李晉鋒

(山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán) 西馮街煤業(yè)有限公司,山西 陽(yáng)城 048100)

目前我國(guó)由粉塵引發(fā)的塵肺病患者約有80萬(wàn)人,每年約新增1.5萬(wàn)人,其中大部分是煤礦工作者。每年由塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約80億元。除了造成職工塵肺病外,可燃性粉塵飄散在空氣中還可能引發(fā)粉塵爆炸,危害性極強(qiáng)。我國(guó)建設(shè)“健康中國(guó)”目標(biāo)中明確提出要增強(qiáng)對(duì)作業(yè)場(chǎng)所粉塵的治理,煤礦安全生產(chǎn)規(guī)劃中也提出要重點(diǎn)研發(fā)預(yù)防職業(yè)病危害的技術(shù)裝備。掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量隨掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用規(guī)模的大范圍推廣而激增,已成為煤礦最重要的粉塵源,在一些綜掘工作面,粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 000 mg/m3.研究人員已針對(duì)綜掘工作面研發(fā)了多種降塵技術(shù)手段,如濕式除塵器、噴霧降塵、泡沫降塵等。但目前濕式除塵風(fēng)機(jī)依然存在著內(nèi)部霧化噴頭容易堵塞、粉塵過濾網(wǎng)不易清理等問題。本文在西馮街3404綜掘工作面進(jìn)行濕式除塵風(fēng)機(jī)應(yīng)用研究,降塵效果較好,能夠?yàn)槠渌蜻M(jìn)機(jī)降塵技術(shù)應(yīng)用提供有益借鑒[1-3]。

1 3404掘進(jìn)工作面概況

西馮街3404巷道位于3號(hào)煤層,設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1 270 m,地面標(biāo)高+552～+673 m,巷道斷面寬度和高度分別為5 m和3 m.煤塵無爆炸危險(xiǎn)性,自燃傾向性等級(jí)為III級(jí),不易自燃,絕對(duì)瓦斯涌出量為0.42 m3/min.巷道利用EBZ135掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn),截割頭掘進(jìn)深度為0.6 m,工作面利用FBD№6.3(22 kW×2)局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng),工作風(fēng)量為400 m3/min.煤種為無煙煤。

2 除塵系統(tǒng)優(yōu)化

掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵位置比較固定,主要為掘進(jìn)機(jī)截割頭強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)割煤處和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處。掘進(jìn)機(jī)自帶的內(nèi)外噴霧能夠?qū)崿F(xiàn)一定的降塵效果,但長(zhǎng)期使用后發(fā)現(xiàn),由于工作面供風(fēng)量大,迎頭壁面處的風(fēng)速可高達(dá)10 m/s,對(duì)噴霧霧滴場(chǎng)塑性有極大影響,霧滴場(chǎng)無法對(duì)截割頭產(chǎn)塵區(qū)實(shí)現(xiàn)有效包圍,粉塵潤(rùn)濕效果和降塵率難以滿足國(guó)家要求。而且由于井下降塵用水水質(zhì)一般,噴霧噴嘴直徑較小,容易出現(xiàn)堵塞等問題,因此僅依靠掘進(jìn)機(jī)自帶內(nèi)外噴霧難以實(shí)現(xiàn)高效降塵的目標(biāo)。

2.1 濕式優(yōu)化思路

為了避免濕式除塵風(fēng)機(jī)存在的噴嘴堵塞等問題,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,如果能夠取消除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)部水霧噴嘴,就可以從根本上改善因水質(zhì)不佳造成的噴嘴堵塞問題,還能降低阻塵過濾網(wǎng)的清洗頻率。主要做法為:利用水管直接替代霧化噴頭,水管內(nèi)徑較大,可以避免吹水口堵塞等問題;重新設(shè)計(jì)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)葉輪,既能實(shí)現(xiàn)對(duì)含塵氣流的抽取,又能有效阻礙粉塵向后方移動(dòng);設(shè)計(jì)導(dǎo)流片,使含塵氣流順導(dǎo)流片吹向筒壁,在離心力和慣性作用下凈化含塵氣流并降低氣流中的水分含量;在導(dǎo)流片后再增設(shè)1道除水網(wǎng),以降低通過除塵器后氣流的濕度[4]。

2.2 優(yōu)化方案

濕式除塵器如圖1所示。可以看出,該除塵器內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單,體積較小。內(nèi)部主要包含進(jìn)徑混式葉輪、導(dǎo)流片、脫水柵和排污槽。除塵器整體長(zhǎng)度為2.1 m,內(nèi)徑為0.9 m,進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口直徑分別為0.64 m,葉輪直徑為0.8 m,電機(jī)為礦用防爆型電機(jī),吸風(fēng)量為300～450 m3/min,在西馮街3404掘進(jìn)工作面的工作流量為320 m3/min.

圖1 濕式除塵器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

優(yōu)化后的濕式除塵風(fēng)機(jī)凈化風(fēng)流的原理見圖2.主要包含進(jìn)水部分、旋流水膜部分,風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),從掘進(jìn)工作面迎頭處吸入含塵氣流,利用布水盤使水流變成旋轉(zhuǎn)的水膜向壁面移動(dòng),并捕捉粉塵顆粒。含塵風(fēng)流經(jīng)過葉輪和導(dǎo)流葉片后,在離心力作用下向筒壁移動(dòng),但粉塵顆粒受慣性作用被葉片截留,然后經(jīng)離心力作用被甩至筒壁。氣流經(jīng)過脫水柵降低水分含量,通過出風(fēng)口排入巷道。整個(gè)過程分別利用布水盤、葉輪、導(dǎo)流葉片3次截留氣流中的粉塵顆粒,并利用導(dǎo)流葉片和脫水柵降低氣流中的含水量,既能高效治理粉塵,又能降低環(huán)境濕度,提升作業(yè)舒適感[5-6]。

圖2 濕式除塵風(fēng)機(jī)凈化風(fēng)流原理圖

葉輪為徑混式結(jié)構(gòu),能夠在保障較高的吸氣量效果下,有效截留粉塵。葉輪后方為布水盤,其整體構(gòu)造為錐形,見圖3,這樣既提升了布水盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性,又降低了除塵器內(nèi)部的風(fēng)流阻力,含塵氣流經(jīng)過時(shí)速度降低并向壁面處移動(dòng),氣流方向由軸向向傾斜的徑向轉(zhuǎn)變,可以有效提高除塵風(fēng)機(jī)的除塵效率。經(jīng)過進(jìn)水管進(jìn)入布水盤中心的水流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)作用形成水膜,含塵氣流沖擊在布水盤上,粉塵顆粒會(huì)被水膜潤(rùn)濕截留。水流從進(jìn)水管直接流到布水盤上,有效避免了因水質(zhì)造成的霧化噴嘴堵塞問題,提高除塵器凈化粉塵穩(wěn)定性的同時(shí),降低了設(shè)備的運(yùn)行成本。

圖3 布水盤原理

葉輪的多個(gè)葉片中間形成了自然的文丘里效應(yīng),葉輪旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生負(fù)壓,并對(duì)含塵氣流產(chǎn)生較大的離心力,經(jīng)過了布水盤的水滴在葉輪中間經(jīng)過文丘里和負(fù)壓效應(yīng)再次被破碎形成顆粒較小的霧滴,內(nèi)部湍流強(qiáng)度增加,提高了霧滴和粉塵顆粒的碰撞效果,實(shí)現(xiàn)了對(duì)粉塵的再次捕獲。

內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(圖4)通過與旋轉(zhuǎn)軸傾斜固定的葉片實(shí)現(xiàn),導(dǎo)流結(jié)構(gòu)同時(shí)具有除塵、脫水和導(dǎo)流效果,前兩者通過導(dǎo)流效果實(shí)現(xiàn)。高混合程度的含塵及水霧氣流從導(dǎo)流板經(jīng)過,水霧和顆粒由于慣性撞擊到導(dǎo)流板上,大量水霧在導(dǎo)流板表面形成水膜,粉塵顆粒接觸后即被捕獲。同時(shí),由于離心力的作用,水膜和粉塵顆粒均向除塵器內(nèi)壁運(yùn)移,實(shí)現(xiàn)脫水效果。

圖4 濕式除塵系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后方還裝設(shè)1個(gè)脫水柵,如圖5所示。雖然經(jīng)過導(dǎo)流板后能夠凈化氣流中的粉塵顆粒和水霧,但由于處理的風(fēng)量大,還需要再增設(shè)1個(gè)脫水柵。氣流經(jīng)過脫水柵時(shí)變成螺旋結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了其離心力,經(jīng)過導(dǎo)流板后依然殘余的粉塵和水霧將在慣性作用下被甩至除塵器內(nèi)壁,達(dá)到再次脫水和凈化氣流的目的。

圖5 脫水柵示意

內(nèi)壁和各擋板被截留下的水流和粉塵顆粒在重力作用下向下移動(dòng),在除塵器最下方安設(shè)排污槽,該排污槽可以單獨(dú)清洗。

3 降塵效果分析

西馮街3404掘進(jìn)面裝設(shè)了濕式除塵系統(tǒng)后,為了評(píng)價(jià)其降塵效果,在除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后方5 m處的1.5 m高度和掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸帶處布置了粉塵測(cè)塵點(diǎn)。利用掘進(jìn)機(jī)外噴霧和優(yōu)化的濕式除塵風(fēng)機(jī)降塵后,在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸帶處的總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為28.7 mg/m3和19.5 mg/m3,對(duì)總粉塵和呼吸性粉塵的降塵率分別為95.4%和94.4%.在除塵風(fēng)機(jī)后方,總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別從340.8 mg/m3、196.4 mg/m3降低至8.9 mg/m3、3.2 mg/m3,降塵率分別為97.4%和98.4%.除塵率計(jì)算公式為:

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有采區(qū)降塵措施時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過分析西馮街3404綜掘工作面的產(chǎn)塵強(qiáng)度和特征,對(duì)濕式除塵系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。取消濕式除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)部的水霧噴嘴,水流直接從供水管出口流向布水盤,布水盤上的水膜和葉輪、導(dǎo)流片共同構(gòu)成阻塵系統(tǒng),形成三級(jí)除塵、兩級(jí)脫濕系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處總粉塵和呼吸性粉塵降塵率分別為95.4%和94.4%.在除塵風(fēng)機(jī)后方,總粉塵和呼吸性粉塵殘余質(zhì)量濃度分別為8.9 mg/m3和3.2 mg/m3,降塵率分別為97.4%和98.4%.