露天矿用钻机脉冲滤筒除尘器
吕秀梅，邹 伟
（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；
2.阜新市产业技术研究院 辽宁 阜新 123000）
钻机在露天开采作业中承担着钻探和穿爆的生产任务，是露天开采的重要设备之一。钻机在钻孔作业时产生大量灰尘，据统计钻机产尘量占生产设备总产尘量的第2 位，仅次于汽车运矿的产尘情况。钻机孔口附近工作地带在没有采取防尘措施时，粉尘的质量浓度平均为448.9 mg/m3，最高达到1 373 mg/m3。钻机司机室粉尘的质量浓度平均为20.8 mg/m3，最高达79.4 mg/m3。这还是在潮湿季节测定的，大风干燥季节尤为严重。大量的粉尘严重污染了大气环境，也不符合国家环保标准的要求，同时还会影响操作者的人身健康，一旦粉尘进入钻机关键部位，还会造成零件的加速磨损，影响钻机寿命，所以设计有效、合理、节能的除尘系统对露天矿钻机来说至关重要。对于大型的潜孔钻机来说，一般采用脉冲滤筒除尘器，此除尘器的设计是整个除尘系统的核心[1]。
钻机用脉冲滤筒除尘器主要包括除尘箱体、滤筒、风机、驱动装置（电机或液压马达）、脉冲阀、减压阀、储气包、连接管路等。
脉冲滤筒除尘器的工作原理如图1。
1）除尘器除尘的工作原理。工作时，含尘的气体从箱体下部进入除尘器，并通过滤筒。因此粉尘被捕集在滤筒外表面，经过滤的洁净气体则经由滤筒中心进入净气室，再经除尘器的出口排出，进入除尘风机，最后从除尘风机的排风口排出[2]，脉冲滤筒除尘器的工作原理如图1（a）。
图1 脉冲滤筒除尘器的工作原理
2）除尘器清灰的工作原理。当滤筒清灰时，由控制器操纵电磁阀打开脉冲阀，此时高压气体便可直接冲入所选滤筒的中心，把捕集在滤筒表面的粉尘吹掉。而粉尘也随着主气流的趋势，并在重力的作用下落入灰斗，实现清灰的目的，脉冲滤筒除尘器的工作原理如图1（b）。
2.1 除尘风机
为了克服流体动阻力，必须使流体具有一定的压力能，通风机就是能使气体产生压力能的流体机械。除尘风机在除尘系统中占有重要位置，主要性能参数有风量、风压、转速、功率等。
2.1.1 风量与风压
风量是除尘风机的重要参数之一，在选择除尘风机的风量时要根据钻机使用的空压机相关参数，并考虑设备密封及气体转向所受阻力等因素影响。一般在设计收尘器时，风机风量会比空压机能提供的风量富裕30%～40%，收尘器风机的风量计算公式如下：
Q1＝（1+30%～40%）Q
式中：Q1为除尘风机风量，m3/min；
Q 为空压机风量，m3/min。
除尘系统的压力损失指气体从捕尘罩入口到风机出口的压力降或称阻力。除尘系统的压力损失主要包括除尘器的运行阻力、通过滤芯的阻力、系统漏风压力损失、管道的摩擦阻力和局部压力损失，可以通过公式计算除尘系统的阻力，但除尘器的运行阻力系数难以计算，所以一般采用估算法，经验证，多数脉冲滤筒除尘器的设备阻力在1 500 Pa 以下[3]。设滤料和滤料上粉尘层压力损失约占设备运行阻力的10%，系统漏风的压力损失约占设备运行阻力的10%，管道的压力损失约为系统压力损失的1～1.5倍，可根据管道实际情况选择。所以对于一级脉冲除尘系统的风压一般在3 300～4 050 Pa。
2.1.2 功率
当除尘系统的风量和风压确定后，可以进行风机的功率计算，计算公式如下：
W＝K×Q1×p/（3 600×η0×η1××1 000）
式中：K 为电机容量安全系数，1.1～1.5，小风机取低值，大风机取高值；
Q1为风量，m3/h；
p 为风压，Pa；
η0为风机内效率，一般0.75～0.85，小风机取低值，大风机取高值；
η1为机械效率，电机（液压马达）直联取1，联轴器连接取0.95～0.98，三角胶带连接取0.9～0.95，平胶带传动取0.85。
2.1.3 驱动方式
除尘系统的动力来源主要是除尘风机的转动，通过风机的高速运转产生吸力，将钻机打孔产生的灰尘吸入除尘装置，经滤筒过滤后由除尘风机排出。
除尘风机的动力来源有电机驱动和液压马达驱动2 种，电机驱动的优点是效率高，功率损失小，连接管路方便、干净；
缺点是电机转速较低，电机体积较大，安装非常不方便。而液压马达驱动的优点是能够提供更大的扭矩，液压马达体积小，便于安装，转速较高，正常工作转速可达4 000～4 500 r/min，最高转速可达6 000 r/min，从而使风机提供更大的吸力，使除尘效果更好。但缺点是液压马达的效率低，功率损耗多，且管路连接存在漏油的风险。选择什么驱动作为风机的动力源，要看钻机动力系统的类型，如果是柴油钻机就只能选择液压马达为风机的动力源，如果是电驱动钻机优先选择电机驱动。
2.2 除尘滤筒
滤筒除尘器广泛地应用于水泥、钢铁、电力、食品、冶金、化工等工业领域，滤筒对于超细粉尘（0.5～5 μm）的收集、过滤效果更好。主要特点：过滤面积大、压差低、低排放、体积小、使用寿命长等。滤筒在除尘器内的布局间距一般在40～60 mm 以上。通过对单个滤筒的过滤面积和除尘器总的过滤面积计算可以确定滤筒的使用个数。
1）单个滤筒的过滤面积计算：
A＝2×L×N×M
式中：A 为单个滤筒过滤面积，mm2；
L 为滤筒折深，mm；
N 为滤筒折数；
M 为滤筒高度，mm。
2）除尘器过滤面积计算：
A1＝Q1/V
式中：A1为除尘器过滤面积，m2；
Q1为除尘器风量，m3/min；
V 为气体通过滤网的速度，0.8～1.6 m/min。
3）滤筒折量的计算：
N＝A1/A
式中：N 为滤筒折数；
A1为除尘器需要过滤的面积，m2；
A 为单个滤筒过滤面积，m2。
2.3 电磁脉冲阀
电磁脉冲阀是滤筒除尘器中喷吹清灰装置的执行机构和关键部件[4]。分直通式（阻力较大）、直角式和淹没式（阻力较小，安装位置不便），在设计时可根据管路布局选择适合的脉冲阀。
当系统的清灰压力固定时，则有1 个最小喷吹气量，脉冲阀提供的1 次喷吹气量要大于这最小喷吹气量。最小喷吹气量一般是过滤气量的3 倍以上。
q≥C1×C2×C3×C4×n×f×Vf×k-1
式中：q 为最小喷吹气量，m/h；
C1为粉尘粒度系数，0.5～5，平均粒径大取小值；
C2为粉尘含湿量系数，1～3，含湿量大取小值；
C3为过滤速度系数，0.6；
C4为喷吹装置系数，5～10；
n 为滤袋同时喷吹的条数；
f 为滤芯的过滤面积，m2；
Vf为过滤速度，m/min；
k 为诱导比，2～6。
脉冲阀的每个动作周期间隔时间要根据滤芯的沾灰程度和钻1 次孔的具体时间和工况而定，周期间隔尽量时间长一些可以增加脉冲阀和滤芯的使用寿命同时降低耗气量。
喷吹压力的大小能直接影响清灰效果。喷吹压力取决于含沉气体浓度、除尘器压力损失要求、脉冲周期和脉冲喷吹时间。因脉冲时间与压缩空气耗气量成正比，且脉冲时间大于0.1 s 后，除尘器的压力损失降低最小，所以脉冲时间不宜过长。一般喷出压力为0.7 MPa 时，脉冲时间为0.1～0.12 s；
喷出压力为0.6 MPa 时，脉冲时间为0.15～0.17 s；
喷出压力为0.5 MPa 时，脉冲时间为0.17～0.2 s[5]。反吹时脉冲阀1 次动作，当脉冲阀全部喷吹完成后再进入新一轮喷吹，中间间隔的时间为喷吹周期，一般的约60 s左右，实际操作中根据除尘器阻力确定脉冲周期。经对比选择，发现DMF 型电磁脉冲阀符合钻机除尘器使用，因不同厂家生产的脉冲阀耗气量不同，所以选择脉冲阀时耗气量由厂家提供参数进行选择。单个脉冲阀的耗气量、喷吹时间、喷吹周期确定后，进行脉冲阀的总耗气量计算：
Q＝a×n×qm/t
式中：Q 为总耗气量，m3/min；
n 为脉冲阀数量；
a为附加系数1.2～1.5，一般取1.2；
qm为每个脉冲阀1次喷吹的耗气量，m3/（阀·次）；
t 为喷吹周期，min。
2.4 减压阀
脉冲阀的开启压力一般为0.5～0.6 MPa，而潜孔钻机的空压机的压力一般从2.1～2.4 MPa，因此通常在该支路安装气动减压阀，从而控制进入除尘箱的气体压力。由于压缩机的压缩作用，从储气罐进入除尘箱的气体，会有少量的水分存在，为了延长滤芯的使用寿命，在减压阀上还装有过滤器，保证进入除尘箱的气体的清洁和干燥。减压阀的流量要大于脉冲阀喷吹的总耗气[6-7]。
2.5 气源气包
气源气包也叫储气包，简称气包，对除尘器清灰系统而言，起到稳定压力的作用。从理论上说，气包越大，所提供的压力更稳定，清灰效果越好。
根据实践经验，在脉冲阀喷吹后气包内压降不超过原来储存压力的30%。即根据所选型号脉冲阀1 次喷吹最大耗气量来确定气源气包容积。气包最小体积计算公式如下：
Vmin＝△nm×R×T/（△pmin×K）
△nm＝Qm/22.4
式中：Vmin为气包最小体积，L；
△nm为脉冲阀喷吹耗气量摩尔数；
Qm为脉冲阀1 次耗气量，L/次；
22.4 为标准状态下气体分子摩尔体积，L/mol；
R 为气体常数，8.031 45 J/（mol·K）；
△pmin为气包内最小工作压力，Pa；
T 为气体温度，℃；
K 为容积系数，＜30%。
当系统中空压机一直开启，气包内压力降低后随时有空气补入时气包体积可适当减小。
1）除尘器的节能途径。除尘器的能耗大体分2部分：①使含尘气体通过除尘设备的能耗，即处理所捕集的气量和克服系统阻力所消耗的功，集中反映在主风机的功率上；
②除尘或清灰的附加能耗，这与各类除尘器的特点有关。主风机的电耗取决于风机的全压和所处理的气体量。对于1 个除尘器而言，如果能以较小的风量达到控制粉尘的效果[8]，或者使系统的阻力最小，就可以实现降低能耗的目的，这就是节能的基本途径。
2）除尘器节能的措施。合理的工艺、加强密封、减少风量；
合理选择除尘方式，降低设备阻力；
正确设计系统管道，降低管网阻力；
风机调速实现风量调节；
采用新技术，应用节能技术和产品；
严格操作管理、充分发挥除尘系统效能。
介绍了除尘器的组成和工作原理，通过除尘器风量、风压、功率等的计算，选择了合适的风机、滤筒、脉冲阀、减压阀等装置，设计除尘系统。脉冲滤筒除尘器在钻机上进行了多次试验且在现场经过了长时间使用，设备运行状况良好；
通过现场实测，除尘、全尘和呼吸性粉尘的脱除率分别达到99.9%和95.8%，现场实测除尘效果远高于国家标准。