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    矿用湿式除尘器的发展和现状

    矿用湿式除尘器 (下称湿式除尘器) 作为一种高效的工业除尘设备,主要应用于矿山井下、岩开巷及锚喷作业面、采掘工作面等粉尘比较集中的产尘作业点中。随着国家对工业粉尘污染的监督控制,要使工业粉尘浓度达到 2 mg/m3,除了要有完善的通风系统外,还必须配备高效除尘设备。湿式除尘器与其他除尘设备相比,不仅清除 1~5 μm 呼吸性粉尘的效率较高,安装费用少,并且结构紧凑,操作简单,经济耐用。现在越来越多的科研机构和厂家对其投入研发和生产,矿用湿式除尘器得到前所未有的关注和发展。

    1 结构和工作原理

    1.1 结构

    目前,我国矿山采用的湿式除尘器有很多类型和型号,各个厂家生产的湿式除尘器在外观和结构等方面有一定差异,但其主体结构主要由进风口、配套风机、风筒、除尘器主机以及除尘器支架等部分组成。除尘器主机部分由除尘器箱体、进出风口、排污口、脱水器以及水位指示器等部件组成,如图 1 所示,这也是矿用湿式除尘器的关键部件。

    矿用湿式除尘器

    图 1 除尘器主机部分结构

    Fig. 1 Structure of main engine of dust catcher

    1. 水位指示器 2. 除尘器箱体 3. 导风组件 4. 脱水器

    1.2 工作原理

    湿式除尘器利用水 (或其他液体) 与含尘气体充分接触,利用水滴与尘粒的惯性碰撞、接触凝并等作用,使粉尘与气体分离。水与粉尘颗粒的接触形式主要有水滴、水膜及水泡 3 种方式,而在实际应用中,可能同时兼有 2 种或 3 种方式。

    目前,矿山井下应用最普遍的是 KCS 系列和 SCF系列湿式除尘风机。K CS 系列矿用湿式除尘器分为K CS-I、K CS-II 和 K CS-280-JZ 型 (机载式湿式除尘器)。K CS-I 型湿式除尘器主要采用水浴式除尘机理,KCS-II 型、KCS-280-JZ 型湿式除尘器装置则采用喷淋除尘机理。SCF 湿式除尘风机主要为 SCF-5、SCF-6 和 SCF-7 型,采用抽出式通风过滤除尘机理。

    除尘器的除尘过程主要分为捕集和脱水 2 部分。含尘气体从进风口进入,经过风筒后进入除尘器主机部分,进入除尘器后首先进入粉尘捕集区,含尘气体经过风机叶片后,较粗尘粒依靠离心力被捕集,而较细尘粒直接与从喷嘴喷出的水雾以较高的相对速度碰撞接触,使包裹在粉尘表面附着的气膜被水雾冲破,然后粉尘被水润湿后发生剧烈的凝并,形成含尘水滴,含尘气体经过水滴分离区被捕捉、聚焦后形成污水和泥浆,被泥浆处理装置收集处理,最后,净化后的清洁空气从出风口排出。

    2 国内外发展概况

    除尘器的发展已有 100 多年的历史,最早的除尘器主要用于回收物料,因而其除尘效率并不高。其中具有代表性的时期是:1881 年,西方国家出现第 1 台袋式除尘器;1892 年,G. Zschohe 研制了一种湿法网格式除尘器;1907 年,第 1 台电除尘器被制造出来,这些除尘器都曾先后应用于矿山井下除尘。湿式除尘器曾因为需要增加泥浆处理装置而受到一些限制,但是由于矿山井下大多含有丰富水源,可为其使用提供良好的条件,而且该除尘器不仅没有二次扬尘问题,对微细粉尘净化效率较高。当对湿度大的粉尘和有毒气体进行净化、降温时,湿式除尘器较其他除尘器有明显优势。近些年,国家相关部门对呼吸性粉尘控制提上日程后,湿式除尘器日益得到科研人员的重视。

    2.1 我国湿式除尘器的发展

    湿式除尘器的研究在我国起步较晚,在最初阶段,主要是引进国外成套的湿式除尘设备,用于国内矿山井下的除尘。但由于国内外矿山的地质结构和粉尘浓度的复杂性,各矿山采取的除尘系统不尽相同,因而从国外直接引进的成套高效湿式除尘设备并不适合国内矿井当时的生产技术条件。之后,国内研究院所根据我国矿山的具体情况,自行改装并研制生产了许多大型湿式除尘设备。

    2.1.1 发展阶段

    (1) 20 世纪 50—60 年代,我国主要引进bwin水膜除尘器,它是bwin除尘器的改进型。20 世纪 70 年代,bwin水膜除尘器的缺陷日益明显,除尘效率低且极易阻塞,渐渐被冲击式除尘器 (CCJ 冲击式除尘器)所替代并至今仍有使用。

    (2) 20 世纪 70 年代末—80 年代,通过对湿式除尘理论和国外湿式除尘新技术进行研究总结后,国内研究单位自行研制出了适合我国矿山的湿式除尘器,这也是我国湿式除尘设备研制发展的高速期,其中最具代表的研究单位有马鞍山矿山研究所、煤炭科学研究院重庆研究所、冶金部安全环保研究院以及东北工学院等。20 世纪 70 年代后期,马鞍山矿山研究院研制成功 2 种规格的含有湿润层的湿式除尘风机。煤炭科学研究院重庆研究所于 1983—1985 年底,先后研制成功了 MLC-I 型喷射机湿式除尘器、JTC-I型和 JTC-II 型掘进矿用通风湿式除尘器、KGC-I 型掘进湿式除尘器。东北工学院将纤维层过滤和水膜除尘 2 种作用综合起来,于 1985 年研制成了 SLC-I型掘进通风湿式除尘器,同时期通过从英国恩加特公司引进技术,与煤炭科学研究院重庆研究所和镇江煤矿机械厂合力研制了 SCF 湿式除尘风机。冶金部安全环保研究院在探索新的除尘机理的基础上,于1987 年研制了具有复合除尘机理的金属湿式纤维栅除尘器。

    (3) 20 世纪 90 年代至今,MLC-I 型喷射机湿式除尘器、MPC-I 型锚喷除尘器和 PSC-I 型风水除尘器等。我国于 20 世纪 80 年代末研制出来用于矿山机掘工作面的湿式除尘器,由于易被水泥浆粘结和收尘效果差等原因,在矿山并没有得到真正的推广应用;在20 世纪 90 年代初,从波兰引进的湿式除尘器存在阻力较大、体积较大的不足。“十一五”期间,针对上述问题,我国自行研制了新一代体积小的高效除尘器—— KCS 系列湿式除尘器和 CSY 系列液动湿式除尘器。这两类湿式除尘器在矿山井下得到比较广泛应用,现在很多科研单位仍在对这两类除尘器进行研究和改造,以便使其拥有更广的应用范围。

    K CS 系列湿式除尘器主要分为 K CS-I 系列、KCS-II 系列和 KCS-280-JZ 型机载式湿式除尘器,该系列除尘器用轴流式防爆型抽出式局部通风机与湿式螺旋捕尘器装配而成。K CS-II 系列湿式除尘器在出风口设有旋流器,加强了三级除尘效果。该矿用湿式除尘器可根据工作面断面大小、工作面压入风量大小、运输方式等条件组成车式结构与掘进机二运连接,形成与掘进机同步运行的配套除尘设备,使用方便,控制简单,除尘效果好。

    CSY 系列液动湿式除尘器采用斜流风机提供动力,与脱水部分有机结合,虽减小了除尘器体积和工作阻力,但除尘效率高达 99%,能够适应我国矿山的粉尘治理。

    2.1.2 主要研究目标

    综合我国近几十年湿式除尘器的发展历程来看,以提高湿式除尘器的除尘效率特别是对呼吸性粉尘的捕集效率,以研发体积小、结构紧凑、简单可靠且低能耗的湿式除尘器为主攻目标,主要表现在以下几个方面。

    (1) 对湿式除尘器综合运行参数的研究。对湿式除尘机理、除尘器阻力特性、汽液两相流等理论的研究日益丰富。随着我国能源危机的加重,对除尘器的除尘效率和运行中的流体能耗的综合评价越来越重要。在较高的除尘效率、较低的阻力及设备安全工况区运行是湿式除尘器运行参数设定的最佳选择。中国矿业大学研究自激式水幕湿式除尘器的风量、节流挡板开度、节流强度及全压损的影响规律,通过 3因素 4 水平除尘效率正交试验,确定除尘器最佳运行状态。江苏大学环境学院通过试验得出了水气旋转射流吸除尘器最佳运行配置参数。由于矿山机掘工作面大都采用长压短抽通风方式,但随着工作面不断推进,压风风筒的风阻与漏风量不断增加,影响除尘器的控尘和除尘效果。为解决这一问题,中煤科工集团重庆研究所有限公司用变频器调节湿式除尘器的频率,以保证除尘器的抽出风量随正压风量的变化及时改变,来保证除尘器的高效除尘效果。

    (2) 粉尘与液体接触、碰撞及凝并作用的研究。有研究表明,湿式除尘器的除尘效率不是取决于粉尘的润湿性,而是所有到达液滴表面或穿过液滴,或与液滴凝并的粉尘数量。因而增强粉尘与液滴碰撞凝并作用,可以明显提高除尘效率。凝并是捕集微细粉尘的有效阶段,增强粉尘的凝并作用更是提高微细粉尘捕集效率的一种重要途径。在一般的湿式除尘器中,主要从加大粉尘与水滴的碰撞来提高除尘效率,如带S 形冲道的冲击式除尘器。中联西北工程设计研究院认为要增强粉尘凝并作用,必须要使含尘气体与液体两者充分接触,扩大两者接触面积,其方法是将粉尘粒径尽量减小。他们研制了一种采用一层 40 目钢丝网的新型矿用湿式除尘器,含尘气体通过钢丝网时,被强制分离成多个小气泡以达到充分接触的目的,但并没有增加除尘器的整个系统压力,节约能源。

    (3) 改进湿式除尘器的设计和结构,提高除尘效率。2006 年,兰州理工大学的侯伟峰对湿式喷淋塔除尘器进行了结构改进,使其除尘效率提高了 10% 左右。2007 年,煤炭科学总院南京研究所和兖州矿业集团公司南屯煤矿对 SCF-6 型湿式除尘风机进行改造,取消了泵和水循环系统,使其既可应用于采掘机械配套除尘,也可以用于井下局部通风除尘和运输转载点除尘,并且风机功率提高约 8%,对呼吸性粉尘的净化效率为 90%~98%。2014 年 10 月,江苏纪浩环保设备有限公司的专利产品 (CN 204212797 U)——具有散热消音装置的折流湿式除尘风机,其新型风机在在煤矿井下工作运行时噪声小,散热效果好,为井下职工创造良好的工作环境。2014 年 11 月,山东新阳光机械制造有限公司研制了斜流板式高效矿用式湿除尘风机 (CN 204183353 U),其集通风与净化与一体,净化效率高达 99% 以上,该除尘器集空气动力、收集净化粉尘、气液混合与分离与一体,即可机载也可独立工作。2015 年,中煤科工集团重庆研究院有限公司对 KCS-250D 型湿式除尘器的喷嘴和喷雾方式进行改进,改进后整体运行性能得到明显提高。江西安源通风设备有限公司介绍了一种新型矿用湿式除尘风机,它在旋流器后加过滤板式气水分离装置,可以保证工作场所的空气干燥。

    (4) 研究以多种除尘机理于一身的新型矿用湿式除尘器。将湿式除尘机理与其他除尘机理进行优化组合后,不仅可以明显提高除尘效率,还大大提高了除尘器入口允许最高粉尘浓度。2007 年,新汶矿业集团安全仪表计量检测站研制的 KCSJ-180-D-I 型矿用湿式振弦除尘风机,经试验后除尘效果很好,并已在多个矿井推广使用。西安科技大学机械工程学院设计了一种引风——喷雾除尘器,它吸尘能力大且雾粒捕集能力强。2014 年,山东鲁德煤业有限公司鹿洼煤矿研制一种新型矿用湿式除尘器,采用高速对旋滤筒高效率地将除尘和脱水两个过程同时完成,在保持较高的除尘效率和脱水效率的同时,减小除尘器的体积,扩大该除尘器应用范围。河南龙宇能源股份有限公司研制了基于附壁风筒联合湿式除尘器,利用附壁风筒的旋流作用来提高湿式除尘器的除尘效率。2015 年,中国矿业大学 (北京) 设计了一种应用于矿山井下的新型湿式蜂窝滤芯除尘器,该除尘器采用蜂窝滤芯可使含尘气体通过时产生卡门涡街,提高了含尘气体的湍流强度,增加了滤芯表面水膜与气体的接触厚度,提高了粉尘被捕集的概率。

    2.2 国外湿式除尘器的发展

    随着国外环保要求不断提高,对呼吸性粉尘的排放标准也越来越严格,这也促进了湿式除尘器的快速发展。据美国工业气体净化协会 (IGCI) 的统计,1969年,除尘设备的年销售总额为 9 400 万美元 (湿式除尘器占有 30%),到 1974 年达到五亿二千万元美元(湿式除尘设备达到 38%)。随后多年间,除尘设备年销售额及湿式除尘设备所占份额都居高不下。多种新型湿式除尘器被研制出来,如文丘里洗涤器、湿式湿润层除尘器以及多管湿式旋流除尘器等。

    20 世纪 50—80 年代,尽管湿式除尘器形式多样,工作原理不尽相同,但在总体结构上变化不大。从 20 世纪 50 年代的bwin水膜除尘器、60 年代的洗涤栅除尘器、70 年代的文丘里除尘器,再到 80 年代的斜棒栅湿式除尘器,在湿式除尘器入口的第一级除尘处发生较大变化,第二级除尘处基本没有变化。美国矿业局曾于 1972 年对当时在矿山井下已经在使用的 4种矿用湿式除尘器进行测定评价,结果表明,除文丘里湿式除尘器外,其余湿式除尘器对呼吸性粉尘的捕集效率均未达到 90%,难以达到法规标准要求。

    多年来,为提高湿式除尘器的除尘效率,降低能耗 (工作阻力),国外对湿式除尘器的成雾方式、过滤部分和脱水装置等方面作了很大改进。如西德鲁奇公司的径向洗涤器和美国 DUCON 公司专利产品——径向直叶片湿式除尘器 (采用专门设计的径向直叶片湿式风机),增大液滴与粉尘的接触面积,加强两者接触碰撞效果,提高了雾化效果。美国的湿刷式除尘器在逆气流方向添加一些不锈钢丝刷或塑料刷,利用粉尘对刷上细丝的碰撞作用来提高除尘效率。ABB 公司的专利喷嘴及卧式除雾器的应用,提高了除尘效率及脱水率,减少了喷淋塔的体积,降低了造价。DBA公司采用双向喷嘴及交叉喷淋系统,提高效率,降低能耗。B&W 公司在喷淋层增加一多孔合金托盘 (上下都设喷嘴),均布气流,提高效率。蒸汽-水湿式除尘器、ADTEC 湿式除尘器通过直接向粉尘中喷射高压蒸汽、高压水或高温水来增强粉尘凝并作用,这 2种湿式除尘器对粒径为 0.3 μm 的粉尘净化效率高达97.4%~99.5%。前苏联研制的 2 种旋转层式湿式除尘器在原有基础上一个通过增加旋转的冲击凝并器,另一个通过在叶片的一侧或两侧增设冲突网 (金属丝)增强粉尘凝并作用。美国用聚丙烯与金属丝网相互交错叠装层作为滤网,减少了孔隙度和滤网厚度,提高除尘效率和脱水率,降低了阻力。日本旭硝子株式用一定数量的由堇青石 (以电熔法制造的堇青石玻璃经晶化处理),制成以一排贯穿孔的平板叠层制成过滤部件,提高了捕尘率,阻耗约在 900~1 100 Pa。美国DUCON 公司在湿式除尘器原有脱水装置 (脱水器) 后增加了 1 个旋流器,提高了除尘效率和脱水率。

    文丘里湿式除尘器是清除呼吸性粉尘效率最高的一种,该除尘器的尺寸可以设计得很小,如采用双喉管并列仍有很高的除尘效率,应用场合较广。其除尘器部分主要为bwin除尘器,提高bwin除尘器的性能也就大大提高了文丘里除尘器的除尘效率及脱水率。葡萄牙某公司通过建立数值优化模型,研制出了效率最优化的强bwin分离器和再bwin分离器 (多了一个再循环器)。

    国外十分重视对新型矿用湿式除尘器的研究。在改进原有湿式除尘器的基础上,力图把湿式与其他除尘方式进行优化组合,开发新一代高效率节能湿式除尘设备,如文丘里静电除尘器、湿式静电除尘器、带有高压水喷射和高压蒸汽喷射的湿式除尘设备等;将影响除尘效率、工作阻力、液气比以及漏风率等方面综合考虑,研制高效率除尘器,如德国 CFT 公司的HCN 系列湿式除尘器和 HOEKO VENT 湿式除尘器。HCN 系列湿式除尘系统由负压风筒、湿式除尘器、移动装置和附壁风筒组成,该除尘器的滤网部分采用2 层铁网中间夹 1 层纤维丝网压制成 V 形排列,滤网总面积大、厚度小,除尘效率达到 99.4%,实测液气比远低于我国现有湿式除尘器,仅为 0.06;由于该除尘器滤网厚度、液气比都很小,其工作阻力 ≤1 200 Pa;它采用逆喷的喷雾方式,提高了除尘效率;它的密封结构设计较好,试运行没有漏水现象;经过优化设计,使该除尘器的外形和质量大大减少,在井下可单独工作,也可机载运行使用。

    国外常将最新的科技成果特别是新材料应用到湿式除尘器中,如采用超细玻璃纤维丝代替传统玻璃纤维做填料,效率可望成倍提高;采用陶瓷耐磨片 (耐磨性能和硬度都是耐磨钢 AR-400、不锈钢 SS-300的 4~7 倍) 作防腐内衬;在液态金属洗涤除尘技术方面正在研究之中,并取得了一些成果。

    3 关键技术问题与发展趋势

    3.1 关键技术问题

    (1) 对于粉尘颗粒在液滴上的捕集,喷嘴的选型与布置位置、喷雾方式与形状、喷雾的水质与水量、粉尘的性质都影响捕集率。

    (2) 过滤装置 (主要指滤网) 的材料、组成、孔隙度、布置对其除尘效率(特别是呼吸性粉尘)及阻耗都会有影响。

    (3) 当前湿式除尘器的脱水装置,即使采用旋流器、波纹板、滤网气液分离器等,仍存在净化后气体带水现象,给后续工作部件造成严重影响。与国外湿式除尘器相比,国内的湿式除尘器不仅脱水率低,而且阻耗更高。

    (4) 制造工艺水平亟待提高,如密封结构设计和耐磨性能等。我国的湿式除尘器普遍存在风筒漏风率高、除尘器漏水等问题,这都会降低除尘效率,增大阻耗。

    3.2 发展趋势

    (1) 随着湿式除尘器除尘级数不断增加,由最初二级除尘到现在的三级除尘,大大提高了呼吸性粉尘捕集效率;减小除尘器的体积,并排组合使用多个除尘器,可提高工作效率。

    (2) 加速开发新产品和新品种,特别是其关键部件,如喷嘴、滤网、风机以及脱水装置等。

    (3) 对原有湿式除尘器结构和设计进行优化改进,不仅提高粉尘捕集率,还要使其在运行时为井下职工提供良好工作环境,如降低噪声,降低机械传动和旋转装置对人员造成的机械伤害。

    (4) 多应用智能技术,使除尘器可以根据工况及时调整,使其保持长期高效运行;无需专人操作维修,不仅降低人员的劳动强度,而且有利于安全生产。

    总体来说,矿用湿式除尘器的发展趋势是在改进原有除尘器的设计和结构的基础上来提高除尘效率,也要不断研制新型除尘器,让其不仅体积小、质量轻、结构紧凑、结构多样化、移动安装方便,更加智能化,而且拥有高质量、高性能和较广的应用范围。

    4 结语

    矿用湿式除尘器除尘效率高、阻力小、节能、处理能力强,并且其投资费用低,使用寿命长、布局紧凑、节约空间及便于维护,与其他除尘器相比,无论脱硫还是普通除尘方面都有优势。随着国家对呼吸性粉尘排放标准的不断提高,对矿山粉尘排放的控制要求越来越严格,可以预见,矿用湿式除尘器在矿山井下的应用会越来越广泛。与国外发达国家的湿式除尘设备相比,当前我国的总体水平仍有很大差距,每年仍需进口一些矿用湿式除尘器来满足矿山井下除尘的需要。今后在发展湿式除尘设备时,应将自主研发与引进吸收相结合,不断发展和提高我国的湿式除尘设备综合水平,使其不仅要占领国内市场,还要争取国外市场。


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