帶式輸送機無源自動噴霧系統研究與應用

張 斌，李博文

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315)

0 引言

由于煤礦的開采條件特殊，在井下煤炭生產及運輸過程中會產生大量粉塵，受井下環境的影響，這些粉塵會隨風流飛揚，給井下環境和井下工作人員身體健康帶來危害。當粉塵達到一定濃度時，不僅會影響井下工作人員的視線，還可能會發生爆炸。為了確保煤炭安全開采以及井下工作人員的身心健康，降低粉塵濃度是迫切需要解決的重要的問題之一。國內外煤礦以濕式防塵為主，國內最常見的方法是噴霧降塵。

1 噴霧除塵原理

依據空氣動力學的理論知識，粉塵顆粒遇到空氣中的霧滴時，氣流會因霧滴的阻擋繞開液滴向前運動，而粉塵顆粒會在慣性的作用下與霧滴發生碰撞，從而被霧滴捕獲。霧滴對粉塵顆粒的捕獲主要是通過凝并作用實現。有研究表明，粉塵顆粒被霧滴捕獲的概率主要受粉塵自身的受力情況以及霧滴粒徑大小的影響。當霧滴的粒徑遠大于粉塵粒徑時，粉塵顆粒會隨氣流繞開霧滴而不被霧滴捕獲，當霧滴粒徑與粉塵粒徑相近時，被捕獲的概率最大。因此，霧滴對粉塵的捕獲主要是通過凝并、攔截、慣性碰撞以及擴散實現[1-3]。

2 帶式輸送機結構構成

(1)驅動裝置。驅動裝置主要包括驅動電機、減速機、AACM軟啟動器(或液力耦合器)、制動器、聯軸器等部件。作為帶式輸送機的驅動單元，根據輸煤量的不同，常見的輸送形式有單驅、雙驅和三驅3種形式。

(2)輸送裝置。輸送裝置主要由滾筒、膠帶、托輥、機架4個部分構成。滾筒是帶式輸送機的主要傳動部件，為了避免膠帶打滑，同時降低滾筒的磨損，滾筒表面會根據不同工況進行包膠；膠帶的種類繁多，主要有尼龍、帆布、芳綸、鋼絲繩芯等膠帶；托輥和機架作為輸送帶的承載機構，是一整套輸煤系統中數量最多的單元；托輥架作為托輥的支承結構，其位置是否端正直接影響著膠帶是否跑偏。

(3)輔助裝置。除了主要裝置，一套完整的帶式輸送機還包括清掃器、逆止器、溜槽、導料槽等輔助裝置。各類裝置的種類繁多，根據不同輸煤要求和工況，各類輔助裝置可以選擇搭配配置。

3 帶式輸送機運輸巷降塵措施

3.1 膠帶表面降塵

對于帶式輸送機運輸巷內粉塵治理，將噴霧支架固定在膠帶的正上方，并將噴嘴安在噴霧架上，增加煤炭表面的潤濕性，并抑制粉塵擴散到運輸巷道中。在機架上安裝鋼制噴霧支架，支架呈半圓狀，噴霧噴嘴正對膠帶安裝。噴嘴采用廣角可調整的圓形氣體噴嘴。在膠帶上每隔100～200 m安裝一個鋼托架，噴霧之間的距離可以根據煤礦現場的干燥程度進行調整。為了方便膠帶噴霧開啟與關停，安裝噴嘴與膠帶聯動啟停裝置，在膠帶處于運行狀態時，噴霧自動開啟；當膠帶停止運行時，噴霧自動關停。

3.2 轉載點處降塵

目前轉載點處的主要問題是煤炭表面較為干燥，且密閉措施不夠完善。煤炭由后方帶式輸送機轉載到前方帶式輸送機上時，由于存在一定的高度差，煤塊在下落過程中，在氣流的剪切與擠壓作用下，煤塊表面的粉塵很容易逸散到巷道內，造成粉塵污染。關于轉載點的除塵措施，在安裝密閉蓋完善密閉措施的同時，需要提高煤炭的濕潤度，減少煤炭與空氣摩擦產生的粉塵。為了增加煤炭的濕度，在裝載點現場安裝氣水噴嘴。為了確保噴霧液滴和濕度均勻分布，必須在膠帶中央安裝噴嘴。在運送煤炭的過程中，由于機體振動，粉塵從煤炭表面升起，需要抑制振動產生的粉塵和減少落煤時產生的粉塵。在轉載漏斗中放置2組噴嘴，其中1組噴嘴噴霧落在帶式輸送機上，增加帶式輸送機的濕度，控制揚起的粉塵，另1組噴嘴噴霧使煤炭變得潮濕，降低粉塵。

3.3 落煤點處降塵

針對帶式輸送機落煤點煤炭干燥的問題，結合現場的實際情況，采用雙層擋簾密閉罩和氣水噴霧結合的措施。在閉合的蓋子內安裝2個閉合的擋簾和2組噴頭，并且使用廣角圓形氣體噴嘴[4-6]。

3.4 膠帶清洗降塵

帶式輸送機膠帶表面粉塵較多，在膠帶頂端的滾筒處，當膠帶空轉時，安裝高壓噴嘴清洗附著在膠帶表面的粉塵。在膠帶清洗模塊中，高壓水噴嘴間用管路連接，進水口連接高壓軟管。根據現場實際情況，當膠帶表面粉塵較多時，可安裝多個清洗模塊。

3.5 帶式輸送機運輸巷斷面降塵

為了進一步凈化帶式輸送機運輸巷空間氣流，在巷道的斷面設置噴霧裝置，捕捉巷道內的粉塵。根據現場實際情況，在帶式輸送機運輸巷內每隔100～200 m 的巷道斷面上安裝噴霧裝置，且噴霧裝置之間的距離可根據現場的干燥程度進行調整。

4 帶式輸送機無源自動噴霧原理與應用

4.1 無源自動噴霧原理

在帶式輸送機運轉傳動過程中，托輥與膠帶間的摩擦力帶動托輥旋轉，托輥在運轉過程中的轉速范圍約為300～500 rpm，托輥轉動產生的動能無法被有效收集利用，造成了資源和能源的浪費。若能將托輥轉動的動能進行利用，將大大提升能源利用率[7-8]。

帶式輸送機無源發電裝置由礦用隔爆永磁發電機、具備4G功能的主控箱(電動球閥內置)以及熱釋電傳感器構成。帶式輸送機運行時，通過礦用隔爆永磁發電機與膠帶摩擦為主控箱提供電源，打開電動球閥，實現噴霧降塵功能，從而達到“無源”效果。在每套無源自動噴霧裝置中配套安裝熱釋電傳感器，當監測到人員靠近時，系統自動關閉噴霧電磁閥關停噴霧；當監測到人員離開后，系統自動打開噴霧電磁閥啟動噴霧，避免將沿線巡檢人員淋濕，將之前的粗放式降塵設施改變為智能降塵噴霧。帶式輸送機無源發電裝置工作原理如圖1所示。

圖1 帶式輸送機無源發電裝置工作原理

4.2 無源自動噴霧裝置安裝

本無源自動噴霧裝置根據現場需要布置的位置，安裝方向為下行膠帶上方位置，安裝角度為40°～50°。發電機輸出三相電源與主控箱輸入電源并接，手動轉動發電機外轉子，如果轉動順暢并能同時打開灑水降塵裝置電動球閥，表明設備能夠正常工作[9-11]。

4.3 帶式輸送機托輥改造

本發電裝置托輥結構如圖2所示(圖中不包含托輥側外殼和軸承)，膠帶轉動帶動托輥外殼旋轉，固定于其上的旋轉永磁極隨之旋轉，磁感線切割固定繞組產生電能通過輸出線輸出電能。

圖2 發電托輥結構

4.4 發電托輥在運輸巷的應用

目前，在煤礦井下帶式輸送機運輸巷內存在照明盲區，尤其是在主運輸系統的沿線日常需要對帶式輸送機進行維護的地點，如更換帶式輸送機托輥、清掃巷道內衛生、巷道內排水等，運輸巷內安裝照明燈必須要單獨鋪設照明供電線路、安裝照明綜保開關等，綜合成本較高。

在帶式輸送機運輸巷內，每隔200 m安裝一組發電托輥，發電托輥通過儲能電源箱與照明燈連接。當帶式輸送機運行時，發電托輥直接給照明燈供電；當帶式輸送機停止運行時，照明燈依靠儲能電源箱存儲的電能繼續照明。每套照明系統可以單獨工作，維護方便。此外，利用發電托輥輸出的電源接至電動球閥，配合傳感器實現帶式輸送機運輸巷降塵噴霧的自動控制。當帶式輸送機運轉時，噴霧開啟；當帶式輸送機停止時，噴霧關閉[12]。發電托輥現場應用效果如圖3所示。

5 效益分析

2022年6月，本項目于在哈拉溝煤礦開始安裝，7月安裝完畢，共計安裝21套帶式輸送機無源自動噴霧系統。截止2023年6月底，通過1年的使用，節能增效的效果明顯，實現了井下能源的二次利用，省去了專用纜線的敷設和供電設備的安裝，節約了帶式輸送機開機時人為開關噴霧的人力，避免了帶式輸送機停機未及時關閉噴霧的浪費。

經計算，各測塵點除塵效率均可達98%以上，每月可節省9 825 kW·h的電能與82 t的水，工作人員每天可節約1 h步行主運沿線開關噴霧。該裝置的研究與應用改善了員工工作環境，保證了作業時的人身安全，實現了真正的“無人則安”，為煤礦綠色智能化發展起到了示范作用。

6 結語

帶式輸送機無源自動噴霧系統本著安全、節能、高效的理念，較好地解決了煤炭運輸過程中的煤塵污染問題，大大改善了煤礦井下作業環境。該系統實現了噴霧裝置的自動啟停，提高了現場作業的安全性，降低了作業人員的勞動強度，節約了水資源，節約了成本，助力綠色礦山建設。