西冯街综掘面湿式除尘技术应用

李晋锋

(山西阳城阳泰集团 西冯街煤业有限公司,山西 阳城 048100)

目前我国由粉尘引发的尘肺病患者约有80万人,每年约新增1.5万人,其中大部分是煤矿工作者。每年由尘肺病造成的直接经济损失约80亿元。除了造成职工尘肺病外,可燃性粉尘飘散在空气中还可能引发粉尘爆炸,危害性极强。我国建设“健康中国”目标中明确提出要增强对作业场所粉尘的治理,煤矿安全生产规划中也提出要重点研发预防职业病危害的技术装备。掘进工作面产尘量随掘进机应用规模的大范围推广而激增,已成为煤矿最重要的粉尘源,在一些综掘工作面,粉尘质量浓度高达1 000 mg/m3.研究人员已针对综掘工作面研发了多种降尘技术手段,如湿式除尘器、喷雾降尘、泡沫降尘等。但目前湿式除尘风机依然存在着内部雾化喷头容易堵塞、粉尘过滤网不易清理等问题。本文在西冯街3404综掘工作面进行湿式除尘风机应用研究,降尘效果较好,能够为其他掘进机降尘技术应用提供有益借鉴[1-3]。

1 3404掘进工作面概况

西冯街3404巷道位于3号煤层,设计掘进长度1 270 m,地面标高+552～+673 m,巷道断面宽度和高度分别为5 m和3 m.煤尘无爆炸危险性,自燃倾向性等级为III级,不易自燃,绝对瓦斯涌出量为0.42 m3/min.巷道利用EBZ135掘进机快速掘进,截割头掘进深度为0.6 m,工作面利用FBD№6.3(22 kW×2)局部通风机供风,工作风量为400 m3/min.煤种为无烟煤。

2 除尘系统优化

掘进工作面产尘位置比较固定,主要为掘进机截割头强力旋转割煤处和转载点处。掘进机自带的内外喷雾能够实现一定的降尘效果,但长期使用后发现,由于工作面供风量大,迎头壁面处的风速可高达10 m/s,对喷雾雾滴场塑性有极大影响,雾滴场无法对截割头产尘区实现有效包围,粉尘润湿效果和降尘率难以满足国家要求。而且由于井下降尘用水水质一般,喷雾喷嘴直径较小,容易出现堵塞等问题,因此仅依靠掘进机自带内外喷雾难以实现高效降尘的目标。

2.1 湿式优化思路

为了避免湿式除尘风机存在的喷嘴堵塞等问题,需要对其进行优化,如果能够取消除尘风机内部水雾喷嘴,就可以从根本上改善因水质不佳造成的喷嘴堵塞问题,还能降低阻尘过滤网的清洗频率。主要做法为:利用水管直接替代雾化喷头,水管内径较大,可以避免吹水口堵塞等问题;重新设计内部旋转叶轮,既能实现对含尘气流的抽取,又能有效阻碍粉尘向后方移动;设计导流片,使含尘气流顺导流片吹向筒壁,在离心力和惯性作用下净化含尘气流并降低气流中的水分含量;在导流片后再增设1道除水网,以降低通过除尘器后气流的湿度[4]。

2.2 优化方案

湿式除尘器如图1所示。可以看出,该除尘器内部构造简单,体积较小。内部主要包含进径混式叶轮、导流片、脱水栅和排污槽。除尘器整体长度为2.1 m,内径为0.9 m,进风口和出风口直径分别为0.64 m,叶轮直径为0.8 m,电机为矿用防爆型电机,吸风量为300～450 m3/min,在西冯街3404掘进工作面的工作流量为320 m3/min.

图1 湿式除尘器结构及实物图

优化后的湿式除尘风机净化风流的原理见图2.主要包含进水部分、旋流水膜部分,风机旋转后带动叶轮旋转,从掘进工作面迎头处吸入含尘气流,利用布水盘使水流变成旋转的水膜向壁面移动,并捕捉粉尘颗粒。含尘风流经过叶轮和导流叶片后,在离心力作用下向筒壁移动,但粉尘颗粒受惯性作用被叶片截留,然后经离心力作用被甩至筒壁。气流经过脱水栅降低水分含量,通过出风口排入巷道。整个过程分别利用布水盘、叶轮、导流叶片3次截留气流中的粉尘颗粒,并利用导流叶片和脱水栅降低气流中的含水量,既能高效治理粉尘,又能降低环境湿度,提升作业舒适感[5-6]。

图2 湿式除尘风机净化风流原理图

叶轮为径混式结构,能够在保障较高的吸气量效果下,有效截留粉尘。叶轮后方为布水盘,其整体构造为锥形,见图3,这样既提升了布水盘旋转时的稳定性,又降低了除尘器内部的风流阻力,含尘气流经过时速度降低并向壁面处移动,气流方向由轴向向倾斜的径向转变,可以有效提高除尘风机的除尘效率。经过进水管进入布水盘中心的水流经过旋转作用形成水膜,含尘气流冲击在布水盘上,粉尘颗粒会被水膜润湿截留。水流从进水管直接流到布水盘上,有效避免了因水质造成的雾化喷嘴堵塞问题,提高除尘器净化粉尘稳定性的同时,降低了设备的运行成本。

图3 布水盘原理

叶轮的多个叶片中间形成了自然的文丘里效应,叶轮旋转后产生负压,并对含尘气流产生较大的离心力,经过了布水盘的水滴在叶轮中间经过文丘里和负压效应再次被破碎形成颗粒较小的雾滴,内部湍流强度增加,提高了雾滴和粉尘颗粒的碰撞效果,实现了对粉尘的再次捕获。

内部导流结构(图4)通过与旋转轴倾斜固定的叶片实现,导流结构同时具有除尘、脱水和导流效果,前两者通过导流效果实现。高混合程度的含尘及水雾气流从导流板经过,水雾和颗粒由于惯性撞击到导流板上,大量水雾在导流板表面形成水膜,粉尘颗粒接触后即被捕获。同时,由于离心力的作用,水膜和粉尘颗粒均向除尘器内壁运移,实现脱水效果。

图4 湿式除尘系统内部导流结构示意

导流结构后方还装设1个脱水栅,如图5所示。虽然经过导流板后能够净化气流中的粉尘颗粒和水雾,但由于处理的风量大,还需要再增设1个脱水栅。气流经过脱水栅时变成螺旋结构,增强了其离心力,经过导流板后依然残余的粉尘和水雾将在惯性作用下被甩至除尘器内壁,达到再次脱水和净化气流的目的。

图5 脱水栅示意

内壁和各挡板被截留下的水流和粉尘颗粒在重力作用下向下移动,在除尘器最下方安设排污槽,该排污槽可以单独清洗。

3 降尘效果分析

西冯街3404掘进面装设了湿式除尘系统后,为了评价其降尘效果,在除尘风机出风口后方5 m处的1.5 m高度和掘进机司机呼吸带处布置了粉尘测尘点。利用掘进机外喷雾和优化的湿式除尘风机降尘后,在掘进机司机呼吸带处的总粉尘和呼吸性粉尘质量浓度为28.7 mg/m3和19.5 mg/m3,对总粉尘和呼吸性粉尘的降尘率分别为95.4%和94.4%.在除尘风机后方,总粉尘和呼吸性粉尘质量浓度分别从340.8 mg/m3、196.4 mg/m3降低至8.9 mg/m3、3.2 mg/m3,降尘率分别为97.4%和98.4%.除尘率计算公式为:

(1)

式中:μ为除尘率,%;c1为没有采区降尘措施时的粉尘质量浓度,mg/m3;c2为采用综合降尘措施后的粉尘质量浓度,mg/m3.

4 结 语

通过分析西冯街3404综掘工作面的产尘强度和特征,对湿式除尘系统进行了改进。取消湿式除尘风机内部的水雾喷嘴,水流直接从供水管出口流向布水盘,布水盘上的水膜和叶轮、导流片共同构成阻尘系统,形成三级除尘、两级脱湿系统。掘进机司机处总粉尘和呼吸性粉尘降尘率分别为95.4%和94.4%.在除尘风机后方,总粉尘和呼吸性粉尘残余质量浓度分别为8.9 mg/m3和3.2 mg/m3,降尘率分别为97.4%和98.4%.