CN113685224A - 超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统及其除尘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其包括外壳体、拉瓦尔超音速气流发生装置、风流逆转加速装置、内壳体和螺旋气流生成装置，外壳体与内壳体第一端连接处设有内螺纹孔洞以布置拉瓦管超音速气流发生装置，第二端连接处圆柱截面内部与风流逆转加速装置相连接，内螺纹孔洞作为第一进风口，风流逆转加速装置出风口作为第一出风口，螺旋气流生成装置位于外壳体与内壳体第二端连接处且与第一出风口相连接，并基于此提出一种除尘方法。本发明利用拉瓦尔超音速负压集尘技术，可使煤矿转载点四处逸散的粉尘被有效捕捉，整体结构简单，集尘后又能除尘，操作安全且效率高，更适于煤矿。

Description

超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统及其除尘方法
技术领域
本发明属于除尘技术，尤其涉及一种应用在煤矿上的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统及其除尘方法。
背景技术
随着煤矿生产技术的快速发展，矿井中皮带运输巷所承担的运输任务也越来越重，皮带运输巷转载系统产尘量也越来越大，造成皮带运输巷严重的粉尘污染。在无除尘措施情况下，皮带运输巷粉尘质量浓度每立方米可达200至300mg，当采用湿式除尘时粉尘浓度仍可达60～120mg，显然此时皮带运输巷粉尘浓度远远高于要求的标准。
在现有的技术领域，皮带运输巷的除尘方式主要以喷雾降尘为主，配备安装机头罩等方式辅助降尘，但这种除尘方式仍然存在许多缺点，例如无法有效捕捉呼吸性粉尘、雾化装置易损、除尘装置易出现堵塞等问题，而且雾化装置产生雾量过大，不仅会引起皮带打滑，还会造成巷道积水等问题，使煤质下降，令煤矿效益降低。对于干式降尘而言，由于其体积较大，安装复杂，常用于采掘面的降尘。因此，设计一种超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统以解决种种现状问题是十分必要且又相当迫切的。
发明内容
针对以上情况，本发明提供一种超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其包括外壳体、拉瓦尔超音速气流发生装置、风流逆转加速装置、内壳体和螺旋气流生成装置，所述外壳体与内壳体第一端连接处设有内螺纹孔洞以布置所述拉瓦管超音速气流发生装置，第二端连接处圆柱截面内部与所述风流逆转加速装置相连接，所述内螺纹孔洞作为第一进风口，所述风流逆转加速装置出风口作为第一出风口，所述螺旋气流生成装置位于所述外壳体与内壳体第二端连接处且与第一出风口相连接，并基于此提出一种除尘方法。本发明利用拉瓦尔超音速负压集尘技术，可使煤矿转载点四处逸散的粉尘被有效捕捉，整体结构设计合理，集尘后又能除尘，操作安全，效率更高，更经济环保，更适于煤矿。
本发明提供一种超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其包括外壳体、拉瓦尔超音速气流发生装置、风流逆转加速装置、内壳体和螺旋气流生成装置，所述外壳体与内壳体的第一端连接处设有内螺纹孔洞用于布置所述拉瓦管超音速气流发生装置，所述外壳体与内壳体的第二端连接处圆柱截面内部与所述风流逆转加速装置相连接，所述内螺纹孔洞作为第一进风口，所述风流逆转加速装置的出风口作为第一出风口，所述螺旋气流生成装置位于所述外壳体与内壳体的第二端连接处且与第一出风口相连接，
所述拉瓦尔超音速气流发生装置设有中心腔道，中心腔道包括直管腔道段和拉瓦尔管腔道段，所述拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁采用凹曲线型的圆弧线，所述圆弧线所在圆的标准方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2 (1)
其中：x表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线上任意一点的横坐标；y表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线上任意一点的纵坐标；A表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁所在圆柱横截面圆心的横坐标；B表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁所在圆柱横截面圆心的纵坐标；R表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线所在圆的半径；且有：
Figure BDA0003242126170000021
Figure BDA0003242126170000022
Figure BDA0003242126170000023
其中：d表示扩张段轴向长度；θ表示扩张角；
Figure BDA0003242126170000024
表示调节系数；
所述风流逆转加速装置包括内层壳体和外层壳体，所述内层壳体和外层壳体均为喇叭状，其间构成的喇叭状空间，由所述内层壳体和外层壳体的第二端边缘分别向各自第一端逐渐收缩，收缩至最小处形成第一出风口；
所述螺旋气流生成装置为双层圆环，所述双层圆环夹层内安装有固定空气分流片，所述固定空气分流片根部与所述第一出风口的圆环空间形成切线夹角。
在一个优选实施方式中，所述切线夹角为30°，且所述固定空气分流片自所述第一出风口的圆环空间向所述第二进风口方向旋转15°，最终其出口端与水平线夹角为15°。
进一步，所述外壳体与内壳体形成中空圆柱筒形结构，所述外壳体为圆柱形，所述内壳体为圆台型，所述内壳体的第二底面朝向第二进风口，第一底面朝向第二出风口，且第二底面内径小于第一底面内径。
可优选的是，所述拉瓦尔管腔道段的喉部直径与扩张段管口直径的比值定义为缩扩比，且缩扩比为0.3～0.45。
进一步，所述第二进风口与第二出风口所形成的圆环与一中轴线距离视为各自半径且设为1:4.5。
可优选的是，所述内螺纹孔洞和拉瓦管超音速气流发生装置均设有8个且呈周向等距布置，所述内壳体的第一端的内壁面周向等距布置有8个喷头，所述喷头间周向相隔45°。
可优选的是，所述螺旋气流生成装置与拉瓦管超音速气流发生装置所在截面相互平行。
可优选的是，调节系数
Figure BDA0003242126170000031
本发明的另一方面，提供一种利用前述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的除尘方法，具体包括以下步骤：
S1、在皮带运输机开始工作前，将井下风管与拉瓦尔超音速气流发生装置相连接，风流进入到拉瓦尔超音速气流发生装置的直管腔道段后自动进行压缩形成压缩空气；
S2、压缩空气经过拉瓦尔超音速气流发生装置的喉部时，气流的流速将直接达到超音速，并在拉瓦尔管腔道段的扩张段内形成稳定的流场；
S3、大量稳定的超音速气流进入到外壳体与内壳体形成的空间之中，最终涌向风流逆转加速装置，在其出口处改变风流方向的同时对风流进行二次加速；
S4、气流在经过螺旋气流生成装置时，因螺旋气流生成装置内的固定分流片与第一出风口的圆环空间有一定角度，使得喷射出的稳定超音速气流会发生旋转，形成螺旋状气流；
S5、外部微小粒径的粉尘与风由位于螺旋气流生成装置第二出口处形成的负压所吸引，通过外壳体与内壳体后经过喷头对粉尘进行净化。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，利用拉瓦尔超音速负压集尘技术，可使煤矿转载点四处逸散的粉尘被有效捕捉，尤其是风流较小、微细粒径粉尘长时间漂浮且不易自然沉降的工作区域，此装置也可处理其他粉尘，可使用范围广。
2、本发明提供的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，整体结构简单，集尘后又能除尘，让干式除尘与湿式除尘相互结合，同时装置供风风管可直连矿井供风管路，装置操作简单，易于使用。
3、本发明提供的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，不需要额外加电，采用拉瓦尔超喷管进行风流加速，使得该设备更安全、效率更高且更经济环保，更适用于煤矿。
附图说明
图1为本发明超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的剖面图；
图2是本发明超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的立体图；
图3是本发明超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的右视图；
图4是本发明拉瓦尔超音速气流发生装置的立体图；
图5是本发明的使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统前后雾滴粒径D50值对比示意图；
图6是本发明的使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统前后雾滴粒径D90值对比示意图。
图中：
1-外壳体；2-拉瓦尔超音速气流发生装置；21-直管腔道段；22-拉瓦尔管腔道段；221-喉部；222-扩张段；3-风流逆转加速装置；31-内层壳体；32-外层壳体；4-内壳体；41-喷头；5-螺旋气流生成装置。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，如图1、图2和图3所示，其包括外壳体1、拉瓦尔超音速气流发生装置2、风流逆转加速装置3、内壳体4和螺旋气流生成装置5，外壳体1与内壳体4第一端连接处设有内螺纹孔洞用于布置拉瓦管超音速气流发生装置2，外壳体1与内壳体4第二端连接处圆柱截面内部与风流逆转加速装置3相连接，内壳体4第一端附近内壁面周向等距布置有8个喷头41且周向相隔45°，内螺纹孔洞作为第一进风口，风流逆转加速装置3出风口作为第一出风口，内螺纹孔洞和拉瓦管超音速气流发生装置2均设有8个且周向等距布置，螺旋气流生成装置5位于外壳体1与内壳体4第二端连接处且与第一出风口相连接，螺旋气流生成装置5与拉瓦管超音速气流发生装置2所在截面相互平行。
外壳体1与内壳体4形成中空圆柱筒形结构，外壳体为圆柱形，内壳体为圆台型，内壳体的第二底面朝向第二进风口，第一底面朝向第二出风口，且第二底面内径小于第一底面内径，第二进风口与第二出风口所形成的圆环与超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统中轴线距离视为各自半径且设为1:4.5。
如图4所示，拉瓦尔超音速气流发生装置2中心开设有中心腔道，中心腔道包括直管腔道段21和拉瓦尔管腔道段22，拉瓦尔管腔道段的喉部221直径与扩张段222管口直径的比值定义为缩扩比，且缩扩比为0.3～0.45，优选的一种实施例中，拉瓦尔管腔道段22的喉部221直径为2mm～8mm，其扩张段222管口直径为4mm～18mm。
拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁采用凹曲线型，该凹曲线型为圆弧线，该圆弧线所在圆的标准方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2 (1)
其中：x表示拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁圆弧线上任意一点的横坐标；y表示拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁圆弧线上任意一点的纵坐标；A表示拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁所在圆柱横截面圆心的横坐标；B表示拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁所在圆柱横截面圆心的纵坐标；R表示拉瓦尔管腔道段22的扩张段222侧壁圆弧线所在圆的半径；且有：
Figure BDA0003242126170000061
Figure BDA0003242126170000062
Figure BDA0003242126170000063
其中：d表示扩张段222轴向长度；θ表示扩张角；
Figure BDA0003242126170000064
表示调节系数，且
Figure BDA0003242126170000065
Figure BDA0003242126170000066
风流逆转加速装置3包括内层壳体31和外层壳体32，内层壳体31和外层壳体32均为喇叭状，其间构成的喇叭状空间，由内层壳体31和外层壳体32的第二端边缘分别向各自第一端逐渐收缩，收缩至最小处形成第一出风口。
螺旋气流生成装置5为双层圆环，双层圆环夹层内安装有固定空气分流片，固定空气分流片根部与第一出风口的圆环空间的切线夹角为30°，并自第一出风口的圆环空间向第二进风口方向旋转15°，最终其出口端与水平线夹角为15°，可以使通过气流变为螺旋流动进而使喷雾变为螺旋喷雾，加大了雾化范围，达到更好的除尘效果。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的除尘方法，具体包括以下步骤：
S1、在皮带运输机开始工作前，将井下风管与拉瓦尔超音速气流发生装置2相连接，风流进入到拉瓦尔超音速气流发生装置2的直管腔道段后自动进行压缩。
S2、压缩空气经过拉瓦尔超音速气流发生装置2的喉部时，气流的流速将直接达到超音速，并在拉瓦尔管腔道段的扩张段内形成稳定的流场。
S3、大量稳定的超音速气流进入到外壳体1与内壳体4形成的空间之中，最终涌向风流逆转加速装置3，在其出口处改变风流方向的同时对风流进行二次加速。
S4、气流在经过螺旋气流生成装置5时，因螺旋气流生成装置5内的固定分流片与第一出风口的圆环空间有一定角度，使得喷射出的稳定超音速气流会发生旋转，形成螺旋状气流。
S5、超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统外部微小粒径的粉尘与风会被位于螺旋气流生成装置5第二出口处形成的负压吸引，集体通过超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，经过外壳体和内壳体之后通过喷头对粉尘进行净化。
通过雾滴粒径测试实验验证本发明的改进效果，实验主要仪器为粒度分析仪，采取以下实验步骤：
前期准备工作：实验仪器对中调试，从发射端部分射出的激光束需要在接收端形成均匀规则的绿色光斑，激光束需要通过傅里叶镜及准直透镜的中心且与准直透镜垂直。
1、开启激光粒度分析仪，预热10～15分钟。启动计算机，并运行粒度分析软件。
2、单击“测试”菜单中背景测量，背景测量累计10次后，进行能谱测试。
3、以是否使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统为变量，完成对照试验，通过调节控制阀门从而调节气压，得到实验数据。
其中，未使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，雾滴粒径随气压的变化如表1所示；
气压/Mpa D50/um D90/um
0.3 35.210 78.143
0.4 45.367 98.214
0.5 52.845 125.426
0.6 49.528 162.358
0.7 55.146 150.268
表1
使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，雾滴粒径随气压的变化如表2所示：
Figure BDA0003242126170000071
Figure BDA0003242126170000081
表2
使用超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统前后雾滴粒径D50值如图5所示，D90值如图6所示。
4、分析实验数据，归纳得出结论。
本发明提供的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，利用拉瓦尔超音速负压集尘技术，可使煤矿转载点四处逸散的粉尘被有效捕捉，尤其是风流较小、微细粒径粉尘长时间漂浮且不易自然沉降的工作区域，此装置也可处理其他粉尘，可使用范围广；整体结构简单，集尘后又能除尘，让干式除尘与湿式除尘相互结合，同时装置供风风管可直连矿井供风管路，装置操作简单，易于使用；不需要额外加电，采用拉瓦尔超喷管进行风流加速，使得该设备更安全、效率更高且更经济环保，更适用于煤矿。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，其包括外壳体、拉瓦尔超音速气流发生装置、风流逆转加速装置、内壳体和螺旋气流生成装置，所述外壳体与内壳体的第一端连接处设有内螺纹孔洞用于布置所述拉瓦管超音速气流发生装置，所述外壳体与内壳体的第二端连接处圆柱截面内部与所述风流逆转加速装置相连接，所述内螺纹孔洞作为第一进风口，所述风流逆转加速装置的出风口作为第一出风口，所述螺旋气流生成装置位于所述外壳体与内壳体的第二端连接处且与第一出风口相连接，
所述拉瓦尔超音速气流发生装置设有中心腔道，中心腔道包括直管腔道段和拉瓦尔管腔道段，所述拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁采用凹曲线型的圆弧线，所述圆弧线所在圆的标准方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2 (1)
其中：x表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线上任意一点的横坐标；y表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线上任意一点的纵坐标；A表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁所在圆柱横截面圆心的横坐标；B表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁所在圆柱横截面圆心的纵坐标；R表示拉瓦尔管腔道段的扩张段侧壁圆弧线所在圆的半径；且有：
Figure FDA0003242126160000011
Figure FDA0003242126160000012
Figure FDA0003242126160000013
其中：d表示扩张段轴向长度；θ表示扩张角；
Figure FDA0003242126160000014
表示调节系数；
所述风流逆转加速装置包括内层壳体和外层壳体，所述内层壳体和外层壳体均为喇叭状，其间构成的喇叭状空间，由所述内层壳体和外层壳体的第二端边缘分别向各自第一端逐渐收缩，收缩至最小处形成第一出风口；
所述螺旋气流生成装置为双层圆环，所述双层圆环夹层内安装有固定空气分流片，所述固定空气分流片根部与所述第一出风口的圆环空间形成切线夹角。
2.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述切线夹角为30°，且所述固定空气分流片自所述第一出风口的圆环空间向所述第二进风口方向旋转15°，最终其出口端与水平线夹角为15°。
3.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述外壳体与内壳体形成中空圆柱筒形结构，所述外壳体为圆柱形，所述内壳体为圆台型，所述内壳体的第二底面朝向第二进风口，第一底面朝向第二出风口，且第二底面内径小于第一底面内径。
4.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述拉瓦尔管腔道段的喉部直径与扩张段管口直径的比值定义为缩扩比，且缩扩比为0.3～0.45。
5.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述第二进风口与第二出风口所形成的圆环与一中轴线距离视为各自半径且设为1:4.5。
6.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述内螺纹孔洞和拉瓦管超音速气流发生装置均设有8个且呈周向等距布置，所述内壳体的第一端的内壁面周向等距布置有8个喷头，所述喷头间周向相隔45°。
7.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，所述螺旋气流生成装置与拉瓦管超音速气流发生装置所在截面相互平行。
8.根据权利要求1所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统，其特征在于，调节系数
Figure FDA0003242126160000021
9.一种利用权利要求1至8之一所述的超音速干湿结合螺旋无叶集尘除尘系统的除尘方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、在皮带运输机开始工作前，将井下风管与拉瓦尔超音速气流发生装置相连接，风流进入到拉瓦尔超音速气流发生装置的直管腔道段后自动进行压缩形成压缩空气；
S2、压缩空气经过拉瓦尔超音速气流发生装置的喉部时，气流的流速将达到超音速，并在拉瓦尔管腔道段的扩张段内形成稳定的流场；
S3、大量稳定的超音速气流进入到外壳体与内壳体形成的空间之中，最终涌向风流逆转加速装置，在其出口处改变风流方向的同时对风流进行二次加速；
S4、气流在经过螺旋气流生成装置时，因螺旋气流生成装置内的固定分流片与第一出风口的圆环空间有一定角度，使得喷射出的稳定超音速气流会发生旋转，形成螺旋状气流；
S5、外部微小粒径的粉尘与风由位于螺旋气流生成装置第二出口处形成的负压所吸引，通过外壳体与内壳体后经过喷头对粉尘进行净化。
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