CN108843372A - 一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，包括模拟产尘装置、粉尘检测装置、泡沫发生装置及控制系统，产尘装置应用了旋转甩尘机理，能更加贴近掘进实际产尘情况；粉尘检测装置取样检测简单且数据可靠；泡沫发生装置可通过调整气体、泡沫剂及水的混合比等获得发泡倍数高且湿润性好的泡沫；控制系统可依据粉尘检测装置测出的粉尘浓度的大小，使用自适应的方法控制伺服阀的开度进而控制水、泡沫剂以及压缩空气的流量，从而在满足灭尘要求的基础上，减少泡沫用量。本发明可以根据工作面尘土量自动控制泡沫的流量，提供均匀稳定的泡沫，提高除尘效果，防止泡沫剂的浪费，且操作方便，智能化，经济高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下除尘系统，具体涉及一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，属于井下除尘技术领域。
背景技术
掘进机进行采掘和综合作业时，坑道内采掘面、转载点、传送带、矿石破碎、筛分等各个工序中都会产生大量煤灰粉尘，据统计，在无防尘措施的情况下，综掘工作面的粉尘浓度为1000～1500mg/m3，个别硬岩工作面可达3000mg/m3，综采工作面的粉尘浓度可达2500～3000mg/m3，不仅对环境造成严重污染，对工人的身心健康造成极大危害，还会引起矿井粉尘爆炸事故，严重影响着矿工的身体健康和矿井的安全生产。
为了解决粉尘造成的危害，需要采用除尘装置为煤矿井下巷道进行除尘。现有技术主要是采用通风排尘、喷雾降尘、湿润媒体、化学抑尘等降尘措施，但这些防尘技术和管理措施都存在很大的局限性，效果都不理想，一则携带不方便，自动化程度低，降尘效果不明显，仍然存在很大的危害性；二则防尘降尘的周期长，过程繁琐，经济成本高等。
由于泡沫具有较低的表面张力，高粘附性和润湿性，且比表面积大，这些都大大增加了捕尘效率，因此泡沫除尘技术近年来被广泛推崇。但泡沫剂较贵，以往的泡沫除尘无论粉尘浓度多少，都喷射相同的泡沫，造成了浪费，影响经济效益；且现有的泡沫发生器大多采用网式结构，通过将发泡液喷洒至网面，形成液膜，借助鼓风机使网面上的泡沫液起泡，但在具体实施时，很难确保发泡液在网面上均匀分散，且由于生成的泡沫含气量过高，泡沫受风流影响易变形，泡沫稳定性非常差，除尘效果不明显；还有一种泡沫除尘系统中采用文丘里式负压添加方式，以水为动力完成对泡沫剂的吸取，但受到文丘里管结构限制容易造成负压不稳的情况，难以满足泡沫降尘对发泡剂小流量低比例稳定添加的要求，造成泡沫不均匀不稳定，影响除尘效果。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，可以根据工作面尘土量自动控制泡沫的流量，提供均匀稳定性的泡沫，提高除尘效果，防止泡沫剂的浪费。
为了解决上述问题，本发明一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，包括泡沫发生装置，还包括模拟产尘装置、粉尘检测装置以及PLC控制系统；
所述模拟产尘装置包括鼓风机、粉尘料斗以及旋转甩尘装置，旋转甩尘装置安装在支架上端，其底部通过管路与鼓风机相连，粉尘料斗设置在管路上方，粉尘料斗与管路之间安装有进料阀；
所述粉尘检测装置包括粉尘采样头和抽气泵，抽气泵通过管路与粉尘采样头相连，抽气泵与粉尘采样头之间的管路上设有调压阀和气体流量计，粉尘采样头位于粉尘源处；
所述泡沫发生装置包括泡沫分配器、泡沫发生器、空气压缩机、水池、清水管路、泡沫剂箱、泡沫剂管路以及三通阀，清水管路一端伸入水池中，泡沫剂管路的一端伸入泡沫剂箱中，清水管路的另一端和泡沫剂管路的另一端并联在三通阀的入口端，三通阀的出口端通过通过带螺纹的软管与泡沫发生器进料口相连，空气压缩机通过带管接头的气体管路连接到泡沫发生器的另一螺纹入口，实现高压空气的通入，泡沫发生器的出料口通过双头带螺纹的软管与泡沫分配器相连，泡沫分配器的每个出口末端均安装有泡沫喷头；
清水管路上依次安装有变量泵一和电液伺服阀一，泡沫管路上依次安装有变量泵二和电液伺服阀二，气体管路上安装有气动伺服阀；粉尘检测装置中设置的粉尘传感器作为PLC控制系统的输入信号，PLC控制系统通过预设程序分别控制电液伺服阀一、电液伺服阀二和气动伺服阀的开度。
通过模拟产尘装置来模拟井下综采工作面所产生的的尘土量，以泡沫发生装置能够消除百分之九十的粉尘作为基本数据，从而对PLC控制系统提前设定程序，分别根据不同浓度的粉尘量来控制电液伺服阀一、电液伺服阀二和气动伺服阀的开度，从而分别控制清水、泡沫剂以及高压风量，以保证高效率除尘的同时使用最低的泡沫量。
所述事先设定好的程序是建立在前期进行的大量泡沫对粉尘除尘能力的基础上得出的，以除尘效率为目标参数；模拟产尘装置中利用鼓风机以及旋转甩尘装置来模拟井下纵轴式掘进机截割过程中产生的粉尘，旋转甩尘装置将鼓风机吹入的粉尘以离心分散的方式甩出，粉尘分散方式更加贴合井下实际工作过程中产生粉尘的状态，因此参考价值更高；且利用在粉尘检测装置的管路上安装的调压阀来控制管路中粉尘的通过量，从而实现模拟不同工作状态下不同浓度的粉尘产量，达到自适应的目的；所述泡沫发生装置利用三个不同分支管路分别控制清水、泡沫以及压缩风量，可以更加精确调整泡沫的浓度以及压缩风量，清水和泡沫剂均是通过变量泵来控制输出，因此添加的泡沫更加稳定；泡沫剂和清水通过混合器混合后输入泡沫发生器中，然后再利用压缩风将混合后的泡沫分散出来，防止了泡沫含气量过高造成稳定性变差。
进一步的，为了组装和维修方便，泡沫发生器的壳体由壳体一、壳体二、壳体三通过螺栓依次相连，壳体内部设有弧形扰流板、挡板和螺旋叶片，壳体为圆筒状，其进料端和出料端均为锥形，且各开口均为螺纹孔，其内部的中空带孔轴一端与壳体三通过螺纹连接，另一端悬空，弧形扰流板和螺旋叶片固定支撑在中空带孔轴上，挡板被固定在壳体二的内壁上且位于弧形扰流板与螺旋叶片之间倾斜设置。
所述泡沫发生器中设置的弧形扰流板通过改变气液流动路径，延长气液的接触时间，扩大气液接触面积，增大气液混合、碰撞、挤压的机会，提高气体溶解率，使其生成的泡沫更微细、致密均匀；弧形扰流板与螺旋叶片之间倾斜设置的挡板使切向进入的液体泡沫在轴向气流的作用被迅速切割，防止泡沫内充气量过多；螺旋叶片对泡沫进行导流，大程度地减少了发泡环节的涡流损失，提升了发泡效果，使泡沫发泡倍数高、细腻，且表面张力小，大幅度提高除尘效果。
进一步的，所述旋转甩尘装置内部具有叶片，所述叶片由含尘空气的气压驱动旋转，装置外围设有流线型导流口。
旋转甩尘装置内设置的叶片将鼓风机吹入的粉尘打散，并通过装置外围的导流口导出，这种产尘方式与截割滚筒在截割过程中的产尘方式类似，其粉尘的分布情况也更加贴合实际，因此试验模拟得到的数据更具有参考价值，符合生产实际。
为了防止清水中的杂质影响泡沫发生效果，清水池和流量泵一之间的清水管路上设有过滤器；为了更好监控清水管路上的流量和压力，流量泵一至混合器之间的清水管路上还设有压力计一和流量计一。
为了更好地监控泡沫管路上的流量和压力，流量泵二至混合器之间的泡沫管路上设有压力计二和流量计二。
为了更好地监控气体管路上的流量和压力，气体管路上设有压力计三和流量计三。
为了更大范围的覆盖整个粉尘产生区域，支撑架上固定有圆环形泡沫喷头固定架，泡沫喷头均匀安装在固定架上，并分别通过两端带螺纹接头的软管连接到泡沫分配器上。
控制系统通过接收粉尘检测装置实时传输的粉尘浓度数据，并调动PLC中通过实验验证的事先设定好的程序，完成对气动伺服阀、电液伺服阀一和电液伺服阀二的开度控制，从而调整各介质的输出流量，改变生成的泡沫量，实现对泡沫除尘的闭环控制，高效率除尘的同时使用最低泡沫量。与现有技术相比，本除尘系统在进行大量除尘实验的基础上，根据一定的粉尘浓度与所需最低泡沫量的关系，自适应调整泡沫输出流量来实现定量经济灭尘；泡沫发生装置利用三个不同分支管路分别控制清水、泡沫以及压缩风量，可以更加精确调整泡沫的浓度以及压缩风量，清水和泡沫剂均是通过变量泵来控制输出，因此添加的泡沫更加稳定精准；泡沫发生器中设置的弧形扰流板、挡板以及螺旋叶片增大气液混合、碰撞、挤压的机会，防止泡沫内充气量过多，同时提升了发泡效果，使泡沫发泡倍数高、细腻，且表面张力小，大幅度提高除尘效果。本发明具有响应速度快，使用方便可靠，经济效益高等突出优势，对促进泡沫除尘自动化、智能化具有重要意义。
附图说明
图1是本发明自适应泡沫除尘系统示意图；
图2是本发明自适应泡沫除尘系统的控制原理图；
图3是本发明中自适应泡沫除尘系统的产尘装置示意图；
图4是本发明中自适应泡沫除尘系统的粉尘测量装置的示意图；
图5是本发明中自适应泡沫除尘系统的泡沫发生装置的示意图；
图6为本发明中泡沫发生器的结构示意；
图中：1、模拟产尘装置，1-1、鼓风机，1-2、粉尘料斗，1-3、进料阀，1-4、旋转甩尘装置，1-5、支架，
2、粉尘检测装置，2-1、粉尘采样头，2-2、气体流量计，2-3、调压阀，2-4、抽气泵，
3、泡沫发生装置，3-1、支撑架，3-2、泡沫喷头，3-3、圆环形泡沫喷头固定架，3-4、两端带螺纹孔的软管，3-5、泡沫分配器，3-6、泡沫发生器，3-6-1、壳体一；3-6-2、壳体二；3-6-3、壳体三；3-6-4、弧形扰流板；3-6-5、挡板；3-6-6、螺旋叶片；3-6-7、中空带孔轴；3-7、气体管路，3-8、流量计三，3-9、气动伺服阀，3-10、压力计三，3-11、空气压缩机，3-12、三通阀，3-13、清水管路，3-14、流量计一，3-15、电液伺服阀一，3-16、压力计一，3-17、变量泵一，3-18、过滤器，3-19、水池，3-20、泡沫剂管路，3-21、流量计二，3-22、电液伺服阀二，3-23、压力计二，3-24、变量泵二，3-25、泡沫剂箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的阐述。
如图1和图2所示，一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，包括泡沫发生装置3，还包括模拟产尘装置1、粉尘检测装置2以及PLC控制系统；
如图3所示，所述模拟产尘装置1包括鼓风机1-1、粉尘料斗1-2以及旋转甩尘装置1-4，旋转甩尘装置1-4安装在支架1-5上端，其底部通过管路与鼓风机1-1相连，粉尘料斗1-2设置在管路上方，粉尘料斗1-2与管路之间安装有进料阀1-3；
如图4所示，所述粉尘检测装置2包括粉尘采样头2-1和抽气泵2-4，抽气泵2-4通过管路与粉尘采样头2-1相连，抽气泵2-4与粉尘采样头2-1之间的管路上设有调压阀2-3和气体流量计2-2，粉尘采样头2-1位于粉尘源处；
如图5所示，所述泡沫发生装置3包括泡沫分配器3-5、泡沫发生器3-6、空气压缩机3-11、水池3-19、清水管路3-13、泡沫剂箱3-25、泡沫剂管路3-20以及三通阀3-12，清水管路3-13一端伸入水池3-19中，泡沫剂管路的一端伸入泡沫剂箱3-25中，清水管路3-13的另一端和泡沫剂管路3-20的另一端并联在三通阀3-12的入口端，三通阀3-12的出口端通过出口端通过带管接头的软管与泡沫发生器3-6进料口相连，空气压缩机3-11通过带管接头的气体管路3-7连接到泡沫发生器3-6的另一螺纹入口，实现高压空气的通入，泡沫发生器3-6的出料口通过双头带管接头的软管与泡沫分配器3-5相连，泡沫分配器3-5的每个出口末端均安装有泡沫喷头3-2，清水管路3-13上依次安装有变量泵一3-17和电液伺服阀一3-15，泡沫剂管路3-20上依次安装有变量泵二3-24和电液伺服阀二3-22，气体管路3-7上安装有气动伺服阀3-9；
粉尘检测装置2中设置的粉尘传感器作为PLC控制系统的输入信号，PLC控制系统通过预设程序分别控制电液伺服阀一3-15、电液伺服阀二3-22和气动伺服阀3-9的开度。
通过模拟产尘装置1来模拟井下综采工作面所产生的尘土量，以泡沫发生装置3能够消除百分之九十的粉尘作为基本数据，从而对PLC控制系统提前设定程序，分别根据不同浓度的粉尘量来控制电液伺服阀一3-15、电液伺服阀二3-22和气动伺服阀3-9的开度，从而分别控制清水、泡沫剂以及高压风量，以保证高效率除尘的同时使用最低的泡沫量。
所述事先设定好的程序是建立在前期进行的大量泡沫对粉尘除尘能力的基础上得出的，以除尘效率为目标参数；模拟产尘装置1中利用鼓风机1-1以及旋转甩尘装置1-4来模拟井下纵轴式掘进机截割过程中产生的粉尘，旋转甩尘装置1-4将鼓风机1-1吹入的粉尘以离心分散的方式甩出，粉尘分散方式更加贴合井下实际工作过程中产生粉尘的状态，因此参考价值更高；且利用在粉尘检测装置2管路上安装的调压阀2-3来控制管路中粉尘的通过量，从而实现模拟不同工作状态下不同浓度的粉尘产量，达到自适应的目的；所述泡沫发生装置3利用三个不同分支管路分别控制清水、泡沫以及压缩风量，可以更加精确调整泡沫的浓度以及压缩风量，清水和泡沫剂均是通过变量泵来控制输出，因此添加的泡沫更加稳定；泡沫剂和清水通过三通阀3-12混合后输入泡沫发生器3-6中，然后再利用压缩风将混合后的泡沫分散出来，防止了泡沫含气量过高造成稳定性变差。
如图6所示，为了组装和维修方便，泡沫发生器3-6的壳体由壳体一3-6-1、壳体二3-6-2、壳体三3-6-3通过螺栓依次相连，壳体内部设有弧形扰流板3-6-4、挡板3-6-5和螺旋叶片3-6-6，壳体为圆筒状，其进料端和出料端均为锥形，且各开口均为螺纹孔，其内部的中空带孔轴3-6-7一端与壳体三3-6-3通过螺纹连接，另一端悬空，弧形扰流板3-6-4和螺旋叶片3-6-6固定支撑在中空带孔轴3-6-7上，挡板3-6-5被固定在壳体二3-6-2的内壁上且位于弧形扰流板3-6-4与螺旋叶片3-6-6之间倾斜设置。
所述泡沫发生器3-6中设置的弧形扰流板3-6-4通过改变气液流动路径，延长气液的接触时间，扩大气液接触面积，增大气液混合、碰撞、挤压的机会，提高气体溶解率，使其生成的泡沫更微细、致密均匀；弧形扰流板3-6-4与螺旋叶片3-6-6之间倾斜设置的挡板3-6-5使切向进入的液体泡沫在轴向气流的作用被迅速切割，防止泡沫内充气量过多；螺旋叶片3-6-6对泡沫进行导流，大程度地减少了发泡环节的涡流损失，提升了发泡效果，使泡沫发泡倍数高、细腻，且表面张力小，大幅度提高除尘效果。
进一步的，所述旋转甩尘装置1-4内部具有叶片，所述叶片由外部电机驱动旋转，装置外围设有流线型导流口。
旋转甩尘装置1-4内设置的叶片将鼓风机1-1吹入的粉尘打散，并通过装置外围的导流口导出，这种产尘方式与截割滚筒在截割过程中的产尘方式类似，其粉尘的分布情况也更加贴合实际，因此试验模拟得到的数据更具有参考价值，符合生产实际。
为了防止清水中的杂质影响泡沫发生效果，水池3-19和变量泵一3-17之间的清水管路3-13上设有过滤器3-18；为了更好监控清水管路上的流量和压力，变量泵一3-17至三通阀3-12之间的清水管路3-13上还设有压力计一3-16和流量计一3-14。
为了更好地监控泡沫管路上的流量和压力，流量泵二3-24至三通阀3-12之间的泡沫剂管路3-20上设有压力计二3-23和流量计二3-21。
为了更好地监控气体管路上的流量和压力，气体管路3-7上设有压力计三3-10和流量计三3-8。
为了更大范围的覆盖整个粉尘产生区域，支撑架3-1上固定有圆环形泡沫喷头固定架3-3，泡沫喷头3-2均匀安装在固定架上，并分别通过两端带螺纹接头的软管与泡沫分配器相连。
当此系统应用于井下掘进除尘时，其风源为掘进巷道中的压缩风流，水源为掘进巷道中的高压水，风、水管路由掘进机转载皮带方向引入连接到泡沫发生装置3，粉尘检测装置2布置于靠近截割头的悬臂上，泡沫剂箱3-25上端开口，可随时补充容量，整个泡沫发生器3-6固定于司机座位旁的空间处，泡沫剂箱3-25固定于掘进机尾处，圆环形泡沫喷头固定架3-3、软管以及泡沫分配器3-3安装于掘进机悬臂上，通过设置泡沫喷头3-2的固定角度，从而实现对掘进粉尘的包裹式除尘，通过对输入的粉尘浓度的动态响应，来实现自适应除尘。
Claims (7)
1.一种综掘工作面自适应泡沫除尘系统，包括泡沫发生装置(3)，其特征在于，还包括模拟产尘装置(1)、粉尘检测装置(2)以及PLC控制系统；
所述模拟产尘装置(1)包括鼓风机(1-1)、粉尘料斗(1-2)以及旋转甩尘装置(1-4)，旋转甩尘装置(1-4)安装在支架(1-5)上端，其底部通过管路与鼓风机(1-1)相连，粉尘料斗(1-2)设置在管路上方，粉尘料斗(1-2)与管路之间安装有进料阀(1-3)；
所述粉尘检测装置(2)包括粉尘采样头(2-1)和抽气泵(2-4)，抽气泵(2-4)通过管路与粉尘采样头(2-1)相连，抽气泵(2-4)与粉尘采样头(2-1)之间的管路上设有调压阀(2-3)和气体流量计(2-2)，粉尘采样头(2-1)位于粉尘源处；
所述泡沫发生装置(3)包括泡沫分配器(3-5)、泡沫发生器(3-6)、空气压缩机(3-11)、水池(3-19)、清水管路(3-13)、泡沫剂箱(3-25)、泡沫剂管路(3-20)以及三通阀(3-12)，清水管路(3-13)一端伸入水池(3-19)中，泡沫剂管路的一端伸入泡沫剂箱(3-25)中，清水管路(3-13)的另一端和泡沫剂管路(3-20)的另一端并联在三通阀(3-12)的入口端，三通阀(3-12)的出口端通过带管接头的软管与泡沫发生器(3-6)进料口螺纹相连，空气压缩机(3-11)通过带管接头的气体管路(3-7)连接到泡沫发生器(3-6)的另一螺纹入口，实现高压空气的通入，泡沫发生器(3-6)的出料口通过双头带管接头的软管与泡沫分配器(3-5)相连，泡沫分配器(3-5)的每个出口末端均安装有泡沫喷头(3-2)；
清水管路(3-13)上依次安装有变量泵一(3-17)和电液伺服阀一(3-15)，泡沫剂管路(3-20)上依次安装有变量泵二(3-24)和电液伺服阀二(3-22)，气体管路(3-7)上安装有气动伺服阀(3-9)；粉尘检测装置(2)中设置的粉尘传感器作为PLC控制系统的输入信号，PLC控制系统通过预设程序分别控制电液伺服阀一(3-15)、电液伺服阀二(3-22)和气动伺服阀(3-9)的开度。
2.根据权利要求1所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，泡沫发生器(3-6)的壳体由壳体一(3-6-1)、壳体二(3-6-2)、壳体三(3-6-3)通过螺栓依次相连，壳体内部设有弧形扰流板(3-6-4)、挡板(3-6-5)和螺旋叶片(3-6-6)，壳体为圆筒状，其进料端和出料端均为锥形，其内部的中空带孔轴(3-6-7)一端与壳体三(3-6-3)通过螺纹连接，另一端悬空，弧形扰流板(3-6-4)和螺旋叶片(3-6-6)固定支撑在中空带孔轴(3-6-7)上，挡板(3-6-5)被固定在壳体二(3-6-2)的内壁上且位于弧形扰流板(3-6-4)与螺旋叶片(3-6-6)之间倾斜设置。
3.根据权利要求2所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，所述旋转甩尘装置(1-4)内部具有叶片，所述叶片由含尘空气的气压驱动旋转，装置外围设有流线型导流口。
4.根据权利要求3所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，水池(3-19)和变量泵一(3-17)之间的清水管路(3-13)上设有过滤器(3-18)；变量泵一(3-17)至三通阀(3-12)之间的清水管路(3-13)上还设有压力计一(3-16)和流量计一(3-14)。
5.根据权利要求4所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，变量泵二(3-24)至三通阀(3-12)之间的泡沫剂管路(3-20)上设有压力计二(3-23)和流量计二(3-21)。
6.根据权利要求5所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，气体管路(3-7)上设有压力计三(3-10)和流量计三(3-8)。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的综掘工作面自适应泡沫除尘系统，其特征在于，支撑架(3-1)上固定有圆环形泡沫喷头固定架(3-3)，泡沫喷头(3-2)均匀安装在固定架上，并分别通过两端带螺纹接头的软管与泡沫分配器相连。
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