矿用湿式除尘器研发现状与发展趋势.pdf

随着煤矿开采机械化水平的提高，粉尘已成为制约煤矿安全生产、危害职业健康的突出问题。湿式除尘器因投资少、结构简单而被广泛应用。为进一步改善湿式除尘器的性能，详细分析了其整体结构和原理，对动力、除尘和脱水结构的组成部分、工作原理、影响因素和优缺点进行系统分析梳理。在此基础上，针对现有湿式除尘器存在的不足,提出未来应从整体性、局部性、经济性、环保性等角度考虑，研发结构一体化、能适应井下狭小空间、功能多样化、维护成本低、除尘效率高、污水污泥循环利用、智能化管理的新型湿式除尘器，为实现安全生产、保证作业人员职业健康提供技术支撑。关键词：湿式除尘器；粉尘防治；除尘效率；设备结构；除尘机理中图分类号：TD714+.4文献标志码：B文章编号：10 0 3-4 9 6 X(2023)08-0186-09Research status and development trend of wet dust collector for mineYANG Jie,HU Shengyong,LIU Pai,MAO Xiao,DU Libo,CHENG Kairong,MA Yuxuan,FU Zhihao,ZHANG Haoran,JIA(College of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,ChinaAbstract:With the improvement of coal mining mechanization level,dust has become a serious problem that restricts coal minesafety production and endangers occupational health.Wet dust collectors are widely used because of their low investment andsimple structure.In order to further improve the performance of wet dust collector,the overall structure and principle are analyzedin detail,the components,working principle,influencing factors,advantages and disadvantages of the structure of power,dustremoval and dehydration are analyzed systematically.On this basis,in view of the existing shortcomings of the existing wet dustcollectors,it is proposed that the future should be considered from the perspective of integrity,locality,economy,environmentalprotection to develop a new type of wet dust collector with integrated structure,suitable for the narrow underground space,diversified functions,low maintenance cost,high dust removal efficiency,sewage and sludge recycling and intelligent managementto provide technical support for the realization of safe production and the guarantee of occupational health of operators.Key words:wet dust collector;dust control;dust removal efficiency;equipment structure;dust removal mechanism煤炭在我国能源工业中具有重要的战略地位，然而煤矿机械化程度的不断提高及开采强度的增加，使得矿井尘害日益严重。据统计，煤矿井下掘进工作面粉尘浓度可达50 0 14 0 0 mg/m，远超煤矿安全规程标准 2 。大量粉尘悬浮于作业场所中，不仅危害作业人员的身体健康、降低工作面能见度，当粉尘积聚到一定浓度时,还会引发爆炸 3-4 。因此，研发适用于煤矿环境的高效除尘设备对保障煤矿安全生产、提高井下作业人员职业健康水平具有重要意义。除尘器作为现阶段煤矿粉尘治理的有效手段之一,受到了广泛关注 5。根据捕尘机理的不同,除尘收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 1责任编辑：兰莹作者简介：杨洁（2 0 0 1一），女，山西临汾人，本科生，研究方向为粉尘防治。E-mail:通讯作者：胡胜勇（19 8 4 一），男，湖北随州人，教授，博士研究生导师，博士，从事瓦斯与粉尘防治研究。E-mail:.187.SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54 卷器主要分为干式与湿式2 类。与干式除尘器相比，湿式除尘器因其成本低、能有效净化高湿、高浓度粉尘等显著优势 6 ,在煤矿井下得到广泛应用。目前大多数专家和学者针对湿式除尘器的研究主要集中于单一湿式除尘器的优化，对其各功能结构上的研究和系统梳理较少。基于此，对现有湿式除尘器整体和组成结构进行了系统分类梳理，总结了其不足并据此提出了未来的发展方向，为进一步提高湿式除尘器的性能、控制煤矿井下粉尘含量、改善作业环境、实现安全生产提供参考。1整体结构和工作原理湿式除尘器主要由动力结构、除尘结构、脱水结构组成。其除尘过程包括吸尘、捕尘、降尘3个步骤。含尘气流经风机吸人除尘结构中，由除尘结构产生的水雾、水滴或水膜在重力、惯性碰撞、布朗扩散和截留的综合作用下对气流中的粉尘进行捕捉7。粉尘经湿润增重，快速凝结形成湿润尘团。大部分湿润尘团在自身重力及外部作用下沉降8，少部分随气流进人脱水结构后实现气液分离，污水进排水槽，干燥洁净空气从排风口排出 9。对几种典型的湿式除尘器性能对比见表1 6 。文丘里除尘器、自激式除尘器除尘效率较高、耗水量较少,但与其它湿式除尘器相比存在阻力大、能耗高的缺点；重力喷雾除尘器、湿式过滤除尘器和湿式离心除尘器的阻力损失小于其它除尘器，但是除尘效率偏低；此外湿式离心除尘器还存在耗水量大、阻力偏高的问题。表1典型湿式除尘器的性能比较 6 Table1Performance comparison of typical wet dust collector除尘器名称除尘效率/%最小捕集粒径/m阻力/Pa能耗/(kJm3)耗水量/kgm)气流速度(ms-)重力喷雾除尘器70.085.010.0252500.80.402.700.61.2湿式过滤除尘器80.090.02.050180文丘里除尘器（中低压）90.098.099.00.15002.0008.035.00.200.8060.0120.0(喉管)自激式除尘器90.099.51.05004.0001.02.00.342.7(出口)湿式离心除尘器80.090.02.05.050015000.84.50.803.5025.030.0（喉管）2结构组成2.1动力结构除尘器通常采用通风机作为其动力结构。通风机主要结构部件包括叶轮、机壳、进气口、出气口、电机等 10 。根据气体流动方向的不同，主要可分为轴流式风机和离心式风机2 大类。离心式和轴流式风机均广泛应用于湿式除尘器，离心式和轴流式风机通风特性曲线比较如图1。离心式风机风压较大，特性曲线平缓。其结构简单、噪音小且适用性较好 1-12 ,但一般为单级叶轮且径向尺寸大，因此需要较高转速且对材料和保养有严格要求 13。轴流式风机的风压不如离心式，在小风量区压力随风量波动形成“驼峰”14 ,且具有较大噪音，但其风量大、叶片角度可调、可反风；一些改进型号也弥补了噪音和效率的不足，并具有更显著的节能效果；目前广泛使用的对旋式轴流风机将2 个轴流叶轮串联安装、对向驱动 15,不仅能分级使用节省能源，且与传统轴流式风机相比具有高效率、高风压、大风量、性能好、噪声低、运行方式多样等众离心式不稳定工作段稳定工作段轴流式0风量图1离心式和轴流式风机通风特性曲线比较Fig.1Comparison of ventilation characteristic curvesbetween centrifugal fan and axial fan多优点 1,15-16 叶轮是影响风机性能的核心部件，与风机的尺寸、风量、运转安全和噪音密切相关 17 。对风机叶轮参数的优化及受力结构和材料进行改进，能够降低噪音,并提高风机运转的安全性和稳定性 18 。此外，也应追求机体的小型化。.188.Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第54 卷第8 期2.2除尘结构除尘结构是除尘器的核心结构。含尘气流进人除尘装置后，粉尘与水雾、水滴或水膜接触，依靠重力、惯性、离心力、过滤作用等将粉尘捕获，其中，微细水雾是通过气体和液体之间的相互碰撞和摩擦实现的 19 。根据除尘机理的不同，常用的除尘结构可分为喷雾式、过滤式、文丘里式、自激式和旋流式。典型除尘结构的工作原理示意图如图2。粉尘喷嘴水雾粉尘精细过滤层粉尘水雾含尘气流含尘气流初级过滤层含尘气流喷嘴(a）喷雾式(b)过滤式（c）文丘里式螺距单通道轴向长度粉尘自激水幕节流版内芯体半径外壳半径水膜含尘气流导流叶片含尘气流粉尘/水膜含尘气流水流（e）旋流离心式（f）旋流多通道式(d）自激式图2典型除尘结构的工作原理示意图Fig.2Schematic diagrams of working principle of typical dedusting structure2.2.1喷雾式喷雾式除尘结构的喷头喷射形状主要包括空心雾化、微细喷射、空心锥形、平面扇形、实心锥形5种。安设方式包括风机前顺（逆)风、风机后顺（逆）风 2 0 。喷头将水均匀分散后以雾滴的形式喷出,粉尘通过扩散与雾滴发生碰撞、凝聚、捕获、沉降，实现除尘 2 11(图 2(a)。喷头选型与安设是影响喷雾式结构除尘性能的主要因素。将喷射形状为空心雾化的喷头安设在风机前端，利用风机叶轮高速运转将水滴破碎形成微细水雾的优势，进行捕尘，可使耗水量降低7 2.2 2%，呼吸性粉尘除尘效率提升至9 6.6 4%2 0.2 2 。但水滴粒径与分布密度、喷雾水量与水质、粉尘性质、水滴与粉尘相对速度对除尘效率的影响仍有待深入探索 2 3。喷雾式除尘结构因其设备结构简单、占地空间小、成本投入低而在煤矿井下广泛应用 2 1。但由于煤尘疏水的特性导致喷雾式除尘结构对呼吸性粉尘除尘效率降低，由此造成耗水量大。同时由于喷嘴易堵塞，致使其对水质的要求较高，且维护量大。2.2.2过滤式过滤式除尘结构主要由骨架和过滤网组成。喷头喷射的水雾在过滤网上形成水膜，过滤网在含尘气流冲击下振动，粉尘与水雾或水膜发生惯性碰撞被拦截捕获 2 4 ,凝为湿润尘团，滞留在过滤网上或因自重汇集成污水流至排水槽 9(图2（b）)。影响过滤式结构除尘效率的因素包括过滤网材质、骨架结构、目数与层数等 2 4-2 6 。在风量和水量一定的条件下，过滤网使用直径为0.12 mm不锈钢丝编制排列时，阻力为59 1 1132 Pa，除尘效率为77.4%91.1%，改进使用W型化学纤维层后，阻力为8 0 0 Pa，除尘效率达9 0%2 5。综合考虑层数与目数对阻力的影响，以1层12 0 m初级过滤网，2 层180mW型精细纤维网组合的过滤式除尘结构除尘效果最佳 2 7 。由于过滤式除尘结构的滤网孔径小，对气体的阻力较小，在捕尘时对设备的阻力影响较小,风机功率无需增大，节约能源。其结构简单、易于加工制造、成本相对较低，在煤矿井下广泛应用 2 8 。但其滤网强度低，长期处于高速高压风流、水流与粉尘环境下，滤网易损坏堵塞，平均使用周期仅为1个月，且滤网对小粒径的呼吸性粉尘拦截效率低 2 7 2.2.3文丘里式文丘里式除尘结构由喷头、收缩段、喉管段、扩散段组成 2 9 。含尘气流在收缩段加速，到达喉管段时速度最大，同时被压缩至紊流状态，从喉管段喷人的水流被高速含尘气流击碎形成水雾，充满喉管段，粉.189.Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54 卷尘与水雾碰撞接触，形成湿润尘团后增重沉降，实现除尘(图 2(c)。气液比是影响文丘里式除尘结构除尘效率的主要因素。在气体流量为19.36 x10-4m/s，液体流量为48.18310-m/s条件下，三级双流筛板文丘里式除尘结构的除尘效率最大可达9 8.55%30 。将喷头设为带有磁性底座的独立单元，可调整喷雾角度，实现除尘所需水流速度，空气与水为2:1的喷头可达最佳雾化效果 31。此外，装置的喉部尺寸、几何形状、操作变量、液体喷射布置对其除尘效率也有较明显影响。随文丘里管直径的增大，装置喉管内压降加速，使压降机理越明显，当直径超过一定范围，除尘效率会显著降低 32 。同时,文丘里式除尘结构可与过滤式、旋流式等联合多级除尘,优势显著 3-36 。文丘里式除尘结构因其工艺流程简单，运行调整方便，改造投资经济的优势，不仅在矿山领域应用，更成功地与电除尘器串联，应用到收集燃煤发电行业的锅炉粉尘中 337 。O2.2.4自激式自激式除尘结构由除尘腔体和节流板组成 38 。含尘气流进人除尘腔体后与水产生对流，沿气流方向安设节流板，气流流经节流狭缝后，过流断面迅速减小，流速达到最大，气液两相界面形成自激水幕，捕获粉尘。一部分水被气流冲至下一级节流板，形成新的水雾,进一步捕尘(图2(d)）。自激式结构的除尘性能受内部流速分布和节流板性能等因素影响 39-4 3。在水流与含尘气流撞击形成的水幕射流主体区以外，负压大，易产生流，使水幕动能加大,除尘效率提高 38 。在节流板开度一定时，为保证除尘效果，小风量下适用不折弯节流板，大风量下折弯为50 mm的节流板除尘效果最佳 4 4 。自激式除尘结构不需要动力水源及喷雾装置，除尘水在除尘装置中循环使用，污水集中处理。但运行过程中，对节流板调控要求较高，且节流板长期在含尘水冲击下易腐蚀变形，改变节流开度，影响除尘效率 39-4 1 2.2.5旋流式旋流式除尘结构包括离心式和多通道式。其主要由圆柱形内芯体、导流叶片及除尘腔体3部分组成。粉尘在气流高速运转产生的离心力作用下，运动至除尘腔体内壁，被连续流动的水膜或水雾吸附后，流人排水槽 4 5。离心式和多通道式的工作原理图分别如图2(e)和图2(f)。工作阻力及风速对离心式与多通道式除尘结构的性能均有影响 4 6 。工作阻力过大会限制除尘效果：离心式结构的工作阻力随叶片宽度、倾角的减小显著增大；多通道式结构的工作阻力随颗粒直径、装置内芯体半径的增大而增大，随螺旋通道个数、单个螺旋通道轴向宽度的增大而减小 4 7-4 9 。另外，旋流式结构的除尘效率随含尘气流流速变化，先增后减，实验表明：在9 0 0 r/min条件下，对5m以上全尘的除尘效率为8 8%，对0.1 5m的呼吸性粉尘除尘率为8 0%50 ；在风速为7.2 7 18.2 8 m/s时，可捕获9 7%的呼吸性粉尘 51 旋流式除尘结构处理风量范围大，压力损失较小，内含多级捕尘，使除尘效率大于9 0%4 7 ,且结构紧凑、噪声低、设备体积小，方便移动，易于使用和管理 4 5,使其在矿山的生产和建设过程中得到广泛应用。但因工作阻力较大，对水质要求高，在保证除尘效率的同时，能耗高 4 8 ,气水分离不彻底，且内部零件多为精巧化设计，使整体设备造价高。2.3脱水结构脱水结构是除尘器的关键结构。含尘气流通过除尘结构形成含尘污水后随气流进入脱水结构，依靠重力沉降、惯性碰撞、布朗运动、离心作用等将含尘液滴从空气中分离出来，实现气液分离。脱水性能是湿式除尘的重要技术指标,直接影响除尘效率 51。目前常用的脱水结构根据原理的不同可分为撞击式、过滤式和离心式。撞击式和离心式脱水结构的工作原理示意图如图3。已捕获的雾滴含尘污水。碰撞拦截干燥洁净空气融并(a）撞击式污水出口旋流离心含尘污水干燥洁净空气污水出口分离水(h）离心式图3撞击式和离心式脱水结构的工作原理示意图Fig.3Schematic diagrams of working principle ofpercussive and centrifugal dewatering structures190Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54煤砺发全第54 卷第8 期2.3.1撞击式撞击式脱水结构分为重力挡板与折流板2 种。重力挡板脱水结构较为单一，主要原理是雾滴与挡板碰撞损失动能后，在自身重力作用下与气流分离。折流板脱水结构主要包括O形、V形、Q形、N形、S形、T形、P形、U形9 种形状 52 。含尘污水随气流流经折流板时，在惯性作用下撞击到折流板表面被捕捉，实现气液分离 53。同时，折板之间的多股狭窄通道也能增加微细雾滴与粉尘之间的碰撞次数，使其融并,凝聚为较大雾滴从而更易被分离 4 5。撞击式脱水结构的工作原理图如图3（a）。影响撞击式结构脱水效率的因素主要包括气体流速以及折板开度与级数 54 。其中,气体流速对脱水效率的影响最大。脱水效率先随气体流速增大而提升，后因工作阻力增大而下降，极限流速分别为2.1m/s和5.8 m/s27,55-56。折板开度越大,级数越多,脱水效率越高，但同时也增加了阻力损失 57 ,实际应用中应根据风机性能选取适当夹角的折板，折板级数一般取3到4 级为宜 54 撞击式脱水结构中的重力挡板式结构简单，安装方便，但脱水效率较低，多用于粗脱水。折流板式不受处理风量大小限制，尺寸变化范围较大，但其阻力较大,且易出现结垢、堵塞等问题，除尘效率有待提高，同时也会因整体尺寸的限制导致安装不便,适用于断面较小工作面的除尘作业 4 5,58-59 。2.3.2过滤式过滤式脱水结构由直径0.15 0.2 5mm的不锈钢丝或聚丙烯编制均匀，固定在框架上形成多层纤维栅幕 34 。含尘污水随气流进人脱水装置，在由中心管道向腔体内流动过程中，因流通截面积突然扩大，流速变小，部分大颗粒含尘液滴因重力作用而下落，小颗粒尘液则在脱水器下部与纤维栅幕碰撞后汇集成水流排出 0 。气体流速与液气比是影响过滤式结构脱水效率的主要因素。气体流速过慢，致使夹带的尘雾处于悬浮状态，未与纤维栅幕发生碰撞便随气流流出，造成脱水效率低，流速过快，会造成液泛，使聚集在纤维栅幕上的液滴滞留形成水膜，使气体通过后又重新带沫 6 。此外,相较于其他脱水结构，气液比对过滤式结构阻力系数的影响更大(2 。过滤式脱水结构一般作为湿式除尘中精脱水设备，具有比表面积大、重量轻、除尘效率高、风压损失小、使用方便等优点，但在气体流速较大时脱水效率降低,甚至起不到分离作用 58.6 1。此外,其运行成本高、维护频繁，主要适用于对空气质量要求较高，需要精脱水的场所 6 3-6 4 2.3.3离心式离心式脱水结构由导流叶片、脱水腔体及排污管道构成，利用设备高速运转产生的强大离心力将液滴粉尘甩至腔体内壁，汇聚后进人排污管道，从而实现脱水除尘 6 4 ,离心式脱水结构的工作原理图如图3（b）。根据旋转气流产生机理的不同可分为切向引人式、导向叶片式和旋流板式。气体流速、脱水段长度、液滴直径等因素都会影响脱水效率。脱水效率随流速变化先增后减；随脱水段长度增加而提高 6 5;随液滴直径的增大而增大 6 。研究表明，风速在7.2 7 18.2 8 m/s范围内 50 ,长度与直径之比为8.3：1时脱水效率最高 6 7 。离心式脱水结构脱水效率虽没有过滤式高，但具有设备体积小、易安装、操作灵活、运行稳定连续、维护方便等优点，适用于处理气量大和含尘浓度高的气体 58 3存在不足及发展展望3.1存在不足1)设备体积较大，一体化程度低。多采用风机与除尘结构分离的分体式结构，外形尺寸大，安装移动困难，受限于井下狭小的掘进空间。2)动力结构的风机功能单一。风机只作为动力来源，叶轮作为风机的核心部件仅产生风量和风压，未实现高效利用。3)维护频繁。湿式除尘器普遍采用的滤网、喷嘴、折流板强度低，在风流与湿润尘团作用下使用周期短，易被杂质堵塞，需频繁更换4)脱水性能差。撞击式脱水结构关键因素研究欠缺，过滤式、离心式脱水结构工作阻力大，脱水效率低。5)耗水量大。湿式除尘器产生的大量污水直接排放不仅浪费大量水资源还会造成二次污染。3.2发展展望1)在整体性上，实现结构一体化。为提高湿式除尘风机对狭窄空间的适应性，应研发一种集抽尘、除尘、脱水于一体的湿式除尘器,将风机、除尘结构、脱水结构集于一体，提高设备的整体性，减小体积。2)在局部性上，实现风机多功能。采用一种既能旋转提供风压，又能破碎液体产生水雾的新型叶轮。水从进水管流入叶轮后在离心力和自身重力作191：Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤防发全No.8Vol.54第8 期第54 卷用下呈圆环形向边缘移动，可形成液膜，对粉尘进行捕捉，随后在高速旋转叶片的作用下，液膜因切削作用而破裂，在与空气碰撞摩擦作用下雾化成液滴继续进行粉尘捕捉。3)在经济性上，实现设备低维护。采用普通水管替代喷嘴作为进水口，避免水中杂质堵塞，同时不使用滤网，依靠离心破碎的水雾、叶片表面的水膜进行捕尘。4)在功能性上，实现除尘高效率。设置旋流叶片将除尘器内部螺旋气流进一步扩大，将风流直线路径改为螺旋路径，增加水雾和粉尘接触时间的同时降低了导流过程中的阻力，利用离心力和重力将气水分离。5)在环保性上，实现污水零排放。除尘器排出的污水通过灰水分离器及污泥分离机，对洁净水和粉尘回收物进行循环利用，在节能环保的同时省去了大量的沉淀池。6)在操作性上，实现管理智能化。研究集粉尘在线监测、自动化控制功能于一体的智能湿式除尘器。设置自动感知补水阀，在循环水不能满足除尘要求时自动补充洁净水；应用模糊控制理论，根据粉尘浓度大小自动调节出水量，节水减耗；依托云平台，实现在线监控、数字控制、故障自动报警。4结语我国湿式除尘器从2 0 世纪6 0 年代至今不断发展完善，研制出了一系列新型的湿式除尘器，解决了一些技术难题，有力地保障了煤矿的安全生产和作业人员的职业健康。但是，煤矿尘害依旧严峻，湿式除尘器仍然面临着巨大的技术难题。因此，急需深人开展理论研究和技术攻关，从设备的整体和局部结构、工艺制造成本、环境友好程度等方面考虑，设计新型的湿式除尘器，实现设备体积轻量化，集抽尘、除尘、脱水于一体；研制新型叶轮，实现风机多功能；采用水管代替喷嘴，降低维护量；优化风机中的气流路径，在增加水雾和粉尘接触时间的同时降低导流过程中的阻力；增设灰水分离器及污泥分离机，实现对洁净水和粉尘回收物进行循环利用；集粉尘在线监测、自动化控制于一体，实现智能化管理。为实现安全开采、推进“健康中国”的发展提供技术支撑。参考文献(References)：1 林杨顺朝.矿用湿式除尘风机的设计及在煤矿井下的应用 J.精品，2 0 2 1（17）：19 3-19 5.2贺艳军，王帅，张昊，等.综掘工作面粉尘防治理论与技术研究进展 J.能源与环保，2 0 2 1，4 3（12）：2 5-30.HE Yanjun,WANG Shuai,ZHANG Hao,et al.Researchprogress on theory and technology of dust preventionand control in fully-mechanzied driving faceJ.ChinaEnergy and Environmental Protection,2021,43(12):25-30.3张景公，芮存山.岩巷综掘工作面综合除尘技术研究与应用 J.建井技术,2 0 14(S1)：14 1-14 4.ZHANG Jinggong,RUI Cunshan.The study and appli-cation of the comprehensive dust removal technology inrock roadway fully mechanized excavation faceJ.MineConstruction Technology,2014(S1):141-144.4何明伟.湿式除尘风机在连续采煤机单巷掘进工作面的应用实践 J.探索科学，2 0 19（6)：8 2-8 3.5马骁，张琦，白若男，等.除尘风机用折流板除雾器的数值模拟及应用 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