设计与研制，为实现其除尘效率和最佳运行参数的匹配提供了试验平台。

2）当供水压力保持在3 MPa 时，风水联动除尘器的耗水量恒为20 L/min，验证了风水联动除尘器测试系统的稳定性。

3）在供风压力为0.5 MPa 的情况下，供水压力为3 MPa 时风水联动除尘器的风量及降尘效率均明显优于供水压力为0 MPa 时的情况。

4）在供水压力为3 MPa，供风压力为0.2～0.5 MPa 时，风水联动除尘器的风量及降尘效率均随供风压力的增大而增大。