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I I III II II II II I IJ l U I I Y 3 5 0 6 7 2 3 硕士学位论文 THESISFO RMAST ER ’SD EGRE E 论文题目 湿式过滤复合除尘器性能研究 作者 学院 专业 指导教师 备注 易航 资源与土木工程学院 安全科学与工程 柳静献教授 - 丁‘五 年 六 月 日 万方数据 分类号 U D C 密级 学位论文 湿式过滤复合除尘器性能研究 作者姓名易航 指导教师柳静献教授 I I I IlUI II II I I l lI l l I I I Y 3 5 0 6 7 2 3 东北大学资源与土木工程学院 申请学位级别硕士学位学科类别工学硕士 学科专业名称安全科学与工程 论文提交日期2 0 15 年6 月论文答辩日期2 0 15 年6 月 学位授予日期2 0 15 年7 月答辩委员会主席吴穹 评阅人冯国会苑春苗 东北大学 2 0 15 年6 月 万方数据 AT h e s i si nS a f e t yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g S t u d y o nP e r f o r m a n c eo fM i n eW e tF i l t e r P r e c i p i t a t o r B yY IH a n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL I UJ i n g x i a n N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 1 5 万方数据 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 亡巳 ，恳。 作者签名易航 日 期2 0J 多．6 ，2 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口两年团 作者签名易鼎乙 签字日期2 0a 5 ．6 ．2 岁 导师签名 签字日期 柏轨 沙- ，．多、乃一 万方数据 东北大学硕士学位论文摘要 湿式过滤复合除尘器性能研究 摘要 煤是我国最重要的能源之一，在大型机械化切割开采过程中伴随着大量矿尘的产 生，这不仅造成职业健康危害，引发现场作业人员尘肺病等呼吸道疾病，并有可能引发 井下火灾爆炸事故，造成人员财产损失。在采煤作业过程中，机械挖掘工作面和综采工 作面的煤尘浓度最高，根据新版煤矿安全规程规定，必须将粉尘浓度控制在可容许 的范围以内，从而保护作业人员职业安全健康以及保障企业正常安全生产。 湿式过滤复合除尘器结合了湿法除尘和过滤除尘高效低阻的特点，与大型机械化采 煤机综合配套，能有效控制井下的粉尘，但目前国内外针对湿式过滤复合除尘器的研究 还不够深入，对此，本论文研究了湿法除尘和过滤除尘的理论，研发了湿式过滤复合除 尘器，并对其性能进行测试，并针对不足之处做了两次优化。 本文在分析湿式过滤复合除尘机理基础上，结合射流破碎理论、薄膜破碎理论等雾 化机理，发展并丰富了湿式过滤层机理和惯性碰撞、截留、扩散等水雾水膜捕获机理； 在分析湿式过滤复合除尘器除尘效率的同时，考虑了单一液滴的捕集效率、湿式除尘器 分级效率和金属栅的拦截效率等多种因素的作用。 本文针对研发的湿式过滤复合除尘器设计了实验方案测试其性能，不仅测试了除尘 器分别按金属栅面积和除雾器面积计算时，在不同工况下金属栅、除雾器和除尘器的阻 力特性，还测试了除尘器在2 m ／s 和4 r r d s 风速下的除尘效率。结果表明，除雾器占据了 除尘器总阻力的一半以上，2 m ／s 时除尘效率为9 8 ．5 2 ％，4 m ／s 时除尘效率为9 8 ．5 7 ％。 针对测试中出现的问题，对除尘系统进行了两次优化。优化后对金属栅、除雾器和 除尘器的总阻力与除尘风速关系进行拟合发现，金属栅阻力与除尘风速呈线性关系，除 雾器阻力、除尘器总阻力与除尘风速呈二次函数关系。优化后的除尘效果也得到明显改 善，在2 m ／s 时，除尘器效率达到了9 9 ．3 7 ％，比初次测试时9 8 ．5 2 ％提高O ．8 5 ％，比第一 次优化时9 8 ．8 6 ％提高0 ．5 1 ％；在4 m ／s 时，所测试的除尘器的除尘效率为9 8 ．9 3 ％，比初 次测试时9 8 ．5 7 ％提高0 ．3 6 ％，比第一次优化时9 8 ．6 9 ％提高O ．2 4 ％。 关键词湿式过滤复合除尘器阻力特性；除尘效率；金属栅；除雾器 万方数据 东北大学硕士学位论文 Ab s t r a c t S t u d yo nP e r f o r m a n c eo fW e t F i l t e rP r e c i p i t a t o r A bs t r a c t C o a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n e r g yi nC h i n a ．Al a r g es c a l eo fm i n e r a ld u s tg e n e r a t e di n t h e m i n i n gp r o c e s s w i t ha d v a n c e dm e c h a n i c a la u t o m a t i o n ，w h i c hn o t o n l y c a u s e s o c c u p a t i o n a lh e a l t hr i s k s ，s u c ha sp n e u m o c o n i o s i sa n do t h e rr e s p i r a t o r yd i s e a s e sa n dm a ya l s o l e a dt ou n d e r g r o u n df i r ea n de x p l o s i o na c c i d e n t ，l e a d i n gd a m a g et op r o p e r t ys t a f f ．I nt h e p r o c e s so fs u r f a c eo fc o a lm i n i n go p e r a t i o n si nm i n i n gm a c h i n e r ya n dm e c h a n i z e dm i n i n g w h i c hi st h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no fc o a ld u s t ，a c c o r d i n gt oan e wv e r s i o no f ”C o a lM i n e S a f e t yR e g u l a t i o n s ”p r o v i d e st h a tt h ed u s tc o n c e n t r a t i o nm u s tb ec o n t r o l l e d w i t h i nt h e a l l o w a b l er a n g et op r o t e c tw o r k e r so c c u p a t i o n a ls a f e t yh e a l t ha n dr e g u l a rp r o d u c t i o n ． W i t ha d v a n c e dm e c h a n i c a la u t o m a t i o n ，w e tf i l t e rc o m b i n e se f f i c i e n c ya n dl o wr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fw e td u s tp r e c i p i t a t o ra n dd u s tf i l t r a t i o n ，w h i c hc a nc o n t r o lm i n ed u s t e f f e c t i v e l y ，b u tS Of a rt h er e s e a r c h e r sh a v en o ts t u d i e de n o u g hi nw e tf i l t e rp r e c i p i t a t o r ．I n o r d e rt on a r r o wt h e s eg a p s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h et h e o r yo fw e td u s ta n dd u s tf i l t e r ，d e v e l o p e d w e tf i l t e rp r e c i p i t a t o r ，t e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r e c i p i t a t o ra n dm a d et W Oo p t i m i z a t i o n f o rd e f i c i e n c i e s ． T h i sp a p e rd e s c r i b e bt h em e c h a n i s mo fw e tf i l t e rp r e c i p i t a t o r ，w h i c hc o m b i n e dw i t ht h eje t b r e a k i n gt h e o r y ，a t o m i z i n gm e c h a n i s ma n dw e tf i l t e rl a y e rf i l mc r u s h i n gm e c h a n i s ma n d t h e o r yi n e r t i a li m p a c t i o n ，i n t e r c e p t i o na n dd i f f u s i o ns p r a yw a t e rf i l mc a p t u r em e c h a n i s m ； a n a l y z e dw e tf i l t e rc o m p o s i t ep r e c i p i t a t o re f f i c i e n c y ，c o n s i d e r e dt h er o l eo fas i n g l ed r o p l e t c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y ，w e ts c r u b b e r sc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ，t h em e t a lg r i do fi n t e r c e p t i n g e f f i c i e n c ya n do t h e rf a c t o r s T h i sp a p e rt e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dw e tf i l t e rp r e c i p i t a t o r ．I tn o to n l ys t u d i e d t h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n si nm e t a lg r i d ，m i s ta n dd u s to f p r e c i p i t a t o ri nt W Ot y p e st h a tam e t a lg r i da r e aa n dt h ed e f o g g e ra r e ac a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y ， b u ta l s ot e s t e dd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ep r e c i p i t a t o ra tt h ew i n ds p e e do f2m ／sa n d4 m ／s ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e f o g g e ra c c o u n t e dn e a r l yf o r8 0 ％o ft h et o t a lr e s i s t a n c e T h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw a s9 8 ．5 2 ％a t2m ／sa n dw a s9 8 ．5 7 ％a t4m ／s T h i sp a p e ro p t i m i z e dd u s tr e m o v a ls y s t e mt w i c ef o u c i n go ns e v e r a lp r o b l e m sw h i c h ＼v eh a d N 万方数据 东北大学硕士学位论文Ab s n ‘a c t m e ta tt h el a s tt i m e ．A f t e rf i t t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o t a lr e s i s t a n c ea n dw i n ds p e e d m e t a lg r i do rm i s ta n dd u s t ，i tf o u n dt h a tt h em e t a lg r i dr e s i s t a n c ew a sal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nw i n ds p e e da n dd u s t ，m i s tr e s i s t a n c e ，w h i l ed u s t r e s i s t a n c ea n dd e f o g g e rr e s i s t a n c e w e r et h ep o l y n o m i a l r e l a t i o n s h i p s ．T h e r e m o v a l e f f i c i e n c y h a da l s ob e e n o p t i m i z e d s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt o9 9 ．3 7 ％a t2m ／s ，w h i c hw a s0 ．8 5 ％h i g h e rt h a n9 8 ．5 2 ％i nt h ei n i t i a l t e s ta n d0 ．51 ％h i g h e rt h a n9 8 ．8 6 ％b yt h ei n i t i a li m p r o v e m e n t ．M e a n w h i l e ．t h ed u s tc o l l e c t i o n e f f i c i e n c yo ft h et e s tw a s9 8 ．9 3 ％a t4 m ／s ，w h i c hw a sO ．3 6 ％h i g h e rt h a n9 8 ．5 7 ％i nt h ei n i t i a l t e s ta t4m ／sa n d0 ．2 4 ％h i g h e rt h a n9 8 ．6 9 ％b yt h ei n i t i a li m p r o v e m e n t ． K e y w o r d s w e tf i l t e rp r e c i p i t a t o r ；r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c ；d u s tr e m o v a le f f i c i e n c y ；m e n t a l g r i d ；d e f o g g e r V I 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．V 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 国内外常用的矿尘防治技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．2 湿式过滤复合除尘器的研究现状及评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 本论文研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 1 ．4 论文总体框架结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 第2 章湿式过滤复合除尘器的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 矿尘理论特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．1 ．1 矿尘的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．2 矿尘的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．1 ．3 矿尘的产生⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．1 ．4 矿尘的理化性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 矿尘在井巷风流中的运动特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 2 ．2 ．1 井下空气流动状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．2 气流中粉尘颗粒的运动行为⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 ．3 粉尘粒子在风流中的运动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 雾化机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 2 ．3 ．1 射流破碎理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．3 ．2 薄膜破碎理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 水雾捕获机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 ．4 ．1 惯性碰撞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 V I I 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 2 ．4 ．2 截留⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．4 ．3 扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 2 ．5 单一液滴的捕集效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 2 ．6 湿式除尘器分级效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 2 ．7 湿式过滤复合除尘系统除尘机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 2 ．7 ．1 过滤净化阻力的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 2 ．7 ．2 湿式纤维层过滤阻力的理论推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 2 ．8 湿式过滤复合除尘器的总效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 2 ．9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 第3 章实验装置与实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．1 实验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．2 湿式过滤复合除尘系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．2 ．1 湿式过滤复合除尘器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．2 ．2 供水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 ．3 发尘系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．2 ．4 粉尘采样系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．2 ．5 辅助设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．3 实验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 3 ．4 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 5 3 ．4 ．1 实验粉尘粒径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 3 ．4 ．2 风速测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．4 ．3 选择合适的喷水量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．4 ．4 测试除尘器的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．4 ．5 测试除尘器的除尘效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 第4 章湿式过滤复合除尘器性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．1 准备阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4 ．1 ．1 粉尘粒径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．1 ．2 除尘风速与风机频率关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 V I I I 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 4 ．1 ．3 发尘量与发尘频率关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61 4 ．2 除尘器的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 2 ．1 按除雾器面积计算时的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．2 ．2 按金属栅面积计算时的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．3 除尘效率测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 第5 章湿式过滤复合除尘器的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．1 第一次优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5 5 ．1 ．1 第一次优化后风机频率与除尘速率关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．1 ．2 第一次优化后除尘器的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．1 ．3 第一次优化后的除尘效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．2 第二次优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 0 5 ．2 ．1 第二次优化后风机频率与除尘速率关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 5 ．2 ．2 第二次优化后除尘器的阻力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 2 ．3 第二次优化后的除尘效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 8 第6 章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 6 ．1 结j 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 1 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 I X 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．1 研究背景和意义 第1 章绪论 煤炭是十分重要的化石能源，作为煤炭生产大国，我国一直把煤炭当成最重要的能 源。改革开放以后，我国对煤炭的需求更是随着经济的发展而出现了爆发式的增长，在 2 0 0 1 年到2 0 1 3 年之间，煤炭需求量从1 1 ．0 亿吨上升到的3 7 ．0 亿吨⋯1 。相信未来十几年， 电力行业、钢铁行业对煤的依赖程度基本不可能改变。据中国行业研究网统计，1 9 9 0 年，我国一次能源消耗中煤炭占7 6 ％，2 0 1 2 年，煤炭占到6 8 ．5 ％左右，到2 0 1 4 年，这 一比重仍然达到了6 5 ％，这由我国的能源结构所决定，因此煤炭的开采必定是一项重要 的任务。 随着煤矿井下采掘机械化程度的不断提高，采煤、掘进、爆破、打眼等工序会发生 大批量的粉尘采煤工作面约占4 5 ％～8 0 ％， 占1 0 ％～1 5 ％，运输通风巷道约占5 ％～1 0 ％， 掘进工作面约占2 0 ％～3 8 ％，锚喷作业点约 其它作业点约占2 ％～5 ％。在机械化越大越 现代化的矿井，产生的尘量越多[ z ] 。在采煤过程中，机掘工作面和综采工作面是煤尘浓 度最高，产尘量最大的作业面，如采煤机截割时的原始总粉尘浓度达5 0 0 0 ～6 0 0 0 m g ／m 3 ， 最高可达5 0 0 0 ～1 0 0 0 0 m g ／m 3 ，掘进工作面达3 0 0 0 ～4 0 0 0 m g ／m 3 ，最大可到6 0 0 0 m g ／m 3 ，呼 吸性粉尘的浓度接近2 0 ％。加上如果该区域的通风环境较好和风速较大，则风力会促使 机掘工作面的粉尘排放和排放浓度猛增，所产生的煤尘通常可占据煤炭产量的1 ．6 ％以 上，可见煤尘浓度之耐3 1 。 随着国家安监部门、煤监部门对井下粉尘和瓦斯监控力度不断加深，煤矿安全规 程规定开采有煤尘爆炸危险的煤矿，必须由预防和隔绝煤层爆炸的措施。煤矿井 下粉尘防治规范中，针对隔绝粉尘爆炸做了如下的规定采用被动式防爆棚 水棚或 岩粉棚 或自动隔爆装置，隔绝粉尘爆炸的传播。矿井整体粉尘浓度很少能达到爆炸下 限，但局部空问通风不畅仍有可能导致粉尘浓度达到爆炸下限，同时这也会增加瓦斯爆 炸可能性。井下粉尘爆炸如果发生，将会给矿井带来巨大的人员伤亡及财产损失，酿成 严重的灾害。自煤矿资源开采以来，已经发生过诸多的煤尘爆炸事故，造成了重大的经 济损失。在近十多年来全国煤矿共发牛各类死亡事故3 0 4 8 7 起，死亡5 2 3 2 9 人，平均每 起死亡1 ．7 2 人，发生重特大事故4 9 8 起，死亡11 7 2 3 人，平均每起死亡2 3 ．5 4 人【1 1 。在 我国将近9 0 ％的煤矿具有火灾爆炸的危险性，如果发生爆炸后果不堪设想，尤其是中小 煤矿中9 1 ．3 5 ％的煤矿有爆炸危险，而日．其中5 7 ．7 1 ％的煤矿具有强爆炸性【4 1 。表1 ．1 为近 ．1 一 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 十几年全国煤矿各类死亡事故数据统计表。 表1 ．12 0 0 1 ～2 0 13 年全国煤矿各类死亡事故数据不完全统计表 T a b l e1 ．1A l lk i n d so fn a t i o n a lc o a lm i n ef a t a l i t i e si n c o m p l e t ed a t af r o m2 0 01t o2 013 馕板瓦斯枫电水灾 火灾 运输放炮 其他 年份死亡饔放死亡事故死亡事故死亡事故死亡事故死亡事故死亡事故死亡事故 人数起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数起融人数起数 在如此之高的爆炸危险性下，容易发生重大的煤尘爆炸事故。近十多年全国煤矿发 生火灾事故近千起起，死亡人数4 0 0 0 多人，将近占到死亡总人数的1 0 ％。目前我国煤 矿开采方式还较为落后，煤矿机械化程度相当低，现代化技术手段在大中型煤矿还不完 善，而小煤矿根本就还没有涉及；与此同时，煤矿企业管理水平有限，超过半数的小 煤矿没有配备足够或者没有配备专业技术人员，据有关部门统计，在全国各类煤矿各类 岗位的管理人员缺口达到数万人。瓦斯仍然是煤矿的“第一杀手”，通风系统不够健全、 瓦斯管理混乱、瓦斯治理不到位、防突措施不落实、瓦斯抽采不达标等问题依然大量存 在。在2 0 1 4 年6 月3 日，重庆市南桐矿业公司新华煤矿一炮掘工作面发生爆炸事故， 致使2 2 人死亡，1 人受伤。 煤尘不仅能够引起、引发煤尘爆炸事故，还构成了对作业人员的身体健康的危害。 据统计，全国煤矿从业人员共有初中及以下文化程度的将近占从业人员总数的6 0 ％1 5 1 ， 且煤矿劳动用工管理不规范，部分地区矿工培训流于形式，且大部分小煤矿没有依法 与矿工签订劳动合同，对开展防治职业病工作不给予有效的实施，作业人员的人身安全 没有有效的保障。煤矿井下工人的身体健康将会受到严重的影响，粉尘浓度过高过久将 会引起职业病。我国尘肺病患者将近有五十万，有7 0 ％的人群分布于矿山，每年因为尘 肺病所造成的直接经济损失达8 0 亿元[ 6 1 。尘肺病主要是矽肺，矽肺是指在生产过程中长 期吸入含有游离S i O z 这样的生产性粉尘引起，导致肺组织纤维化病变为主的疾病，目前 国内和国际上均无根治方法，严重影响到患者的生活质量，随着病情的增加，还有可能 恶化为肺心病。影响尘肺病的主要因素是呼吸性粉尘，它是粒径在5 t x m 以下颗粒物的 ．， 一 一一 1．‘“-，9 q．，6{v 一粥Ⅲ粥孽；|三；猢m m 燃 一 一 一 勰鲫剪引粥娶”N玲 一 一 ～ 一符舛；呈蹰粥∞骋钙弭 一 一 一 3 4 7 垃O 7 5 5 7 一 一 ∞蚪“胍㈨粥“铃“射 一 一 一 一％∞弘弧研鹏鳃龉鲻的 一 一 舄N硼∞弛”礤∞哼引为 一 一 一捋狮汀7 m 4 堙 一 一 一 “燃於引弧；s让⋯引㈣ 一 一 一 一Ⅲ㈨㈣峭孵∞盼钉粥“譬 一 N m龄∞憾”铃∞黼弘兜丝 一 耶引”砌鳓引警弱泊“～饽眨 一 一㈣Ⅲ趼|霎舛帅燃昕n 一陀的 ％i耋㈣姆燃舛∞鹏昕勰 一渤谢 Sv々_6 5毒7，_2 7 5 9l ∽雠泓描Ⅲ掰m m m 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备的除尘效率不高，致使工作面粉尘浓度也没有达到职业卫生标准，有不少矿井粉尘浓 度超标很严重。因此，充分认识当前我国矿尘危害的现状及存在的问题，研发高效低阻 的除尘器，有效降低机掘工作面和综合采煤工作面的粉尘浓度，从而改善现场作业人员 ．3 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的工作环境、保护职工的身体健康具有十分重大的长远意义。为了防治矿1 尘，目前，一泛 采取了煤层注水、喷雾降尘等多种除尘技术，这些除尘技术都存在除尘效率低、效果差 的不足。为了提高粉尘防治的效果，笔者在导师的精心指导下对湿式过滤复合除尘器的 性能开展了系统的研究。 1 ．2 国内研究进展 1 ．2 ．1 国内外常用的矿尘防治技术现状 随着煤矿综采、综掘、高产高效工作面的发展，致使矿井中的产尘量也大幅度的增 加，不仅增大煤尘爆炸危险性，而且威胁危害到现场作业人员的身体健康。目前国内外 煤矿广泛采用的粉尘控制技术主要有煤层注水、喷雾降尘、空气幕除尘，除尘器技术除 尘、通风除尘、泡沫除尘、化学抑尘等[ 9 】。 1 煤层注水 煤层注水[ 1 0 川11 是将压力水和水溶液注入到先前钻好的煤孔当中，这样可以增加煤体 水分，用以改变煤的理化特性，达到减小煤尘的效果。以此同时，这种方法还可减小对 地压的冲击，从而减弱煤与煤层气突出和自燃发火的可能性。 。 早在1 8 9 0 年，德国人迈斯尔[ 1 0 ] 提出了煤层注水技术并在萨尔煤田进行了试验，在 1 9 4 0 年到1 9 6 0 年之间，世界各国开始广泛试验和应用。前苏联研制并在煤矿应用测定 煤层水分的仪器，该仪器可测定煤层注水前后的水分。1 9 8 5 年，日本学者提出了接触角 的概念，他们详细研究了动态湿润值的变化的规律性以及表面活性溶液对混合煤成型的 湿润问题，并提出接触角是确定湿润性的指标。 我国水运科学研究[ 1 2 Ⅲ1 ] 所对煤的孔、缝隙与水的毛细作用力之间的关系进行研究， 分析抑制煤炭起尘的方法，得出了煤体自然湿润时间、蒸发速度与煤体含水量之间的关 系。在2 0 世纪5 0 、6 0 年代开展了煤层注水防尘、湿式凿岩打眼等防尘技术的试验研究 工作，在上世纪7 0 、8 0 年代以后以注水为主的综合防尘技术得到了广泛应用。目前在 煤层注水防尘方面，研究出厚煤层动压注