1、如图2-2所示图2-2 旋风除尘器示意图粉尘以1424m/s的速度，从切向方向向外圆筒流进除尘器后，由于受到2.4 方案比较除尘方案优点缺点泡沫除尘捕尘效率高，管理工作量小费用投资高，应用范围有限通风除尘操作简单，方便快捷，成本低除尘效率低，易造成二次污染，适用范围有限除尘器除尘除尘效率高一次性投资大、设备自身结构复杂、体积大、较笨重、处理风量有限2.4.1 方案选择由以上方案比较可知，每种方案都有各自有缺点，但在粉尘场所适用范围上都比较窄，无法广泛推广。喷雾降尘广泛应用于煤矿粉尘场所，然而现存的喷雾降尘设备又以低压喷雾为主，低压喷雾水压较低，一般在12MPa左右，捕尘效率大约在50%左右,
2、捕尘效率低。智能高压喷雾可实现高效率降尘，无人监控，适用范围广，设备维护量小，在煤矿粉尘场所应用广泛。选择智能高压喷雾降尘方案，可靠性高，实用性强。2.5智能高压喷雾除尘智能高压喷雾主要由PLC、粉尘浓度传感器、热释红外线传感器、高压喷嘴、气动马达、柱塞泵等构成。当粉尘浓度传感器检测到粉尘浓度超标时，高压喷雾装置开始喷雾降尘，当浓度低于警戒线时喷雾停止。此外，该喷雾降尘系统还安装有热释电红外线传感器，当装置检测到有人在喷雾地点时，可以自动延时或停止喷雾。智能高压雾除尘设施具有以下优点：（1）集中运行：管路自动排水系统集中运行，稳定可靠，可以实现无人化管理：（2）降低能耗：直接以水、井下风能为动
3、力，无需额外电机等辅助设备；（3）可靠除尘：采用矿用水质过滤器，净化井下水，充分解决水质对系统的影响。采用高压喷嘴，耐磨性好、雾化除尘效果好：（5）使用方便：利用煤矿井下现有的风能、供水系统即可，安装十分方便：（6）耐用性能好：主要机械装置设计简单、科学，故障率非常低。2.5本章小结本章主要介绍了泡沫除尘、通风除尘、除尘器除尘，通过对比得出各自优缺点。鉴于各自应用范围有限，考虑到不同煤矿井下环境差异，提出智能高压喷雾除尘方案，应用范围广，除尘效率高。第三章 煤矿井下智能高压喷雾除尘设计方案3.1智能高压喷雾除尘特点目前我国煤矿井下应用最广泛的除尘措施主要是以喷雾洒水降尘，然而目前喷雾洒水降尘方
4、法又以低压喷雾为主，由于水压低，导致雾化效果差，水资源浪费严重，很难有效捕捉粉尘，特别是对呼吸型粉尘的除尘效率不足70%。高压喷雾降尘技术室一种降尘效率高但目前为止还没被广泛推广使用的煤矿井下降尘技术。喷雾尘粒与粉尘的高凝结效率是除尘效率高的主要原因。煤矿井下低压喷雾洒水喷雾是通过惯性碰撞、扩散作用、凝结作用等方式来降尘的；然而高压喷雾不但有低压喷雾的降尘机理，而且还使水雾带有较高的正负电荷，因而对呼吸型粉尘降尘效率将会更高。巷道内智能高压喷雾引用煤矿井下现有的风路管路中的压缩风能，由气动马达将风能转化为机械能从而驱动柱塞泵工作，由于老师选取的煤矿井下水质除了含有一些可过滤的杂质其他各项指标都
5、良好，因此利用井下水必须提前进行过滤。将煤矿井下水经沉淀池沉淀杂质进行第一次过滤，然后由沉淀池流出的水再通过矿用水质过滤器过滤第二次，然后低压水流经柱塞泵，气动马达作为动力源驱动柱塞泵工作，将低压水转化为高压水，为高压喷雾做好准备。使用气动马达带动柱塞泵实现低压水向高压水的转化，解决了使用电动机转化低压水带来的用电安全问题。智能高压喷雾系统可实现无人监控自动喷雾，喷雾除尘系统主要采用PLC控制器控制矿井粉尘浓度传感器工作，当检测到粉尘浓度超过指标时可实现自动喷雾降尘，喷雾过程中如果有矿工经过时，热释电红外线传感器发出信号，喷雾停止工作。当工人走过时，如果粉尘浓度依然超标，喷雾继续进行，直到粉尘
6、浓度传感器检测到粉尘浓度低于指标时，喷雾降尘停止。皮带机除尘系统由经过过滤后的水流经柱塞泵，柱塞泵安装在皮带机上，当皮带机工作时带动柱塞泵工作，从而实现低压水向高压水的转化，解决了井下电气防爆问题，实现皮带机机械能的高效利用。采煤机采用内喷雾和外喷雾的结合。喷雾降尘是高压水通过喷嘴高压喷射扩散，使其雾化，包裹住粉尘源从而与外界隔离。高压喷雾不仅可以通过拦截作用沉降粉尘，而且还有冷却截齿、湿润煤层和防止截割火花的作用。3.2 水滴捕尘机理图3-1 水滴捕尘作用示意图（2）扩散作用一般情况下粒径在0.3m以下的粉尘质量很小，很容易被风吹动扬起，吹起的微粒气体一样做布朗运动。粒径和质量虽然都很小，但
7、是扩散能力很强，粉尘在不停的运动中很容易和其他物体相撞而沉降下来。（3）凝结作用凝结分为两种情况，一种是通过水蒸气的不断凝结使粉尘粒逐渐凝聚增大；另一种情况是粉尘通过扩散漂移的联合作用，使尘粒逐渐向液滴移动从而凝聚增大，此时的粉尘由于通过惯性作用很容易被捕集。另外，水滴与尘粒的电荷性也会促进尘粒凝聚。（4）静电捕集静电捕集就是用大量带电荷的雾粒，利用电荷之间的库仑力来有效捕捉微细粉尘。静电作用主要与粉尘介电常数、雾粒和粉尘上的电荷量有关。普通喷雾洒水的降尘机理起主要作用的是惯性碰撞和扩散截留机理，所以在捕集呼吸性粉尘时存在着两大主要缺点：一是因为呼吸性粉尘的惯性小，在将要与水雾颗粒相碰撞时要改
8、变其运动轨迹而绕雾粒运动，极难被水雾所捕集。二是即使有少数呼吸尘和水雾粒相碰撞，由于凝聚力小而容易再分离，这就是水雾粒（尤其是较大水雾粒）对呼吸性粉尘捕集效率低的原因。3.3智能高压喷雾设计思路 高压喷雾水在外部压力的驱动下，经过管路和喷嘴，形成高能流束喷射而出，从而形成喷雾。本文对喷雾除尘设计思路如图3-2所示图3-2 智能高压喷雾示意图 系统上电后开始工作，PLC作为控制器控制整个系统工作，粉尘浓度传感器实时监测煤矿井下巷道粉尘浓度。当粉尘浓度超标时，同时热释电红外线传感器检测巷道内有无工作人员，若无人则喷雾降尘开始，若有人，延时10S,留出供工人走出巷道的时间，当矿工从喷雾处离开时，热释
9、开关发出信号，喷雾开始，当粉尘浓度传感器监测到粉尘浓度降低在指标一下时，电磁阀关闭，喷雾降尘停止工作，如此不停循环，可以实现对巷道粉尘的实时监测，随时做出降尘处理，该喷雾降尘系统可实现实时监测，无人监控。3.4智能高压喷雾设备工作原理见下页图3-3煤矿井下巷道除尘示意图由于老师所选择的煤矿，井下水压力较小且含杂质较多，其他指标都良好，对喷雾不会造成什么影响。因此决定先对此煤矿井下水进行过滤，先将井下水引入沉淀池，对较大的煤渣进行沉淀，沉淀后的水再次通过矿用水质过滤器进行再次过滤以防堵塞喷嘴。经过两重过滤的水流经柱塞泵，考虑到井下电气防爆要求，因此选用气动马达，利用井下现有的压缩风能驱动气动马达
10、叶片旋转，通过气动马达将风能向机械能的转化，再由气动马达驱动柱塞泵，将低压水转化为高压水。当粉尘浓度传感器检测到巷道内的粉尘超标时，如果巷道内没人，则PLC控制防爆电磁阀打开，高压水经喷嘴向外开始喷雾降尘。当粉尘达到危险指标一下时，喷雾停止。如此循环，实现无人监控依旧可以正常工作。皮带传输机除尘示意图如图3-4所示：图3-4皮带传输机除尘示意图由于煤炭经皮带传输机传送直到经皮带抛出时会扬起粉尘，对矿井环境造成污染，严重威胁着井下职工的健康。为了减少煤尘的扬起，在煤炭粉尘扬起的地方安装三个喷嘴进行喷雾降尘。经过过滤的井下水压力较小，为了产生显著的喷雾降尘效果，可以在皮带传输轮下方安装柱塞泵，当皮
11、带机工作时，驱动柱塞泵的转动，从而将低压水转化高压水，达到良好的雾化效果。通过皮带传输轮驱动柱塞泵的工作避免考虑井下电气防爆的问题。采煤机降尘示意图如图3-4所示，采煤机在工作的过程中会产生大量煤尘，严重威胁着井下矿工的身体健康。图3-5 采煤机降尘示意图3.5喷雾设备智能化 煤矿井下巷道除尘设备采用粉尘浓度传感器和热释电红外线传感器。当粉尘浓度传感器检测到粉尘浓度超标时，同时热释电传感器检测到巷道内没有工人时，PLC控制防爆电磁阀启动，此时，气动马达在风能作用下开始工作，然后气动马达又驱动高压柱塞泵工作，高压喷雾开始工作。如果粉尘浓度超标时，热释电传感器检测到巷道内有人，巷道长约10米，报警
12、系统开始，提醒工作人员离开，预计10S后人员可以离开巷道，则10S后高压喷雾开始启动，降尘开始，当粉尘浓度低于警戒值时，则喷雾停止。假设有三人依次通过巷道时，当粉尘浓度超标时，热释电检测到第一个人时喷雾开关继续关闭，等最一个人通过时，则喷雾开始，防止水喷到矿工身上。当巷道内粉尘浓度传感器或热释电红外传感器其中或全部失灵时，为达到及时降尘的效果，智能高压喷雾系统配备手动开关，可以有效开启喷雾降尘。智能高压喷雾可实现无人坚守，实时监控煤矿井下粉尘浓度状况并自动处理。同时热释电红外线传感器的可防止水雾喷洒到矿工身上，安全卫生。3.6本章小结本章主要介绍了智能高压喷雾特点、水滴捕尘机理。通过示意图的形
13、式形象展示了煤矿井下巷道、皮带机、采煤机的喷雾降尘原理。采用气动马达和柱塞泵的结合可避免煤矿井下用电安全问题，为高压喷雾提供了高压水。第四章 煤矿井下智能高压喷雾除尘系统设备设计4.1 除尘设备基本组成智能高压喷雾系统主要由PLC控制器、气动马达、柱塞泵、高压喷嘴、矿用水质过滤器、粉尘浓度传感器、热释电红外传感器、电磁阀、沉淀池、管路等这构成。如图4-1基本示意图图4-14.2PLC防爆控制箱由于煤矿井下用电设备处处都需要考虑防爆问题，因此PLC也需要在外面加一个防爆外壳。PLC防爆箱由隔离变压器、本安电源、S7-200 PLC及继电器等组成。4.2.1 可编程逻辑控制器 （2）使用方便目前P
14、LC已经开发了许多扩展模块，产品已系列化和模块化，并且配有品4.2.2 S7-200 可编程逻辑控制器介绍S7-200是西门子公司研发的一种小型可编程逻辑控制器，这种控制器不仅可以进行单机控制，同时也可以进行功能模块的扩展。S7-200可编程逻辑控制器属于整体式结构，它具有许多优点，价格便宜，结构小巧，可靠性高，运行快，指令集丰富，功能和实时特性都很强大，性价比高。根据控制输入输出点数的多少，选择CPU主机。S7-200的系统也是由主机单元、编程器组成。在进行扩展系统时，系统中还可以有数字量扩展单元模块、模拟量扩展单元模块、通信模块、人机界面（HMI）等。S7-200基本结构如图4-2所示。图
15、4-2 S7-200 PLC系统的基本构成4.2.3主机结构及性能特点及选型本论文所选器件输入/输出点代码和地址编号如下名称代码地址编号输入信号启动按钮SF0I0.0热释开关1RSI1I0.1热释开关2RSI2I0.2粉尘浓度传感器1FCI1I0.3粉尘浓度传感器2FCI2I0.4手动开1,2SW1I0.5手动关1,2SW2I0.6输出信号电磁阀DCFQ0.0热释开关1运行指示灯RSO1Q0.1热释开关2运行指示灯RSO2Q0.2粉尘浓度1运行指示灯FCO1Q0.3粉尘浓度2运行指示灯FCO2Q0.4报警PBQ0.5由上图可知开关量输入点7个，开关量输出点6个，因此选择CPU222比较经济适用
16、。4.2.4隔离变压器我们直接接入PLC防爆箱的是井下127VAC的电源，PLC一般使用220VAC/24VDC供电。煤矿井下的供电电网容易波动，如果直接将井下电源接入PLC上，将会降低PLC系统的精度和可靠性；严重情况下，会毁灭整个系统；电网的瞬时变化也是经常发生的，由此会影响到PLC控制系统中。为了避免这些情况的发生，提高系统可靠性和抗干扰性，煤矿井下通产采用隔离变压器给PLC供电，变压器主副线圈间产生一定的间隙，这样便可以将电网中的各种干扰信号隔离开，从而提高了系统的抗干扰能力。我们所选择的是可以把127V/380V转化为220V电压的隔离变压器。4.3 雾化喷嘴设计4.3.1 喷嘴参数
17、对雾化效果影响高压喷雾是通过喷嘴喷射产生的，通过喷嘴把高压柱塞泵提供的高压水喷射而出，形成雾状，此时喷雾降尘的效果才能发挥出来。因此，喷嘴是决定喷雾降尘效果的重要部件，合理的喷嘴结构设计、出口直径 D、加工精度、引射罩锥角大的小直接将直接决定喷出雾粒的大小、雾粒速度、出水量及雾体的大小，进而影响雾粒与粉尘的凝结率。喷嘴的结构形式有很多种。例如：（1）收敛型喷嘴。收敛型型喷嘴主要应用于切割、清洗、除锈等场所；图4-3是收敛型喷嘴的典型结构。主要的几何参数有：喷嘴的收缩角，入口和出口过渡形状，倒角的曲率半径r1和r2，出口直径d 。喷嘴的出口直径d 由射流的压力和流量确定（d 是设计喷嘴的原始数据
18、）： （4-1）式中：Q额定流速，L/min；P 额定压力, Pa 。图4-3收敛型喷嘴（2） 雾化型喷嘴。雾化型喷嘴主要运用于降尘、环境保护等工作场合。喷雾降尘时，选用雾化型喷嘴。收敛型喷嘴是将压力收缩，转化为动能，雾化型喷嘴是把压力水通入其中，高压水通入后不可以产生有较高的雾滴运动的雾化质量，还可以满足雾滴达到不同的粉尘源，雾化产生的均匀度和的扩散面积都可以达到降尘效果。常用的压力转化型雾化喷嘴有以下几种类型：图4-4螺旋导水芯喷嘴图 图4-5平射型喷嘴图4-6十字形导水芯喷嘴 图4-7直射型喷嘴不同结构的喷嘴雾化原理也不相同：平射型和直射型喷嘴是利用压力变收缩力原理；十字形导水芯喷嘴将水
19、压力变为冲力。螺旋导水芯是水流经导螺旋牙水道作离心运动，在出水腔与中心孔的直射水流撞，雾化效果相对于前三种要好。雾化型喷嘴主要的技术特征和技术参数见表4.1和表4.2。表4.1雾化型喷嘴的技术特征喷嘴类型雾化原理水雾形状雾化质量螺旋导水芯喷嘴压力离心空心圆锥形分布均匀，雾粒细平射型喷嘴压力收缩扁锥形雾粒度与分布不匀匀十字形导水芯喷嘴压力冲击雾粒度与分布不均匀直射型喷嘴 一束水雾化与扩散效果差表4.2雾化型喷嘴的主要技术参数项目 单位主要参数水压Mpa0.511.522.5耗水量L/min34.14.75.36101417202311.617.821.524.226.5直射型喷嘴3.74.255
20、.86.5喷射角110120170-有效射角m0.31.23.544.54.3.2 喷嘴结构的选择1-喷嘴体 2-喷嘴芯 3-芯体压盖图 4-8喷嘴结构图图4-9喷嘴芯示意图4.7 柱塞泵4.7.1柱塞泵工作原理4.7.2柱塞泵选型本论文选用柱塞泵为高压喷雾提供高压水，柱塞泵由气动马达通过减速箱和曲柄连杆机构与柱塞泵相连。为了达到良好的降尘效果，特别是捕捉呼吸型粉尘颗粒，综合考虑雾化水滴直径的关系、设备功率、安全等因素综合考虑，捕捉煤矿井下呼吸型粉尘颗粒所需供水的压力一般在l0MPa左右，同时根据煤矿井下不同地点粉尘浓度的大小不同，选用W1208型高压柱塞泵，如图4-17所示。主要技术参数：额
21、定流量：8 L/min工作压力：120 bar（1bar=105Pa）,产生水压为12MPa额定转速：1450 r.p.m功率：1.83KW图4-17高压柱塞泵4.4 气动马达 气动马达是一种气动执行元件，是将压缩产生的风能的能量转换成连续回转运动的机械能，实现能量的转化。气动马达比液压马达、电机以及电动马达有许多优点：（1） 安全防爆。因为气动马达的工作介质为压缩气体，一般主要是压缩空气，紧凑的机构设计，能够保证在工作时不产生火花，能够在恶劣的环境下长期工作，例如高温，易燃、易爆炸的环境等场合工作；（2）马达启动转矩大，可以带载启动，同时具有软特性，可以满负荷工作，具有过载保护；（3）可以实
22、现无极调速，同时能够实现正反转，只需改变通风方向就可以改变转动方向；气马达的回转惯性矩较小，空气本身质量也较轻，惯性也小，容易实现快速启动和停止；（4）气马达寿命较长，工作时温差较小，能够长时间满载连续工作，气马达操作简单，维修方便，性能可靠。气动马达缺点是效率较低。4.4.1 气动马达工作原理气动马达和液压马达工作原理差不多相似，都是使工作介质气体由进气孔进入然后从出气孔出来，期间在工作室两侧会有工作介质作用马达内部叶片上，气马达的结构上有偏心安装的转子，两侧叶片上会因为工作介质的存在而产生转矩差，一次叶片将不会平衡，转子就可以旋转，工作腔容积因为偏心转子的转动而发生变化，转自工作过程中会使
23、叶片上产生压力差，这样转子就被推动转动了，整个过程完成后工作介质在由排气孔排出，如果想改变转子转动方向，只需要把进气孔和出气孔调换即可。4.4.2 气动马达选型图4-10 EMY250 叶片式气动马达假设井下压风管路中风能压力大小为0.6MPa，则气动马达可以在额定转速下工作，输出功率为 （4-2）T转矩（N.m）N转速（r/min）。柱塞泵额定功率P=1.83KW，由式4-2代入数据柱塞泵额定转速n=1450，可以求得柱塞泵的输入转矩T=12.04N.m。气动马达额定转矩大于柱塞泵输入转矩，因此所选气动马达作为原动机可以驱动执行元件柱塞泵工作。气动马达额定转速n=1400，因此，柱塞泵实际转
24、速为1450 r.p.m，可以求得柱塞泵实际流量为4.5.粉尘浓度传感器粉尘浓度传感器广泛应用于矿山、水泥厂等对粉尘限度要求严格的易产生粉尘的作业场所进行总粉尘浓度的不间断监测。常用的粉尘浓度传感器无法满足在恶劣的煤矿井下环境中使用。为了能够检测现有煤矿井下粉尘浓度，因此利用激光散射原理开发了技术含量更高的传感器，这样的传感器可以砸在在自然风流状态下进行连续不间断高精度高高可靠性的监测显示井下粉尘浓度，与此同时，粉尘传感器会把检测到的粉尘浓度进行A/D转换，把此时的数据与事先设定好的粉尘超标值进行比较，如果检测到的数值大于设定值，则会把一定的开关信号输出到洒水喷雾的可编程控制器中，实现了测尘降尘的最佳效果。如此循环，保证了井下粉尘浓度的高高精度高可靠的检测与监测。4.5.1 粉尘浓度传感器选型图4-11 GCG1000型粉尘浓度传感器图4-12 GCG500粉尘浓度传感器GCG500和GCG1000型粉尘浓度传感器主要技术参数产品型号测量范围测量误差采样流量电源防爆形式GCG10000.1mg/ m31000mg/m325%200Hz1000Hz2L/min18VDCExib矿用本安型GCG5000.1500mg/m315%2001000Hz、15mA918由于所选择煤矿粉尘浓度在0.1mg/ m3600mg/m3之间，因此粉尘浓度传感器选择GCG1000型。
