小型盾構機除塵系統設計

高黨國，杜東峰

（陜西省機械研究院，陜西 咸陽712000）

掘進機在掘進時，刀具在破碎巖石的同時產生了大量粉塵，這是掘進機粉塵污染的根源。為了保證掘進機安全可靠地工作，必須將這些粉塵有效去除。目前盾構機的除塵主要采用一堵二疏的方法。一是在掘進機機頭刀盤支撐外側設有擋塵板，將粉塵堵在掘進機刀盤前部，不向機頭后溢出；二是沿刀盤四周設置噴嘴，其噴水可以形成環狀水霧，與較大顆粒粉塵結合沉降，可去除粉塵[1-4]。但對于小直徑掘進機特別是開挖直徑小于3 m的掘進機，由于空間狹小，濕式除塵容易引起電機以及電氣線路短路，干濕除塵設備體積龐大，不能安裝在掘進機機體內，所以給小直徑掘進機除塵帶來很大的困擾[5，6]。

在1800型掘進機除塵系統的設計當中，根據整機的結構布局，結合國家有關法規、規范及標準，在滿足有關的工藝操作，在保證設備長期有效運行以及節約成本的情況下，對含塵氣體輸送管路+加壓軸流風機+濾筒式脈沖除塵器+高壓離心式引風機的方式工作過程中產生的煙塵進行捕集、輸送、過濾，最終再由引風機將處理后含塵氣體進行達標排放的設計方案，取得了良好的使用效果。

1 小型盾構機設計要求及技術參數

1.1 技術要求

（1）粉塵排放濃度≤30mg/m3.

（2）除塵效率高，排放濃度低。

（3）占地面積小，鋼材消耗量少，一次性投資省。

（4）過濾元件在凈氣室進行安裝，方便可靠。

（5）能保證長周期穩定運行。

1.2 設計原則和技術要求

（1）依據煙氣的溫度，性質，結合現有場地的尺寸，所需處理的煙氣量，入、出口濃度，過濾元件的材質等因素作設計取舍，同時要考慮安全運行的雙保險。

（2）濾筒濾料采用過濾精度高、耐磨性能好的聚酯纖維無紡布制作。

（3）選擇先進的脈沖清灰技術，運動部件少，故障率低。

1.3 除塵器參數

由于設備距離施工現場太遠（最遠可達到5公里），通過計算可知，5 km的管路阻力將近24 kPa，而除塵器的阻力為1.2 kPa，故整個系統的阻力約為25 kPa.所以應在管路系統增加高壓軸流風機進行壓力補償，故除塵器選型及技術參數如下表1所列。

表1 除塵器型號及技術參數

（續下表）

（續上表）

2 小型盾構機除塵器設計方案

2.1 工作原理

除塵器主體采用濾筒式。隨著濾筒技術及材料不斷的研制，對除塵器的內部結構和過濾濾芯進行優化改進，目前，濾筒式除塵器已經廣泛地應用于水泥、鋼鐵、電力、食品、冶金、化工等多個行業。隨著行業發展的需要，除塵器容量不斷增加，該項技術已經成為過濾面積>2000 m2大型除塵器種類之一，為解決傳統除塵器對超細粉塵收集難、過濾風速高、清灰效果差、濾袋易磨損破漏、運行成本高等問題，提供了新的技術方案，與現有多種形式的濾袋式除塵相比，具有過濾面積大、壓差低、低排放、體積小、使用壽命長等特點，是解決空間小，粉塵處理量大的最佳選擇。該除塵器具有占地面積小，布置密度大，結構緊湊，安裝方便，成本低，維修工作量小、過濾面積大，阻力小等優點。

在掘進過程中，受回轉驅動，破碎的碴石在沉降時，產生大量粉塵，含塵氣體經高壓軸流風機及管路進入處理裝置，氣流中部分粗大顆粒在分離后直接沉降；其余粉塵進入濾塵室后，通過濾筒過濾，使粉塵沉積在濾料表面上，凈化后的氣體由排氣管路經引風機排出。

隨著濾筒除塵器的工況，濾筒表面積塵達到一定量時，阻力達到某一規定值時必須進行清灰。由清灰控制裝置，按設定程序，打開電磁脈沖閥噴吹。首先箱體進氣提升閥關閉，將含塵氣體與箱體濾料斷開，然后電磁脈沖閥開啟，壓縮空氣在短的時間內迅速膨脹，進入濾筒，使濾筒膨脹發生變形，產生振動，附在濾筒外表面上的粉塵被分離，并落入灰斗中。清灰完畢后，電磁脈沖閥關閉，提升閥打開，箱體恢復過濾狀態。脫落的粉塵掉入灰斗內，通過缷灰閥、螺旋輸送機排出。為防止氣流阻力過大，因此，必須周期性地開啟清灰裝置，對濾筒進行清灰。清灰并不是將濾筒上的灰層全部徹底清除，而是將濾筒表面，殘余少量的微塵粒組成布粉層，用于下次過濾較小粉塵。清灰裝置是采用脈沖氣流來實現清灰的目的，逐行進行清灰。

2.2 濾筒式除塵器的結構

濾筒式除塵器結構由管路、高壓軸流風機、箱體、清灰裝置、濾筒、氣源分配器、卸灰閥、螺旋輸送機、引風機及電控裝置組成。除塵器中濾筒的布置很關鍵，既可以傾斜布置，也可以垂直布置在箱體花板上。從清灰效果角度來說，垂直布置效果最佳。花板下部為過濾室，上部為氣箱脈沖室。此次設計采用垂直布置的方式，同時在入口處，加裝氣流分布板。

2.2.1 風道

風道由進出口管道、高壓軸流風機、密封件組成。由于在隧道施工時，管線長，氣壓損失大，為此，分段在管路上加裝高壓軸流風機，保持足夠的氣流壓力、風速，防止粉塵沉積，造成堵塞管路。

2.2.2 箱體

箱體分為上下結構。上下箱體中間由花板隔開，上箱體是凈氣室；下箱體安裝有濾筒組件，箱體包括了提升閥、噴吹系統、脈沖電磁閥、花板、分流板、濾筒組件。

噴吹系統由儀表、氣源、空氣管路、氣源分配器、電磁脈沖閥、噴吹管等組成。每排濾筒上均有一根噴吹管，通過電磁脈沖閥與氣源分配器相連。噴入濾筒的壓縮空氣，由氣源分配器的脈沖電磁閥開啟時間決定。氣壓系統的工作壓力應在0.2～0.4 MPa之間，壓力越低，對濾筒損傷越小，在保證清灰效果的前提下，應盡量將氣壓調至最小。采用在脈沖噴吹管路上安裝有導流裝置，使脈沖氣流充分進入濾筒，加速氣流的速度，優點是耗氣量少，清灰效果顯著。

噴吹需瞬間完成，使用膜片閥來實現快速反應，箱內的壓縮空氣壓迫觸發膜片和主膜片是電磁脈沖閥保持關閉狀態，在電磁閥的激勵下，在觸發膜片上產生壓差，膜片抬起，主膜片一側空氣泄出，主膜片在壓差作用下抬起，箱內壓縮空氣進入噴吹管，在噴吹管的引導下沖入濾筒。

濾筒內急速下沖的壓縮氣流，濾筒突然徑向變形膨脹，使濾筒外表面積聚的灰塵脫落分離。電磁脈沖閥在不激勵狀態時，空氣泄出處關閉，氣壓將膜片復位，電磁脈沖閥關閉，噴吹時應將提升閥關閉。

氣流分流板針對氣流的上升和粉塵的下降，如果氣流分布不均，實踐證明，流速過低時，會大幅降低除塵效率。分流板的開孔率約為50%時，阻力系數較小，為此氣流速度控制在<0.8 m/s時，分流板布置完全滿足濾筒式除塵器的使用要求。

2.2.3 花板及濾筒>

花板用于固定濾筒，并可作為濾筒檢查平臺。濾筒組件從花板孔裝入。

濾筒由頂蓋、金屬框架、褶形濾料和底座等組成。濾筒按形狀分為圓形、扁形和錐形等。濾筒是用設計長度的濾料折疊成褶，首尾黏合成筒，筒的內外用金屬框架支撐，上、下用頂蓋和底座固定。頂蓋用螺栓固定。針對濾筒上下端蓋及護網必須粘接牢固，不允許有脫膠、漏膠和流掛等缺陷；濾筒上的金屬件必須滿足防銹要求；濾筒外表面應無明顯傷痕、磕碰、拉毛和毛刺等缺陷；濾筒的噴吹清灰，按需要可配用誘導噴嘴或文氏里管等噴吹裝置，濾筒內側加有防護網，采用圓形結構，直徑Φ320 mm，長度660 mm濾筒，配有文氏里管。見表2.

表2 聚酯纖維無紡布常用工況和保質條款

脈沖氣流未經過文丘里，直接噴吹進入濾筒內部。進入濾筒的氣流在濾筒上部流速是最快的。隨這氣流不斷向下運動，并向四周擴散，因而使氣流速度不斷降低。由于氣流速度越快、壓力越低，因此在濾筒的上部形成了一個負壓，壓力分布從上到下不斷增加，這樣就使濾筒上部清灰不徹底，下部濾材容易破損。見圖1.

圖1 布袋抽風及反吹工作狀態圖

在脈沖噴吹管上安裝濾筒用文丘里噴嘴。噴吹壓力采用全濾筒高度正壓噴吹形式。脈沖噴吹時，噴吹氣流進入文氏管，隨著文氏管截面不斷減少，使氣流速不斷加快，壓力減小，形成負壓區，引導周圍氣體流入，形成二次氣流。使噴吹的氣流量大幅增加，通過文氏管進入濾筒后，使整個濾筒內部的壓力分布很均勻，清灰效果大為改善，濾筒底部損壞率減少，噴吹耗氣量減少。噴吹氣流應干燥、不含油、無粉塵。脈沖閥無漏氣現象，且正常啟閉，工作可靠。脈沖控制儀噴吹時間與間隔均能調整。

2.2.4 出灰裝置及支腿

出灰裝置由灰斗、卸灰閥、螺旋輸送機等組成。灰斗出灰法蘭與卸灰閥連接。支腿是用于支撐除塵器本體、灰斗。

2.2.5 檢測、控制系統

PLC控制系統允許全自動操作和手動操作。系統邏輯由可編程控制器提供。

2.2.6 濾筒設計根據總成要求要注意以下要素

（1）粉塵排放，要選擇具有過濾精度高、清灰容易、阻力小的多微孔薄膜復合的濾材。

（2）環境濕度，粉塵易吸潮或粉塵中含有油脂成份時，考慮選擇具有防油、防水、防污功能的濾材。

（3）內骨架尺寸及強度的確定主要考慮通油小孔的大小不應影響過濾氣量，考慮濾筒承受的壓差要以骨架支撐，所以直徑越小強度越高。

（4）除塵器總高和進出口的距離。

（5）濾筒過濾能力。

（6）出氣口連接方式及尺寸。

（7）過濾精度等相關的性能要求。

3 結束語

針對此項目，綜合所述得出如下幾點：

（1）隧道在施工過程中，會產生大量的粉塵。通過對粉塵收集，大幅降低隧道粉塵對人體的危害。

（2）在掘進過程中配備一套干式除塵機，運行后將粉塵濃度降低至允許排放范圍以內。

（3）除塵器與通風機并用，大幅降低了通風機的送風量，降低了生產成本。

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