小型盾構(gòu)機(jī)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高黨國，杜東峰

（陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽712000）

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)，刀具在破碎巖石的同時(shí)產(chǎn)生了大量粉塵，這是掘進(jìn)機(jī)粉塵污染的根源。為了保證掘進(jìn)機(jī)安全可靠地工作，必須將這些粉塵有效去除。目前盾構(gòu)機(jī)的除塵主要采用一堵二疏的方法。一是在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭刀盤支撐外側(cè)設(shè)有擋塵板，將粉塵堵在掘進(jìn)機(jī)刀盤前部，不向機(jī)頭后溢出；二是沿刀盤四周設(shè)置噴嘴，其噴水可以形成環(huán)狀水霧，與較大顆粒粉塵結(jié)合沉降，可去除粉塵[1-4]。但對于小直徑掘進(jìn)機(jī)特別是開挖直徑小于3 m的掘進(jìn)機(jī)，由于空間狹小，濕式除塵容易引起電機(jī)以及電氣線路短路，干濕除塵設(shè)備體積龐大，不能安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體內(nèi)，所以給小直徑掘進(jìn)機(jī)除塵帶來很大的困擾[5，6]。

在1800型掘進(jìn)機(jī)除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，結(jié)合國家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在滿足有關(guān)的工藝操作，在保證設(shè)備長期有效運(yùn)行以及節(jié)約成本的情況下，對含塵氣體輸送管路+加壓軸流風(fēng)機(jī)+濾筒式脈沖除塵器+高壓離心式引風(fēng)機(jī)的方式工作過程中產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行捕集、輸送、過濾，最終再由引風(fēng)機(jī)將處理后含塵氣體進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放的設(shè)計(jì)方案，取得了良好的使用效果。

1 小型盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)

1.1 技術(shù)要求

（1）粉塵排放濃度≤30mg/m3.

（2）除塵效率高，排放濃度低。

（3）占地面積小，鋼材消耗量少，一次性投資省。

（4）過濾元件在凈氣室進(jìn)行安裝，方便可靠。

（5）能保證長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要求

（1）依據(jù)煙氣的溫度，性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)有場地的尺寸，所需處理的煙氣量，入、出口濃度，過濾元件的材質(zhì)等因素作設(shè)計(jì)取舍，同時(shí)要考慮安全運(yùn)行的雙保險(xiǎn)。

（2）濾筒濾料采用過濾精度高、耐磨性能好的聚酯纖維無紡布制作。

（3）選擇先進(jìn)的脈沖清灰技術(shù)，運(yùn)動(dòng)部件少，故障率低。

1.3 除塵器參數(shù)

由于設(shè)備距離施工現(xiàn)場太遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)可達(dá)到5公里），通過計(jì)算可知，5 km的管路阻力將近24 kPa，而除塵器的阻力為1.2 kPa，故整個(gè)系統(tǒng)的阻力約為25 kPa.所以應(yīng)在管路系統(tǒng)增加高壓軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，故除塵器選型及技術(shù)參數(shù)如下表1所列。

表1 除塵器型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

（續(xù)下表）

（續(xù)上表）

2 小型盾構(gòu)機(jī)除塵器設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

除塵器主體采用濾筒式。隨著濾筒技術(shù)及材料不斷的研制，對除塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過濾濾芯進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，目前，濾筒式除塵器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于水泥、鋼鐵、電力、食品、冶金、化工等多個(gè)行業(yè)。隨著行業(yè)發(fā)展的需要，除塵器容量不斷增加，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為過濾面積>2000 m2大型除塵器種類之一，為解決傳統(tǒng)除塵器對超細(xì)粉塵收集難、過濾風(fēng)速高、清灰效果差、濾袋易磨損破漏、運(yùn)行成本高等問題，提供了新的技術(shù)方案，與現(xiàn)有多種形式的濾袋式除塵相比，具有過濾面積大、壓差低、低排放、體積小、使用壽命長等特點(diǎn)，是解決空間小，粉塵處理量大的最佳選擇。該除塵器具有占地面積小，布置密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，成本低，維修工作量小、過濾面積大，阻力小等優(yōu)點(diǎn)。

在掘進(jìn)過程中，受回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，破碎的碴石在沉降時(shí)，產(chǎn)生大量粉塵，含塵氣體經(jīng)高壓軸流風(fēng)機(jī)及管路進(jìn)入處理裝置，氣流中部分粗大顆粒在分離后直接沉降；其余粉塵進(jìn)入濾塵室后，通過濾筒過濾，使粉塵沉積在濾料表面上，凈化后的氣體由排氣管路經(jīng)引風(fēng)機(jī)排出。

隨著濾筒除塵器的工況，濾筒表面積塵達(dá)到一定量時(shí)，阻力達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)必須進(jìn)行清灰。由清灰控制裝置，按設(shè)定程序，打開電磁脈沖閥噴吹。首先箱體進(jìn)氣提升閥關(guān)閉，將含塵氣體與箱體濾料斷開，然后電磁脈沖閥開啟，壓縮空氣在短的時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，進(jìn)入濾筒，使濾筒膨脹發(fā)生變形，產(chǎn)生振動(dòng)，附在濾筒外表面上的粉塵被分離，并落入灰斗中。清灰完畢后，電磁脈沖閥關(guān)閉，提升閥打開，箱體恢復(fù)過濾狀態(tài)。脫落的粉塵掉入灰斗內(nèi)，通過缷灰閥、螺旋輸送機(jī)排出。為防止氣流阻力過大，因此，必須周期性地開啟清灰裝置，對濾筒進(jìn)行清灰。清灰并不是將濾筒上的灰層全部徹底清除，而是將濾筒表面，殘余少量的微塵粒組成布粉層，用于下次過濾較小粉塵。清灰裝置是采用脈沖氣流來實(shí)現(xiàn)清灰的目的，逐行進(jìn)行清灰。

2.2 濾筒式除塵器的結(jié)構(gòu)

濾筒式除塵器結(jié)構(gòu)由管路、高壓軸流風(fēng)機(jī)、箱體、清灰裝置、濾筒、氣源分配器、卸灰閥、螺旋輸送機(jī)、引風(fēng)機(jī)及電控裝置組成。除塵器中濾筒的布置很關(guān)鍵，既可以傾斜布置，也可以垂直布置在箱體花板上。從清灰效果角度來說，垂直布置效果最佳?；ò逑虏繛檫^濾室，上部為氣箱脈沖室。此次設(shè)計(jì)采用垂直布置的方式，同時(shí)在入口處，加裝氣流分布板。

2.2.1 風(fēng)道

風(fēng)道由進(jìn)出口管道、高壓軸流風(fēng)機(jī)、密封件組成。由于在隧道施工時(shí)，管線長，氣壓損失大，為此，分段在管路上加裝高壓軸流風(fēng)機(jī)，保持足夠的氣流壓力、風(fēng)速，防止粉塵沉積，造成堵塞管路。

2.2.2 箱體

箱體分為上下結(jié)構(gòu)。上下箱體中間由花板隔開，上箱體是凈氣室；下箱體安裝有濾筒組件，箱體包括了提升閥、噴吹系統(tǒng)、脈沖電磁閥、花板、分流板、濾筒組件。

噴吹系統(tǒng)由儀表、氣源、空氣管路、氣源分配器、電磁脈沖閥、噴吹管等組成。每排濾筒上均有一根噴吹管，通過電磁脈沖閥與氣源分配器相連。噴入濾筒的壓縮空氣，由氣源分配器的脈沖電磁閥開啟時(shí)間決定。氣壓系統(tǒng)的工作壓力應(yīng)在0.2～0.4 MPa之間，壓力越低，對濾筒損傷越小，在保證清灰效果的前提下，應(yīng)盡量將氣壓調(diào)至最小。采用在脈沖噴吹管路上安裝有導(dǎo)流裝置，使脈沖氣流充分進(jìn)入濾筒，加速氣流的速度，優(yōu)點(diǎn)是耗氣量少，清灰效果顯著。

噴吹需瞬間完成，使用膜片閥來實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，箱內(nèi)的壓縮空氣壓迫觸發(fā)膜片和主膜片是電磁脈沖閥保持關(guān)閉狀態(tài)，在電磁閥的激勵(lì)下，在觸發(fā)膜片上產(chǎn)生壓差，膜片抬起，主膜片一側(cè)空氣泄出，主膜片在壓差作用下抬起，箱內(nèi)壓縮空氣進(jìn)入噴吹管，在噴吹管的引導(dǎo)下沖入濾筒。

濾筒內(nèi)急速下沖的壓縮氣流，濾筒突然徑向變形膨脹，使濾筒外表面積聚的灰塵脫落分離。電磁脈沖閥在不激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，空氣泄出處關(guān)閉，氣壓將膜片復(fù)位，電磁脈沖閥關(guān)閉，噴吹時(shí)應(yīng)將提升閥關(guān)閉。

氣流分流板針對氣流的上升和粉塵的下降，如果氣流分布不均，實(shí)踐證明，流速過低時(shí)，會(huì)大幅降低除塵效率。分流板的開孔率約為50%時(shí)，阻力系數(shù)較小，為此氣流速度控制在<0.8 m/s時(shí)，分流板布置完全滿足濾筒式除塵器的使用要求。

2.2.3 花板及濾筒>

花板用于固定濾筒，并可作為濾筒檢查平臺(tái)。濾筒組件從花板孔裝入。

濾筒由頂蓋、金屬框架、褶形濾料和底座等組成。濾筒按形狀分為圓形、扁形和錐形等。濾筒是用設(shè)計(jì)長度的濾料折疊成褶，首尾黏合成筒，筒的內(nèi)外用金屬框架支撐，上、下用頂蓋和底座固定。頂蓋用螺栓固定。針對濾筒上下端蓋及護(hù)網(wǎng)必須粘接牢固，不允許有脫膠、漏膠和流掛等缺陷；濾筒上的金屬件必須滿足防銹要求；濾筒外表面應(yīng)無明顯傷痕、磕碰、拉毛和毛刺等缺陷；濾筒的噴吹清灰，按需要可配用誘導(dǎo)噴嘴或文氏里管等噴吹裝置，濾筒內(nèi)側(cè)加有防護(hù)網(wǎng)，采用圓形結(jié)構(gòu)，直徑Φ320 mm，長度660 mm濾筒，配有文氏里管。見表2.

表2 聚酯纖維無紡布常用工況和保質(zhì)條款

脈沖氣流未經(jīng)過文丘里，直接噴吹進(jìn)入濾筒內(nèi)部。進(jìn)入濾筒的氣流在濾筒上部流速是最快的。隨這氣流不斷向下運(yùn)動(dòng)，并向四周擴(kuò)散，因而使氣流速度不斷降低。由于氣流速度越快、壓力越低，因此在濾筒的上部形成了一個(gè)負(fù)壓，壓力分布從上到下不斷增加，這樣就使濾筒上部清灰不徹底，下部濾材容易破損。見圖1.

圖1 布袋抽風(fēng)及反吹工作狀態(tài)圖

在脈沖噴吹管上安裝濾筒用文丘里噴嘴。噴吹壓力采用全濾筒高度正壓噴吹形式。脈沖噴吹時(shí)，噴吹氣流進(jìn)入文氏管，隨著文氏管截面不斷減少，使氣流速不斷加快，壓力減小，形成負(fù)壓區(qū)，引導(dǎo)周圍氣體流入，形成二次氣流。使噴吹的氣流量大幅增加，通過文氏管進(jìn)入濾筒后，使整個(gè)濾筒內(nèi)部的壓力分布很均勻，清灰效果大為改善，濾筒底部損壞率減少，噴吹耗氣量減少。噴吹氣流應(yīng)干燥、不含油、無粉塵。脈沖閥無漏氣現(xiàn)象，且正常啟閉，工作可靠。脈沖控制儀噴吹時(shí)間與間隔均能調(diào)整。

2.2.4 出灰裝置及支腿

出灰裝置由灰斗、卸灰閥、螺旋輸送機(jī)等組成?；叶烦龌曳ㄌm與卸灰閥連接。支腿是用于支撐除塵器本體、灰斗。

2.2.5 檢測、控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)允許全自動(dòng)操作和手動(dòng)操作。系統(tǒng)邏輯由可編程控制器提供。

2.2.6 濾筒設(shè)計(jì)根據(jù)總成要求要注意以下要素

（1）粉塵排放，要選擇具有過濾精度高、清灰容易、阻力小的多微孔薄膜復(fù)合的濾材。

（2）環(huán)境濕度，粉塵易吸潮或粉塵中含有油脂成份時(shí)，考慮選擇具有防油、防水、防污功能的濾材。

（3）內(nèi)骨架尺寸及強(qiáng)度的確定主要考慮通油小孔的大小不應(yīng)影響過濾氣量，考慮濾筒承受的壓差要以骨架支撐，所以直徑越小強(qiáng)度越高。

（4）除塵器總高和進(jìn)出口的距離。

（5）濾筒過濾能力。

（6）出氣口連接方式及尺寸。

（7）過濾精度等相關(guān)的性能要求。

3 結(jié)束語

針對此項(xiàng)目，綜合所述得出如下幾點(diǎn)：

（1）隧道在施工過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。通過對粉塵收集，大幅降低隧道粉塵對人體的危害。

（2）在掘進(jìn)過程中配備一套干式除塵機(jī)，運(yùn)行后將粉塵濃度降低至允許排放范圍以內(nèi)。

（3）除塵器與通風(fēng)機(jī)并用，大幅降低了通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，降低了生產(chǎn)成本。

[1]郭海軍，董華東.長壓短抽除塵系統(tǒng)在快速掘進(jìn)工作面的應(yīng)用[J].煤礦安全，2016（4）：158-160.

[2]辛德林，張世良，鄭 彬，等.煤礦長距離斜井盾構(gòu)法施工通風(fēng)技術(shù)[J].施工技術(shù)，2016（22）：15-18.

[3]宋壯壯.淺談盾構(gòu)機(jī)及其維保技術(shù)[J].水利水電施工，2017（1）：100-103.

[4]扈國義.神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)斜井盾構(gòu)穿越煤系地層安全處置技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（2）：62-66.

[5]黃劍飛.可燃性粉塵濕法除塵系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析及控制[J].浙江化工，2017（6）：42-44.

[6]張文清.干式除塵系統(tǒng)在全巖大巷掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2017（2）：46-48.