1、 1 煤矿井下除尘控制系统设计 第二章 除尘方案选择 随着煤矿机械化程度的不断提高和发展，新的采矿方法被不断发现 ， 煤炭 开采 效率也越来越高，但是它带来的粉尘浓度，在煤炭生产过程中越来越高 。矿井粉尘严重危害着矿工的身体健康。“预防为主，综合治理”是煤矿粉尘治理的基本方针。煤矿粉尘治理问题一直是煤矿研究人员的关注的热点，粉尘治理措施也多种多样。有泡沫除尘、通风除尘、除尘器除尘等。 2.1 泡沫除尘 泡沫除尘 采用的是用无空隙的泡沫 覆盖 扬起的 煤尘 ， 泡沫具有很好的黏附性 ,粉尘一旦和泡沫接触便会迅速被泡沫粘附 ,粉尘通过 湿润、沉 积， 下降，这样 粉尘 便 失去飞扬能力，从而达到降
2、尘效果的除尘方法 。 二十世纪 70 年代中期，英国是第一个进行 这方面 研究 的，此后，苏联，美国，德国，日本和其他国家也开展了这方面的 测试和研究，并取得了一定的成果。 最近几年 ，中国也 在 铁法 、潞安等矿务局开展了类似的研究和实验 ，也获得 了不错 的效果 。 泡沫剂是指能够产生泡沫的液体。纯净的液体不是泡沫剂，因为它不可以产生泡沫。 当 液体 中 含有颗 粒状分散胶体、胶质体系或 细粒 状 胶体 时，此时液体就可以产生泡沫 。 2.1.1 发泡原理 根据图 2-1 发泡原理说明如下： 75348612发 泡 器 原 理 示 意 图1 - 发 泡 喷 头 ； 2 - 管 路 定 量
3、分 配 器 ； 3 - 过 滤 器 ； 4 - 发 泡 液 储 槽5 , 6 - 压 力 表 ； 7 , 8 - 高 压 软 管2 图 2-1 发泡器原 理示意图 由 高压软管 7 先进行高压供水，然后过滤器器 3 对水进行过滤，保证水质干净，再 流入管道定量分配器 2， 此处因为 高压水 的 隐射作用 可以 将储液槽 4 中的发泡液按一定比例 （一般混合比为 0.1%1.5%）吸出。混合发泡剂后的高压水由 高压 软管 8 向发泡喷头流入 。风度一定时 ， 发泡率的大小将受到雾滴的均匀性和直径的影响。液滴过小时，很容易从 网孔 通过漏掉，但是无法形成泡沫；液滴 过大 时 ，气泡耗液量也会跟着增
4、加 ， 这样 泡沫的强度和倍数 也会 增加 ，但是当耗液量不断增加时，达到一定限度， 两参数 将会迅速下降，伴随着 泡沫耗液量的 不断 增加， 许 多溶液在发泡过程中将起不到 作用。泡沫降尘 方法可以在 综合机组 、 综合采机组、带式运输机和 尘源固定的地方使用。泡沫除尘与其它除尘方式相比，不仅增加 了 粉尘的湿润和粘附效率 ，而且提高了 粉尘与除尘材料的碰撞概率 ，因此除尘效率较高。 2.2 通风除 尘 通风除尘的作用是稀释并排走矿井空气中的煤 尘。 虽然已经对 矿井中的各种尘源 进行了防尘降尘措施，但是仍然会有 一部分煤尘进入空气中，而 且许多粉尘都是颗粒直径 不大于 10m的 粉尘，这些
5、粉尘 可以较长时间悬浮于空气中并且 不断聚集，导致矿井空气 受到严重 污染， 矿工健康也会受到严重危害 。因此必须 采取 有效的通风措施稀释并排走矿尘，避免其积聚。通风防尘是矿井综合治理粉尘 的重要措施 之一 。 通风除尘是通过风流稀释粉尘和瓦斯并排出矿井 ，降低工作面粉尘 和瓦斯浓度 ，所以合理的通风能有效地稀释、排出 工作面粉尘并且 防止瓦斯积聚，为了保证矿井工人身体健康，煤矿安全规程规定，掘进中岩巷 通风风速 不能 低于 0. 15 m /s，采煤工作面 、 掘进中的煤巷和半煤岩巷 风速 不能 低于 0.25m /s。 局部通风机通风方法 是 煤矿采 掘面 目前 采用 的 最为普遍的通风
6、方式 ，也称综掘通 风， 局部通风机是 通风 动力 源 ，通过导风筒进行导风 。根据 局部通风 机 的 不同 工作 方式 ， 又 可以分为压入式、抽出式和混合式，他们的通风效果使用条件也不 相同。目前 ， 煤矿综掘作面通常 采用长压短抽通风系统。 通风防尘的关键是如何选择 最佳排尘风速。当风速偏低时，煤尘不能被风流有效的稀释并排出，并且随着煤尘的不断产生，造成作业地点粉尘浓度的非定量增加，导致粉尘浓度持续上升。当风速过高时， 又会吹扬起矿井设备及地面积尘 ，同样会造成粉尘浓度升高。 3 2.3 除尘器除尘 除尘器有 电除尘器 、干式过滤 式 除尘器 、湿尘除尘器和 机械式除尘器 。干式布袋除尘
7、器 对呼吸性粉尘的捕捉 效率 可以 高达 99 以上。波 兰 人发明了利用涡流风筒控制掘进工作面的粉尘扩散和利用复合除尘器净化含尘气流的采掘工作面综合防尘技术。利用涡流风筒内部的特有 “风机”将压入式风筒出口的风流由轴向供风变成 径向供风，沿整个巷道断面形成十分均匀的朝着工作面推进的螺旋风流，使工作面的高浓度粉尘被限制在掘进头附近，以便除尘器的高效率收集粉尘，实践证明：该风筒形成的附壁效应比德国研制的附壁风筒还强，更为重要的是它实现了除尘器、涡流风筒出口又自动将径向供风转变为轴向供风，保证工作面的安全生产；复合除尘器利用高速旋转的旋转式雾化器，将水流雾化形成水幕，净化抽 进的含尘气流。净化后的
8、风流再通过旋流器改编为旋转气流，产生强大的离心力将水尘混合物引向器壁再一次除尘和脱水。波兰柯马克采矿机械化中心（ K O M A G M i ni ng M e c ha ni z a t i o n C e n t r e ）发明 了最高的呼吸性除尘效率可达 99 .8 % 的湿式复合除尘器。该除尘器和配套的涡旋风筒在波兰马尔才尔煤矿的马甲 1 号矿井的某掘进工作面使用后，使掘进机司机位置和除尘器后方 10 m 处的粉尘浓度危害降低到 1 级，所测的平均呼吸性粉尘浓度仅为 3. 7m g / m 3 。 旋风除尘器。 如图 2-2 所示 图 2-2 旋风除尘器示意图 集 尘 箱 收 集 的粉
9、 尘V含 尘风 流VV风 流 旋 转尘 粒 分 离圆 锥 体圆 柱 体内 圆 筒净 化 风 流4 粉尘 以 1424m/s 的速度 ， 从 切向方向向 外圆筒流进除尘器后， 由 于受到5 外筒上盖及内筒壁限流，导致 气流做自上而下的旋转运动。在气流旋转运动过程中形成很大的离心力，尘粒 将会 受到离 心力作用，因为尘粒 密度比空气大 1000 倍以上， 尘粒便可以从除尘器中分离出来并且 依靠旋转气流的诱导及重力作用，甩向器壁而下落于集尘箱中。净化后 的气流旋转向上，从 内筒排出。 旋风除尘器 分离粉尘过程是比较复杂的，结构多种多样，对粒径 10 m以上的矿尘除尘效率更高，矿上多用作前级预除尘。
10、袋式除尘器： 袋式除尘器是一种使含尘气流通过由致密 的纤维滤料做成的滤袋，将煤尘 分离捕捉的除尘装置，袋式除尘器主要由袋室、 框架 、 滤袋 、清灰装置等部分组成。其捕尘机理如图 2 - 3 所示： 含 尘风 流净 化风 流123滤 布 过 滤作 用 示 意1 - 滤 布2 - 初 始 层3 - 捕 集 粉 尘如图 2 - 3 袋式除尘器捕尘机理 初始滤料是干净 的， 当含尘风流通过时，主要是依靠 粉 尘与滤料纤维间的惯性碰撞、拦截、扩散和静电吸引等作用，使粉尘拦截在滤料上 ， 但都是在滤料表面形成一初始粉尘层。初始粉尘层比滤料更致密，孔隙曲折细小并且 均匀，捕尘效率 非常 高，这是袋式捕尘
11、的 主要过程。 初始粉尘层形成后捕捉效率提高，继续捕集粉尘；随着捕集 粉尘层的增厚，效率虽然有所增加，但阻力随之增大。阻力过高，将减少处理风量且可使粉尘穿过滤布时降低效率，所以，当阻力达到一定程度（ 100 0 200 0P a ）时，要 清理灰尘。 要在不破坏初始粉层情况下 清理灰尘，清理捕集粉尘层的 清理方式有机械振动、 压气脉冲喷吹 、逆气流反吹 等。常用 的 滤料有涤纶绒布、针刺毡等。为 了增加过滤面积 常 将滤料做成圆筒（扁）袋形， 并 且 多条并列。过滤风速一般为0.5 2m / m i n ，阻力 在 100 0 200 0P a 之内。适用于非纤维性、非黏结形粉尘。 6 2.4
12、 方案比较 除尘方案 优点 缺点 泡沫除尘 捕尘效率高，管理工作量小 费用投资高，应用范围有限 通风除尘 操作简单，方便快捷， 成本低 除尘效率低，易造成二 次污染，适用范围有限 除尘器除尘 除尘效率高 一次性投资大、设备自 身结构复杂、体积大、 较笨重、处理风量有限 2.4.1 方案选择 由以上方案比较可知，每种方案都有各自有缺点，但在粉尘场所适用范围上都比较窄，无法广泛推广。喷雾降尘广泛应用于煤矿粉尘场所， 然而现存的喷雾降尘设备又 以低压喷雾为主，低压喷雾水压较低 ，一般在 12MPa左右，捕尘效率大约 在 50%左右 , 捕尘效率低 。 智能高压喷雾可实现高效率降尘，无人监控 ，适用范
13、围广，设备维护量小，在煤矿粉尘场所应用广泛。选择智能高压喷雾降尘方案，可靠性高，实用性强。 2.5 智能高压喷雾除尘 智能高压喷雾 主要 由 PLC、 粉尘浓度传感器、 热释红外线传感器、高压喷嘴、气动马达、柱塞泵等构成。当粉尘浓度传感器检测到粉尘浓度超标时，高压喷雾装置开始喷雾降尘，当浓度低于警戒线时喷雾停止。此外，该喷雾7 降尘系统还安装有热释电红外线传感器，当装置检测到有人在 喷雾地点时，可以自动延时或停止喷雾。 智能高压 雾除尘设施具有以下优点： （ 1） 集中运行：管路自动排水系统集中运行，稳定可靠， 可以实现 无人化管理： （ 2） 降低能耗：直接以水、井下风能为动力，无需额外电机
14、 等辅助设备； （ 3） 可靠除尘：采用 矿用水质过滤器，净化井下水， 充分解决水质对系统的影响。 采用高压 喷嘴，耐磨性好、雾化除尘效果好 ： （ 5） 使用方便：利用煤矿井下现有的风能 、供水系统即可，安装十分方便： （ 6） 耐 用性能好：主要机械装置设计简单、科学， 故障率非常低。 2.5 本章小结 本章主要介绍了泡沫除尘、通风除尘、 除尘器除尘，通过对比得出各自优缺点。鉴于各自应用范围有限，考虑到不同煤矿井下环境差异，提出智能高压喷雾除尘方案，应用范围广，除尘效率高。 8 第三章 煤矿井下智能高压喷雾除尘设计方案 3.1 智能高压喷雾除尘特点 目前我国煤矿井下应用最广泛的除尘措施主要
15、是以喷雾洒水降尘 ， 然而目前 喷雾洒水降尘 方法 又以低压喷雾为主，由于水压低，导致雾化效果差，水资源浪费严重，很难有效捕捉粉尘，特别 是 对呼吸型粉尘的除尘效率不足70%。 高压喷雾 降尘技术室一种降尘效率高但目前为止还没被 广泛 推广使用的煤矿井下 降尘技术 。喷雾尘粒与粉尘的高凝结效率是除尘效率高的主要原因。 煤矿井下低压喷雾洒水喷雾 是通过惯性碰撞、 扩散作用 、凝结作用等方式来降尘的；然而高压喷雾不但有低压喷雾的降尘机理 ， 而且 还使水雾带有较高的正负电荷，因而 对呼吸型粉尘降尘效率将会更高 。 巷道内智能高压喷雾引用煤矿 井下现有的风路管路中的压缩风能，由气动马达将风能转化为机
16、械能从而驱 动柱塞泵工作，由于老师选取的煤矿井下水质除了含有一些可过滤的杂质其他各项指标都良好，因此利用井下水必须提前进行过滤。将煤矿井下水经沉淀池沉淀杂质进行第一次过滤，然后由沉淀池流出的水 再 通过矿用水质过滤器过滤第二次，然后低压水流经柱塞泵，气动马达作为动力源驱 动柱塞泵 工作， 将低压水转化为高压水，为高压喷雾做好准备。使用气动马达带动柱塞泵实现低压水向高压水的转化，解决了使用电动机转化低压水带来的用电安 全问题。智能高压喷雾系统可实现无人监控自动喷雾，喷雾除尘系统主要采用 PLC 控制器控制 矿井粉尘浓度传感器 工作 ，当检测到粉尘浓度超过指标时可实现自动喷雾降尘，喷雾过程中如果有
17、矿工经过时，热释电红外线传感器发出信号，喷雾停止工作。当工人走过时，如果粉尘浓度依然超标，喷雾继续进行，直到粉尘浓度传感器检测 到粉尘浓度低于指标时，喷雾降尘停止。 皮带机除尘系统由经过过滤后的水流经柱塞泵，柱塞泵安装在皮带机上，当皮带机工作时带动柱塞泵工作，从而实现低压水向高压水的转化，解决了井下电气防爆问题，实现皮带机机械能的高效利用。 采煤机采用内喷雾和外喷雾的结合。 喷雾降尘是高压水通过喷嘴高压喷射 扩散，使其雾化， 包裹住粉尘源从而与外界隔离 。 高压喷雾不仅可以通过拦截作用沉降粉尘，而且还有 冷却截齿、湿润煤层和防止截割火花的作用。 9 3.2 水滴捕尘机理 通过喷嘴把水雾化，然后
18、 喷射于空气中，使之与粉尘接触碰撞，使尘粒被捕捉而附于水滴上或者被湿润尘粒相互凝集成大颗粒，在重力 作用下从而提高其沉降速率，加之采取必要的通风措施，这种措施在高浓度作业地点会大大提高对矿尘的捕捉和释放排出，全面提高降低粉尘浓度效果。 （ 1 ）惯性碰撞 如图 3 - 1 所示，尘粒和水滴之间的惯性碰撞是湿式除尘的最基本的捕尘作用。直径为 D 的水滴与含尘气流具有相对气流 v ，气流在运动过程中如果遇到水滴会改变气流方向，绕过物体进行运动，运动轨迹由直线变为曲线，其中细小的尘粒随气流一起绕流，粒径较大和质量较大的尘粒具有较大惯性，便脱离气流的的流线保持直线运动，从而与水滴一起相撞。由于尘粒的密
19、度较大，因惯性作用而保持其运动方 向，在一定粒径范围的尘粒由于惯性与水滴碰撞并黏附于水滴上。相对速度 v 越大，所能捕获的尘粒粒径范围越大。1 m 以上的尘粒，主要靠惯性碰撞作用捕获 。 水 滴D风 流 流 线尘 粒 轨 迹d黏 附 的 尘 粒V图 3-1 水滴捕 尘作用示意图 （ 2）扩散作用 一般情况下粒径在 0.3m以下的粉尘 质量很小， 很容易被风吹动扬起，吹起的微粒气体一样做 布朗运动。 粒径和质量虽然都很小， 但 是扩散 能力很强， 粉尘在不停的运动中很容易和其他物体相撞而沉降下来 。 （ 3）凝结作用 凝结分为 两种情况， 一种是通过 水蒸气的 不断凝结使粉尘粒逐渐 凝聚增大；另
20、一种 情况是粉尘通过扩散漂移的联合作用，使尘粒逐渐向 液滴移动10 从而凝聚增大，此时的粉尘由于通过惯性作用很容易被 捕集。另外 ， 水滴与尘粒的电荷性也 会促进尘粒 凝聚。 （ 4）静电捕集 静电捕集就是用大量带电荷的雾粒，利用电 荷之间的库仑力来有效捕捉微细粉尘。静电作用主要与粉尘介电常数、雾粒和粉尘上的电荷量有关。普通喷雾洒水的降尘机理起主要作用的是惯性碰撞和扩散截留机理，所以在捕集呼吸性粉尘时存在着两大主要缺点：一是因为呼吸性粉尘的惯性小，在将要与水雾颗粒相碰撞时要改变其运动轨迹而绕雾粒运动，极难被水雾所捕集。二是即使有少数呼吸尘和水雾粒相碰撞，由于凝聚力小而容易再分离，这就是水雾粒 (尤其是较大水雾粒 )对呼吸性粉尘捕集效率低的原因。 3.3 智能高压喷雾设计思路 高压喷雾水在外部压力的驱动下，经过管路和喷嘴，形成高能流束喷射而出，从而形成喷雾。本文对喷雾除尘设计思路如图 3-2 所示 开 始检 测 粉 尘 浓 度浓 度 超 标是 否 有 人Y打 开 电 磁 阀开 始 喷 雾YNN报 警 并延 时 1 0 S图 3-2 智能高压喷雾示意图 系统上电 后 开始工作， PLC 作为控制器控制整个系统工作，粉尘浓度传感器实时监测煤矿井下巷道粉尘浓度。 当粉尘浓度超标时， 同时热释电红外线传感器检测巷道内有无工作人员 ，若无人则喷雾降尘开始，若有人，延
