風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)設(shè)計與試驗驗證

許 斌，陳清華，江丙友，唐明云，趙 君，林漢毅

（1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.工業(yè)粉塵防控與職業(yè)安全健康教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.大同煤礦集團有限責(zé)任公司 同大科技研究院，山西 大同 037003）

除塵器是掘進工作面的主要降塵設(shè)備，但傳統(tǒng)礦用除塵器體積較大、安裝移動不便，在高瓦斯煤礦應(yīng)用時，還因動力裝置采用電動部件而存在電氣安全隱患[1-3]。風(fēng)水聯(lián)動除塵器作為一種新型濕式除塵器，通過直接使用礦井靜壓水和高壓氣作為動力源，提高了除塵器使用的便利性，消除了電氣安全隱患。該除塵器還通過將旋轉(zhuǎn)霧化器和軸流風(fēng)機集合為一體，不僅使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，還增強了霧化效果，提高了降塵效率?；谝陨咸攸c，風(fēng)水聯(lián)動除塵器正被越來越多的煤礦企業(yè)引進，以改善掘進工作面的作業(yè)環(huán)境。同時，由于風(fēng)水聯(lián)動除塵器運用的是一種新型除塵技術(shù)，其性能等還有較大的完善空間，但國內(nèi)外卻鮮有對其性能的研究，因此亟需對其性能進行研究。

為了提高除塵器的性能，Liu[4]等設(shè)計了一種剪切沖擊式霧化除塵器，通過研究該除塵器的運行參數(shù)和降塵效率的關(guān)系，得到了其最佳運行工況。Xie[5]等結(jié)合旋風(fēng)除塵器和濾筒式除塵器的特點，提出了一種新型濾筒式旋風(fēng)除塵器，并對其壓降和降塵效率等性能進行了實驗研究。趙海鳴等[6]利用FLUENT對濕式除塵風(fēng)機的三相流場進行了研究，并在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上對除塵風(fēng)機的運行參數(shù)進行了分析。杜鵬程[7]設(shè)計了一種除塵器性能在線測試系統(tǒng)，通過改進檢測除塵效率方法，提高了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。劉含笑[8]等針對濕式電除塵器的測試特點，提出了測試工況、測孔位置、測孔尺寸及采樣點布置等相關(guān)要求，并開展測試研究，給出了科學(xué)的測試方法。郭振新[9]等通過試驗得到了濕式除塵器的風(fēng)量與頻率、風(fēng)量與功率以及風(fēng)量與除塵效率的關(guān)系，為提升濕式除塵器的降塵效率提供了依據(jù)。

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，除塵器的除塵效率是評價其性能的重要指標(biāo)，而風(fēng)壓和水壓則是影響風(fēng)水聯(lián)動除塵器降塵效率的2 大因素。因此，基于風(fēng)水聯(lián)動除塵器的工作原理，對風(fēng)水聯(lián)動除塵器試驗系統(tǒng)進行了設(shè)計與試驗驗證，為研究其除塵效率和最佳運行參數(shù)的匹配提供了試驗平臺。

1 風(fēng)水聯(lián)動除塵器工作原理

風(fēng)水聯(lián)動除塵器通過風(fēng)動馬達可直接驅(qū)動扇葉旋轉(zhuǎn)，同時由于旋轉(zhuǎn)組件上噴嘴噴射的高壓水流方向與扇葉產(chǎn)生的氣流方向存在一定夾角，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩并進一步驅(qū)動扇葉轉(zhuǎn)動。因此，風(fēng)水聯(lián)動除塵器可以由風(fēng)壓和水壓聯(lián)合驅(qū)動。

在除塵器運轉(zhuǎn)過程中，高壓水流與筒壁碰撞形成微細水霧，通過微細水霧捕獲、凝聚粉塵[10-11]。隨著粉塵捕獲數(shù)量的增加，霧粒因粒徑增大、質(zhì)量增加而沉降下來，并在水霧連續(xù)沖擊洗滌作用下，使塵泥水漿流出除塵器。

2 風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)主要包括風(fēng)水聯(lián)動除塵器、粉塵發(fā)射器、管道、高壓水泵、空氣壓縮機、儲氣罐等。風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air-water combined power dust collector test system

粉塵發(fā)射器放置于負(fù)壓管道入口前，粉塵擴散器安裝在負(fù)壓管道入口處，通過調(diào)節(jié)發(fā)射器支架使粉塵發(fā)射器粉塵發(fā)射出口正對粉塵擴散器；風(fēng)水聯(lián)動除塵器通過螺栓固定在除塵器支架上，正壓管道和負(fù)壓管道分別置于除塵器的后端和前端，并通過調(diào)節(jié)管道支架使兩管道與除塵器處于同一高度；高壓水泵與風(fēng)水聯(lián)動除塵器通過高壓水管連接，空氣壓縮機與儲氣罐通過高壓氣管連接，儲氣罐與風(fēng)水聯(lián)動除塵器通過高壓氣管連接；正壓管道和負(fù)壓管道內(nèi)均安裝有采樣管，以便連接粉塵采樣器；正壓管道出口位置處裝有風(fēng)速測量裝置。

風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)工作原理如下：空氣壓縮機向儲氣罐供壓，分別調(diào)節(jié)儲氣罐和高壓水泵的壓力控制閥實現(xiàn)對風(fēng)水聯(lián)動除塵器運行參數(shù)的控制，驅(qū)動除塵器進行工作；待風(fēng)水聯(lián)動除塵器在管道內(nèi)形成穩(wěn)定流場后，通過風(fēng)速測量裝置風(fēng)量大小，同時開啟粉塵發(fā)射器向管道內(nèi)發(fā)射煤粉，煤粉在負(fù)壓作用下經(jīng)粉塵擴散器擴散后在負(fù)壓風(fēng)筒內(nèi)向風(fēng)水聯(lián)動除塵器方向運移，粉塵采樣器對負(fù)壓管道內(nèi)的煤粉進行采樣得到負(fù)壓風(fēng)筒內(nèi)的粉塵濃度；煤粉經(jīng)除塵器除塵后從正壓管道的出口流出，經(jīng)粉塵采樣器對正壓管道內(nèi)的煤粉進行采樣得到正壓管道內(nèi)的粉塵濃度，通過對正、負(fù)壓管道內(nèi)的粉塵濃度的計算，得到聯(lián)動除塵器的除塵效率。

2.2 粉塵發(fā)射器

為了能夠獲得均勻的粉塵發(fā)射濃度，研制了一種粉塵發(fā)射器。該粉塵發(fā)射器主要由控制臺、防爆電機、離心葉輪、添料裝置、發(fā)射容器、膠帶傳動裝置和防塵罩組成。粉塵發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 粉塵發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dust emitter

粉塵發(fā)射器工作原理如下：

1）防爆電機通過膠帶傳動裝置帶動離心葉輪旋轉(zhuǎn)，在發(fā)射容器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，對發(fā)射容器內(nèi)的粉塵進行攪拌揚塵，從而使粉塵從發(fā)射容器出口射出。

2）添料裝置通過3 根支撐架安裝在發(fā)射容器上方，并依靠防爆電機運行時產(chǎn)生的振動促使粉塵落入發(fā)射容器中。

3）添料裝置出口處設(shè)計有流量控制閥，通過調(diào)節(jié)流量控制閥，可以控制粉塵進入發(fā)射容器的質(zhì)量流率，以實現(xiàn)粉塵發(fā)射濃度的均勻性。

2.3 風(fēng)水聯(lián)動除塵器性能參數(shù)測量方法

風(fēng)水聯(lián)動除塵器的主要性能參數(shù)為除塵效率、風(fēng)量和耗水量。

1）除塵效率測量。粉塵濃度的測量方法分為采樣法和非采樣法，采樣法測量準(zhǔn)確度高，不受粉塵的特性影響[12-13]。因此，測試系統(tǒng)采用采樣法中的濾膜稱重法對粉塵濃度進行測量，通過粉塵采樣器進對負(fù)壓管道和正壓管道中的粉塵進行采集，計算除塵前后的粉塵濃度，從而得到風(fēng)水聯(lián)動除塵器的除塵效率。其檢測原理如下：

式中：c 為氣體含塵濃度，mg/m3；m1為采集粉塵前濾膜的質(zhì)量，mg/m3；m2為采集粉塵后濾膜的質(zhì)量，mg/m3；q 為采樣流量，m3/h；t 為采樣時間，s；η 為除塵效率；c1為負(fù)壓管道粉塵濃度，mg/m3；c2為正壓管道粉塵濃度，mg/m3。

2）風(fēng)量測量。系統(tǒng)采用動壓法測風(fēng)量，在正壓管道出口位置處安裝皮托管，將皮托管的前端中心孔正對風(fēng)流，通過與皮托管的“+”、“-”接頭相連的U 形管計算該位置處的風(fēng)壓，進而得到風(fēng)量的大小。其檢測原理如下：

式中：Qg為風(fēng)量，m3/min；ρl為水的密度，kg/m3；ρg為空氣的密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；l 為U形管兩端液面高度差，m；D 為管道直徑，m。

3）耗水量測量。系統(tǒng)采用水表計量法對風(fēng)水聯(lián)動除塵器的耗水量進行測量，通過在高壓水泵的出水口安裝高精度水表，記錄除塵前后水表示數(shù)，從而得到風(fēng)水聯(lián)動除塵器在不同水壓下的用水量大小。其測量原理如下：

式中：Ql為耗水量，L/min；L1為水泵工作前水表示數(shù)，L；L2為水泵工作后水表示數(shù)，L；tp為水泵工作時間，min。

3 風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)性能試驗

風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)總成如圖3。利用該測試系統(tǒng)分別對風(fēng)水聯(lián)動除塵器進行除塵效率和風(fēng)量測試驗證，除塵測試工況參數(shù)見表1。

表1 除塵測試工況參數(shù)Table 1 Dust removal test parameters

圖3 風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)總成Fig.3 Air-water combined power dust collector test system assembly

按照風(fēng)水聯(lián)動除塵器性能的測試方法對其耗水量、降塵效率和風(fēng)量分別進行測量，測得風(fēng)水聯(lián)動除塵器在3 MPa 的水壓下水量恒定為20 L/min，風(fēng)量和除塵效率測試結(jié)果如圖4。

圖4 除塵器性能測試結(jié)果Fig.4 Performance test results of dust collector

由圖4 可知，通過對比不同運行參數(shù)下的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)水聯(lián)動除塵器僅通入0.5 MPa 的風(fēng)壓時，粉塵只能依靠自身重力沉降，此時除塵器的降塵效率較低；當(dāng)風(fēng)水聯(lián)動除塵器同時通入0.5 MPa 的風(fēng)壓和3.0 MPa 的水壓時，高壓水流會進一步增大扇葉轉(zhuǎn)矩，并沖擊筒壁形成微細水霧，促進霧滴與粉塵的凝聚，使得除塵器風(fēng)量和除塵效率較之僅供風(fēng)時的工況均有較大提升。在供水壓力為3 MPa，供風(fēng)壓力為0.2～0.5 MPa 時，測試系統(tǒng)的風(fēng)量及降塵效率均隨供風(fēng)壓力的增大而增大。

4 結(jié) 語

1）基于風(fēng)水聯(lián)動除塵器的工作原理，完成了風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)的設(shè)計與研制，為實現(xiàn)其除塵效率和最佳運行參數(shù)的匹配提供了試驗平臺。

2）當(dāng)供水壓力保持在3 MPa 時，風(fēng)水聯(lián)動除塵器的耗水量恒為20 L/min，驗證了風(fēng)水聯(lián)動除塵器測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）在供風(fēng)壓力為0.5 MPa 的情況下，供水壓力為3 MPa 時風(fēng)水聯(lián)動除塵器的風(fēng)量及降塵效率均明顯優(yōu)于供水壓力為0 MPa 時的情況。

4）在供水壓力為3 MPa，供風(fēng)壓力為0.2～0.5 MPa 時，風(fēng)水聯(lián)動除塵器的風(fēng)量及降塵效率均隨供風(fēng)壓力的增大而增大。