胶带机返程干式清扫机组的研究与应用

李浩峰,李银广

(神华北电胜利能源有限公司,内蒙古 锡林浩特 026000)

伴随着矿山技术的进步和环境保护意识的增加,煤矿行业向着绿色矿山方向发展[1-3]。我国露天矿区主要集中在干旱且高寒地区,在煤炭的储运过程中极易导致产生煤尘,严重威胁着作业人员的身体健康及机械设备的正常运行[4-7]。为了解决粉尘灾害,大量学者针对降尘和除尘进行了大量的研究。高智军[8]为了解决采煤工作面粉尘超限的问题,提出了泡沫降尘和支架间负压二次喷雾降尘技术,降尘率达到了90%;王鹏[9]研究了工作面的粉尘运移规律,得出采用径向式附壁风筒控尘效果较为明显;荔军[10]通过对17套井下干式除尘器的初始使用情况和长期使用情况进行调研,发现控尘技术在巷道粉尘治理中起着重要作用;王昊等[11]针对煤矿综掘面粉尘超限,对不同压抽风量比条件下的多径向涡旋气幕运移及其阻尘效果进行研究,分析得出当压抽风量比为0.8时,降尘效果明显;葛少成等[12]针对泡沫除尘技术和风幕除尘技术进行了分析于归纳,得出目前降尘技术尚不完善,需要将多因素结合进行粉尘的治理。除尘设备方面,张江石等[13]针对现有连续采煤机除尘系统无法解决掘进工作面粉尘超限的问题,设计了适合神东大柳塔煤矿掘进工作面的连采机除尘系统,现场测试现实降尘效果明显;阴少辉[14]提出了采用自动化喷雾系统对带式输送机进行降尘在现场应用过程中取得了明显效果。

目前,极端工作条件下的胶带机除尘问题仍然未得到妥善的解决,随着建设绿色矿山要求的提出,胶带机的粉尘治理问题显得越发重要。鉴于此,笔者针对神华北电胜利能源有限公司302号胶带机沿程及驱动站粉尘处理的现状和实际生产需求以及气候环境的制约,设计了一种胶带机返程干式清扫机组,机组运用螺旋刀片绕中心轴旋转而产生的切削原理以及条状物抽打冲击得到的振颤原理,将附着于胶带的煤粉清除掉,实现了胶带表面的干式清扫,且能将附着在胶带机表面的煤粉进清理后自动100%回收,运行过程无人值守,保障了胶带机的安全高效运行,有效降低了胶带机附近的粉尘含量,保证了作业人员的良好工作环境,为胶带机粉尘治理和除尘提供了新思想和新理念。

1 工程背景

神华北电胜利能源有限公司位于内蒙古锡林浩特市北郊6 km,距锡林浩特市6 km,年平均气温0～3 ℃,结冰期长达5个月,寒冷期长达7个月。胶带机是煤矿运输的重要装置,担负着全厂煤炭的运输任务。302号胶带机是公司的主要运输胶带,302号胶带宽2 000 mm;带速4.35 m/s;胶带表面较新且较为平整,机尾原有滚筒除尘装置且无水冲洗地面系统。302号胶带机沿程一期给煤机、二期给煤机、机尾导料槽、机尾滚筒等处已安装相应的除尘设备,这些部位的粉尘已得到治理。但由于原煤所含水分、胶带静电、带面伤痕等原因使得返程胶带带粉严重,并且胶带运行时,胶带表面粘附的煤粉与驱动滚筒、改向滚筒、包角滚筒、各种托辊发生接触、挤压、震动,导致粘附在胶带表面的煤尘和隐藏与胶带表层橡胶裂纹深处的煤尘脱离胶带表面,造成胶带机沿程和驱动间等处粉尘污染严重。

煤尘飘荡会严重危害作业人员的身体健康,并且煤尘飘落与设备运转表面会造成磨损或污染腐蚀影响设备安全运行。大量的粉尘飘落于地面需要大量的人员进行清理作业,降低了工作效率的同时还存在十分严重的安全隐患。

2 胶带机返程干式清扫机组

2.1 机组结构组成

胶带机返程干式清扫机组为壳体结构,壳体内安装上下2排滚动清扫器,上排有2组滚刷,下排有1组螺旋铰刀和2组滚刷,上下2排滚动清扫器平行安装,其中有螺旋铰刀用于清除冬季板结的冻层,滚刷用于清理附着在胶带表面的煤粉,以上下2排滚动清扫器由驱动电动机带动旋转方向与胶带机运行方向相反,以上下2排滚动清扫器可进行上下微调以保持与胶带紧密接触,滚动清扫器清理下来的煤粉落入壳体底部积灰斗,落到积灰斗的煤粉由清灰绞龙输送集中到负压风管入口,由负压输送系统将煤粉送到除尘器进行分离。胶带机返程干式清扫机组,胶带的进、出口有一定长度而且狭窄由于负压风管产生的高负压和高风速将胶带表面的粉尘带走达到清扫胶带的目的。机组结构如图1、图2所示。

图1 机组外壳示意Fig.1 Schematic diagram of unit casing

图2 机组内部示意Fig.2 Internal schematic diagram of the unit

目前,胶带附着物清理多数采用板式清扫器清扫,由于胶带运行速度很快(3.15～4.15 m/s),且不断地发生抖动,板式清扫器磨损较快,导致清理不彻底,用水冲洗后冬季结冰无法使用。但是本胶带机返程干式清扫机组有上下2排滚动清扫器,消除了胶带抖动问题,不间断进行清扫,所以经现场实际使用清扫效果很好。

2.2 机组的作业方式

胶带机卸料后,由于粉尘含水和胶带橡胶裂纹的吸附力部分煤尘仍黏附与胶带表面,且北方冬季寒冷胶带长时间处于露天温度极低,由于粉尘含水会冻结在胶带承载表面或托辊、改向滚筒、驱动滚筒表面,影响胶带机正常运行或危害胶带,影响胶带的使用寿命。鉴于这些原因,利用螺旋清冰器清除冻结于胶带承载表面的板结层,利用滚刷清除附着于胶带非承载和承载表面的煤粉,利用负压吸尘原理将隐藏与胶带非承载和承载裂纹的微细粉尘吸除干净,完成胶带非承载和承载表面的清洁工作,胶带每运行1周清理1遍,实现胶带无尘进行。

胶带清扫之后掉落下来的煤尘或板结冻块落入机组下部集灰斗内,集灰斗底部设置了绞龙清灰器,通过绞龙清灰器叶片旋转推力将集灰斗底部的煤粉推到处灰口,煤粉推到处灰口后利用负压吸尘系统将煤粉输送到除尘器,将煤粉输送到除尘器后进行分离,分离后的煤尘落入缓冲仓或洁净空气,由风机出口排入大气。绞龙清灰器如图3所示。

图3 绞龙清灰器Fig.3 Twisting dragon dust remover

除尘机组为一密闭壳体,密闭壳体内在高压引风机的作用下呈负压状态。胶带的进出口为气体进口,进口的高压气流会起到负压清扫胶带的作用。除尘机组安装于机头返程胶带二道清扫器的位置,实现完整胶带的清扫工作。机组进气口如图4所示。

图4 机组进气口Fig.4 Unit air inlet

3 胶带机返程干式清扫机组的作业原理

由于气候寒冷,原煤带水在寒冷的环境中极易结冰,故机组采用螺旋清冰器进行清冰作业。利用缠绕旋转主轴上的螺旋刀片,刀片旋转方向与胶带运行方向相反,刀片运行线速度为胶带的1.5倍,刀片数量为6片,轴功率4.5 kW。实践表明,刀片与胶带横向截面平行,由于刀片为螺旋状为点切削保证绞龙与胶带连续切削胶带与平稳接触,螺旋切削减小切削阻力,节省功率。

返程胶带带粉的原因主要是物料水分粘度粘料、静电吸附、胶带表面伤痕或裂纹藏料、冬季冻粘料等。由于胶带瞬间运行速度较快,附着于胶带表面的微细物料惯性很大,普通片式清扫器会发生漏料现象,并且由于胶带摩擦起电(静电)和抖动现象也会漏掉部分粉料。滚筒毛刷的刷毛选料为富有弹性的聚氨酯,刷毛直径2.5 mm,刷毛长度过盈量为15 mm,刷毛密度较大,线速度5 m/s,运行方向与胶带运行方向相反。刷毛高速抽打胶带表面将附着于胶带表面的微细颗粒机振脱离胶带表面,经两级抽打后脱离胶带表面的粉尘颗粒由进口高速气流带入负压输送系统,由负压输送系统到除尘器分离,粉尘颗粒落入料斗回收,洁净空气由引风机排入大气。滚刷清灰性能测试如图5所示。

图5 滚刷清灰性能测试Fig.5 Rolling brush cleaning performance test

机组为壳体结构中部中分面胶带进出口同为进风口,由于负压输送系统引风机的负压作用机组为壳体内部为负压,所以唯一空气进口就是胶带的进出口的间隙,所以机组为壳体胶带进出口为一狭窄风道由于高负压的作用气流速度很高,高度气流对胶带表面有强大的清扫作用,可以将胶带表面疤痕、裂缝的粉尘洗干净。胶带机返程干式清扫机组如图6所示。

图6 胶带机返程干式清扫机组Fig.6 Belt conveyor return dry sweeping unit

螺旋绞龙及清扫滚筒清理下来的较大颗粒沉降到壳体底部,由螺旋清渣机输送到负压输送系统吸口,经负压输送系统输送到除尘器。采用高压引风机实现机壳内的高负压,实现进口的高风速得到风力清扫胶带表面粉尘。高负压还可以将负压输送系统进料口物料输送到除尘器。驱动电机67.5 kW,主轴转速960 r/min,B2型槽轮驱动螺旋绞龙旋转,螺旋绞龙旋转并联链轮依次驱动两级清扫滚筒旋转,转向与胶带运行方向相反,速度可调。螺旋绞龙及清扫滚筒两端支撑轴承座可调,用以调整螺旋绞龙及清扫滚筒与胶带面的清扫力度,两端支撑轴承座的紧固螺栓沿梯形曹滑动实现清扫力度调谐和紧固。电气调整原理为变频调谐滚筒转速,实现改变清扫效果的目的。春、夏、秋3个季节煤粉附着强度小且量较少,需转速较低,冬季煤粉附着强度高切小量较达,需转速较高,应启动冬季运行模式。机组于302号胶带机运行信号连锁,运行模式位位首先接收到302号胶带机运行信号(无源信号),除尘器清灰机构启动5 s停止,除尘器主风机启动运行进而真空泵启动运行,机组螺旋清渣机启动运行最终螺旋绞龙及清扫滚筒启动运行。停止模式为首先胶带停止运行讯号(无源信号),螺旋绞龙及清扫滚筒停止运行,随后机组螺旋清渣机停止运行,真空泵停止运行,除尘器停止运行,除尘器清灰机构启动5 s停止最终除尘机组停止运行。

螺旋绞龙式清冰器利用缠绕并焊接与主轴的6只叶片,螺旋绞龙经车削和动平衡处理,可高速运转,由于6只叶片为螺旋盘绕安装在主轴上,对板结在胶带表面的凸出板结层有切削作用,而对平滑的胶带表面并没有伤害作用,由于的旋转方向与胶带运行方向相反且线速度略高,其线速度差越大清理洁净度越好。为了防止螺旋绞龙工作时胶带跳动,非承载面安装防跳滚筒,以免漏粉。

4 现场应用及分析

胶带机是主要的运输设备,由于胶带运行时需要众多的设备协调作业,附着在胶带表面的粉尘经过这些设备的震动、碰撞挤压,会产生产生荡尘,污染沿程环境或经挤压粘附在设备表面影响安全运行并且由于胶带保供运行给人工清扫带来不便或由于清扫还会产生二次扬尘污染,给清扫人员带来危害和安全隐患。

通过将多功能组合式胶带机清扫机组在神华北电胜利能源有限公司302号胶带机进行应用,实现了粉尘的有效控制和治理,并可以将附着在胶带机表面的煤粉进清理后自动100%回收,运行过程无人值守,降低污染并且改变生产劳动环境,保障了胶带机的安全高效运行。现场应用照片如图7所示。

经现场测试得出,胶带清洗装置运行可靠,除尘效率高,胶带机机头区域、胶带廊、机尾区域粉尘有极大的改善,实现胶带机洁净运行,减少胶带机故障率,改善人员的工作环境。并且由于粉尘的极度降低和减少,降低了电缆桥架、设备表面、空间地面粉尘污染,极大的降低了人工清扫工作量,降低了粉尘污染和侵蚀危害。

图7 现场测试Fig.7 On-site testing

5 结语

针对胶带机运输过程中粉尘较大等问题,结合工程背景,设计了胶带机返程干式清扫机组,清除了附着在胶带上的粉尘,实现了胶带机表面的干式清扫,并且可以对粉尘进行回收,实现了胶带机的无人值守,具体研究成果如下。

(1)胶带机返程干式清扫机组运用螺旋刀片绕中心轴旋转而产生的切削原理以及条状物抽打冲击得到的振颤原理,将胶带机表面的粉尘进行清理,利用负压吸尘原理将隐藏于胶带非承载和承载裂纹的微细粉尘吸除,实现了粉尘的100%回收,完成胶带非承载和承载表面的清洁工作。

(2)胶带机返程干式清扫机组的应用解决了胶带运行过程带粉及胶带所带的粉尘遇到滚筒、托辊等障碍物时产生挤压、弯曲、振动、空气扰动的作用使得附着在胶带表面或橡胶裂纹深处的煤尘溢出的粉尘污染问题,实现了对清除煤粉二次回收,集综合治理为一体,降低了设备运行总功率,提高了煤矿储运设备除尘的自动化及一体化水平。

(3)胶带机返程干式清扫机组是集胶带煤粉清扫、煤粉回收、除尘为一体的除尘机组,该机组实现了胶带机粉尘治理的无人值守,提高了除尘效率,降低了粉尘自燃风险,改善了人员工作环境,增加了人员积极性。由于极大地降低了粉尘的污染对设备的腐蚀和粉尘伤害,降低了设备事故率,减轻了维修维护工作量,保障了输煤系统安全高效运行。