通风除尘设备在电铲中的设计应用

张国营，贺文健，陈 浩

应用研究

通风除尘设备在电铲中的设计应用

张国营1，贺文健2，陈 浩2

（1. 神华准格尔能源有限责任公司科学技术研究院，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2. 武汉长海高新技术有限公司，武汉 430000）

传统矿山电铲的除尘设备普遍采用机械除尘等方式，存在散热效率低、噪音大、占用空间大、结构强度低、过滤性较低等问题。本文提出了一种空过滤式除尘设备，重点展开了某矿山电铲通风除尘设备的设计方法和流程，显著提高该类型设备对电铲内部配电设备及机械设备的换热效率和空气过滤能力，推动通风除尘设备在矿山领域的应用。

电铲通风除尘设备 空过滤式 设计方法 流程

0 引言

通风除尘设备作为露天矿山中半连续和间断开采工艺的大型矿用机械式挖掘机（俗称“电铲”）[3]内部主要空气净化设备，其换热效率和除尘效率直接影响电铲内部各电子元器件的故障率及使用寿命，从而影响到矿山运行的整体经济效益。由于电铲内部电器室内的变频器及机械室内的变压器、各大型电机在使用过程中，都会产生大量的热，同时各配电设备内部的精密电子器件对于矿用环境中的大颗粒粉尘极其敏感，较大的发热量与粉尘浓度将严重影响电铲的生产效率。故降低电铲各舱室内温度及净化各舱室内空气，可以提高电铲内部配电设备的使用寿命及其长久可靠性，因此需要对电铲内部舱室进行降温及除尘设计。

本文介绍了各类电铲常用除尘设备的优缺点，从除尘设备应用环境及电铲空间利用的情况着手，保证电铲的正常运行，改善电铲内部的空气质量和工作环境，满足电铲正常运行的条件，对电铲内部的机械室以及电器室进行降温除尘治理，从而保障电铲内部各配电设备的正常、可靠工作。同时展开了用于通风除尘设备的选型与计算方法的研究，为电铲内部的散热和除尘提供可靠的技术保障。

1 通风除尘设备选择

通风除尘设备的结构形式[1]-[2]主要有机械除尘散热、过滤式除尘散热、湿式除尘散热、电除尘散热等方式。

机械除尘设备包括重力型沉降设备、旋风除尘型设备和惯性除尘型设备等。这些除尘设备的技术特点是构造方式比较简单、维护相对方便、价格比较低，但设备对应的除尘效率普遍不高，通常被用作于多级除尘系统中的前置预除尘设备。

湿式型除尘设备普遍使用低能型湿式除尘器和高能型文氏管除尘器两种形式。这类型除尘器的特点是主要除尘介质采用水这种介质。相对来说，湿式除尘器的除尘效率会高一些，但其所消耗的能量也比较高。而且湿式型除尘设备的会产生大批量污水，必须进行二次处理，以避免二次污染，维护使用相对较为麻烦。

空过滤式型除尘设备普遍使用颗粒层除尘器和袋式除尘器两种形式，其除尘特点是以过滤机理作为除尘设备的主要工作机理。按照除尘设备选用的设计参数和滤料的差别，袋式除尘器的效率可达99.9%及以上。

电除尘设备普遍使用电力作为捕尘的工作机理。普遍使用有干式电除尘器和湿式电除尘器两种除尘方式。这类型除尘设备的特点是除尘效率较高（特别是湿式电除尘器），耗费动力较少；主要弊端是投资很高，消耗钢材料较多。

2 通风除尘设备系统设计

2.1 电器室降温及粉尘治理设计

经过分析了解到电器室内温度过高原因是室内各配电设备内的变压器、变频器在工作过程中产生大量热量，通过配电设备的下侧进风顶部排风进行散热，而一旦电器室通风量偏小，在夏季高温时若电器室内的通风条件不足以将散发的热量及时排出，将会致使配电设备内温度不断上升，最终影响配电设备的正常使用经常报警。从而设计时在电器室内部根据风量需求，设置3个送风口，将室外经过净化的空气送至电器室。为了避免配电设备本身的散热风扇压力不够，以及升温造成的衰减，在配电设备顶部设置排风风道，以及用于排风的轴流风机，助力配电设备内部由下而上排至排风管道中的热风排放到机械室或电铲车外，具体的排风位置会根据现场布局情况进行布局安装。同时配电设备难免会将部分热量通过自身壳体散发到电器室中，所以电器室内需要做通风换气处理，根据实际情况设计在电器室相应位置做送风，送入的风为通过除尘设备过滤后的室外新风，同时考虑室内空气循环，在电器室远端设置两个外排轴流风机将热风排放至室外。由于室外空气污染严重，所以整个电器室的送风和排风要保持10%～20%的正压差，这样才能保证室外的粉尘不会通过电器室的缝隙进入到电器室，影响电气设备的使用。

1) 建立健全控制系统信息安全管理制度，制订了《网络安全管理办法》，成立了工业控制系统信息安全管理组织机构。

2.2 机械室降温及粉尘治理设计

图1 除尘设备原理框图

根据对现场电铲机械室内的设备分析，机械室本身几乎不产生粉尘，只有小部分粉尘来自于卷扬机钢丝绳的震动，相对整个机械室可忽略不计。所以设计时只需要考虑不让室外的粉尘通过机械室的缝隙进入到机械室，所以设计在机械室不同位置设计送风口，无需设计排风，送进来的风通过电铲车的缝隙及开口处（卷扬机钢丝绳进出位置）排出。保证100%的机械室正压，同时送入机械室的风为经过通风除尘设备净化后的室外新风，温度低且洁净程度高。

2.3 电器室风量设计

根据电器室散热损耗进行设计，电器室的通风，可采用换气次数确定风量，一般按：变电室5～8 次/h，配电室3～4 次/h。考虑配电设备自身会散发热量，所以所需通风量比理论值要大，所以要加大机房内部的风量，取15次/h的换气次数。由于降温送入的新风从顶部送入，绝大部分从配电设备下部风口进入配电设备，经过电气元件热交换后从上部轴流风机排出，相当于对整个电器室的空气进行了置换，而且该换气次数远大于变电室5-8次/h的要求，所以本次设计不再计算电器室换气次数所需风量。由于电器室相对机械室较为密封，所以在保证电器室散热的前提条件下，整个电器室的送风和排风要保持约10%～20%的正压差，这样才能保证室外的粉尘不会通过电器室的缝隙进入到电器室，影响电气设备的使用。计算电器室的总送风量为50000×1.2=60000 m³/h，考虑到送风管道的阻力以及风量的损失，最终送风量确定为60000 m³/h。电器室6台轴流风机总排风量确定为：51000 m³/h。综上所述最终电器室除尘设备采用3台高效滤筒除尘器，单台设备治理风量20000 m³/h。选用6台排风轴流风机，单台轴流风机具体参数根据最终排风布置来确定。

2.4 机械室风量设计

根据机械室散热损耗进行设计，目前进入机械室的风量约60000 m³/h，已满足电铲机械室的粉尘治理，根据最新的布局，2台高效滤筒除尘器除尘主机直接送风至机械室，另外通过电器室后进入机械室的风量约20000 m³/h，因此机械室的设计风量最终确定为80000 m³/h。

2.5 其他设计

根据电铲具体情况，电铲车机械室上方已规划好除尘设备摆放区域，考虑到现场振动工况及除尘本体重量较大，需要对除尘设备的支撑底座进行二次加固。本除尘设备一共有5台高效滤筒除尘器并排摆放，卸灰方式考虑控制设备的总高度，在高效滤筒除尘器底部共采用1套螺旋输送机输送及1台卸灰阀卸灰，拦截下来的粉尘通过螺旋输送机再经过卸灰阀直接排放到外部地面。

3 通风除尘设备功能介绍

3.1 高效滤筒除尘器

矿山环境中带粉尘的空气在除尘设备风机的作用下通过风道进入高效滤筒除尘器，经过火花分离器过滤掉火星及较大的粉尘颗粒，再通过高效除尘滤筒过滤将净化后的空气由风道、经由除尘风机排出。矿山环境中的粉尘被滤芯拦截在其表层之上，当滤筒表面的粉尘不断沉积时，滤芯内外的压力差将会增大，当压差到达设定值阈值时，控制压缩空气的电磁阀将会打开，届时气管内的压缩空气会霎时喷向滤芯内表面，在高压气流的冲刷下滤芯上的粉尘颗粒会瞬间掉落。掉落后的粉尘再通过锥心灰斗被收集在灰斗的底部，最后通过用灰斗下方的螺旋输送机配卸灰阀进行自动卸灰外排。

高效滤筒除尘器是专门针对矿用粉尘及其他粉尘特点开发的一款除尘器，高强度除尘器本体、控制系统、反吹系统、排灰系统等一体化设计，外型简洁，设计好看，设备体积小，能够节省珍贵的电铲场地面积空间。

除尘设备选用的高效除尘滤筒使用寿命长，滤筒外层材料采用进口材料--聚酯基材，材料的表面覆PTFE膜[4]，该覆膜具备一定的防水性，相较于传统的超细纤维覆膜滤筒应用寿命可延长2倍。

同时除尘设备的电控箱采用外部挂置的形式布置，有效的降低了矿山粉尘对电控设备中的电气元件的影响，同时依据设备现场运行环境的评估，电控箱外置布局后其装置的位置可以愈加灵活。

高效除尘滤筒的过滤单元采用端盖式滤筒快装式的安装方式，更加便于滤筒在现场的拆装及维护，滤筒竖装使其清灰时能更加的彻底干净，滤筒过滤面积较大风速较低使用寿命更长。

3.2 过滤元件

高效滤筒除尘器采用高效过滤筒作为过滤元件，该过滤筒的材质不同于普通传统的滤筒，其外表面进行聚四氟乙烯微孔膜[4]，形成滤膜覆材。同时由于除尘设备长时间运行，现场环境粉尘浓度较大，滤筒表面会有灰尘堆积，假如没有能主动清灰的装置，长久以往滤筒的过滤效率将会迅速降低。本滤筒具备十分高的过滤效率，相较于传统滤筒提高了4倍以上，对于0.1 μm以上的粉尘过滤效率超过了99.9％；而且其应用寿命相较于传统滤筒提高了2倍以上。即使现场的环境温度低于零点温度时，滤筒的过滤元件也能保持十分稳定的过滤能力。各型材料较高的稳定性确保过滤元件有着较长的应用寿命。

高效除尘滤筒的自动化清洁原理：高效除尘滤筒的日常清洁是通过滤筒正上方的压差传感器控制的脉冲阀喷吹机构来完成的，每当除尘器运行了一段时间以后，矿山环境的粉尘将会堆积在滤筒表面，使得滤筒的透气功能降低。这时经过一个安装在滤筒原气侧、一个安装在滤筒净气侧的两个端口的压差传感器监控。当压差传感器检测到内外压差超过设定值时输出压差信号，这时脉冲发生器接收到信号后将依照既定顺序启动脉冲喷吹阀，干净的压缩空气霎时由阀口喷出，喷射气流直接对滤筒内部进行吹扫直到压差低于标准设定值时才会停止；滤筒表面积附的粉尘在气流作用下被清除扫落，落在除尘器底部的集尘灰斗中。同时脉冲阀喷吹需过程中须保持延续且稳定不变的0.5 MPa的供气量。详细见下图2-3。

图2 滤筒抽风状态

3.3 耗材更换

根据现场已安装的除尘设备在电铲车上使用的情况反馈，原有除尘系统的滤筒更换过于频繁且更换时间较长非常影响正常工作，且每次更换耗材的费用过高。为了节约成本情况下又能达到操作便捷节省时间的目的，本通风除尘设备的更换滤筒方式为模块快装式，除尘设备滤筒每4个为一个模块，更换滤筒时只需要将原有滤筒取下，直接将准备好的滤筒顺机械导轨推入除尘设备，再转动机械手柄压紧滤筒即可，更换四个滤筒所需时间不到2分钟即可，相比较传统以及现有除尘设备更换滤筒所需时间，快装式的更换方式更加的便捷、优越，更换时间更短。

图3 滤筒反吹状态

3.4 离心式风机

本通风除尘设备采用抗阻变型净化专用离心通风机，应用于矿山环境中使用除尘设备过滤时，整个系统的阻力随过滤部件的堵塞从而导致风阻变大的特性开发的专用系列产品。相较于传统的离心风机，该系列风机在伴随阻力变换的同时，运行风量变化会更小。能够延长除尘器过滤部件的清理维护周期。该风机通过采用更先进的设计方法来保证其高效特性。

3.5 控制系统

除尘系统的运行通过采用PLC系统来进行控制，设备运行可靠，稳定；具备对应的显示、必要的控制、报警等功能；可满足除尘设备与触摸屏、变频器及其它第三方的设备进行通信的需求。电气工程师可针对使用工况的不同，选择适用的PLC且对运行程序进行定制化的设置。

4 除尘系统设计计算

除尘系统的设计计算[1]-[2]包括除尘管道内部阻力损失和气体流量的设计计算、除尘设备管道系统的阻力计算以及电机风机的选择等，其中最主要的就是管道系统的阻力计算。管道的设计对除尘系统的工作能力、除尘效果和能量消耗都有着直接的影响。

1)绘制整套管网的计算草图，同时为了方便计算可以在草图上标注结点编号和各管段的风量、部分阻力系数、管长等计算参数。

2)进行管网结构特性的分析，建立起各环路的组合关系。从主回路开始计算，将各管路结点的相关计算参数填入风管设计计算表格中。

3)通过经济分技术剖析来选择合理的主环路管内设计风速，并计算出主环路中各管路结点的压力损失值和管径。

4)假设流速、计算风压的损失、反推管径的方法计算出各支回路或管道节点的压力损失，并计算出主、支回路在并联结点处的风压平衡率：

若风压平衡率在9%以内，本次计算结果可通过，否则将重新调整管径尺寸和设计风速进行风压平衡计算，直到风压平衡率能满足设计要求为止。

1)管道内的气体流速应当小于倾斜和水平管道中的流速，倾斜和水平管道内的气体流速应当大于最大尘粒的悬浮速度。在除尘系统中，管道内各截面的气体存在着涡流现象，所以还必须具有能够吹走风机前次停转时沉积在管道内的粉尘。因此，一般实际釆用的气体流速必须比理论计算的气体流速大3倍左右。除尘器后端的排气管道内气体流速一般取10 m/s。

2)流量的计算

根据矩形管道的气体流量计算公式：

Q=3600ABv₈ (2)

式(2)中：Q：气体流量，m3/h；A、B：矩形管道的长与宽，m；V：管道内气体的流速，m/s；

3)管道中的阻力损失计算

根据非圆形管道阻力损失的计算公式：

综上所述，根据除尘系统关键位置的元件计算，选出电铲除尘系统所需要风机、管道等元件型号，以及性能及结构形式。

5 结束语

本文介绍了通风除尘设备的多种除尘散热方式，对比了多种除尘散热方式的优缺点及不同环境情况下的选择，阐述了矿用通风除尘设备的主要原理，重点展开了电铲通风除尘设备设计的方法和流程。综上所述，滤筒式通风除尘设备除尘散热效率高、容量大、空间占用率小、噪音小、维护次数少、运行费用低、可靠性高等优点，可快速跟上矿山电铲等设备的发展趋势。随着电铲铲车设备在矿山领域中的应用逐渐增多，通风除尘设备在矿山研究领域必将有着广阔的运用前景。

[1] 张殿印, 王纯. 除尘工程设计手册[M]. 第二版. 北京: 化学工业出版社, 2010, 6: 24-25, 389-392.

[2] 谭天祐, 梁凤珍. 工业通风除尘技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1984, 8: 24-25, 205-206.

[3] 刘国宏, 杨威. 变频器水冷循环系统在电铲中的设计应用[J]. 船电技术, 2022, 42(04): 13-17.

[4] 刘忠东. 聚四氟乙烯覆膜技术与褶式滤筒[C]. 中国硅酸盐学会环保学术会议论文集. 166-170.

Design and application of ventilation and dust removal equipment in electric shovel

Zhang Guoying1，He Wenjian2，Chen Hao2

(1. Science and Technology Research Institute of Shenhua Junge Energy Co. Ltd, Erdos, Inner 010300, Mongolia ,China ; 2. Wuhan GREAT SEA HI-TECH Co. Ltd., Wuhan 430000, China)

TD422

A

1003-4862（2023）10-0013-05

2023-01-03

张国营(1985-)，男，高级工程师。研究方向：矿山机电。E-mail: 10570362@ceic.com