膠帶機返程干式清掃機組的研究與應用

李浩峰,李銀廣

(神華北電勝利能源有限公司,內蒙古 錫林浩特 026000)

伴隨著礦山技術的進步和環境保護意識的增加,煤礦行業向著綠色礦山方向發展[1-3]。我國露天礦區主要集中在干旱且高寒地區,在煤炭的儲運過程中極易導致產生煤塵,嚴重威脅著作業人員的身體健康及機械設備的正常運行[4-7]。為了解決粉塵災害,大量學者針對降塵和除塵進行了大量的研究。高智軍[8]為了解決采煤工作面粉塵超限的問題,提出了泡沫降塵和支架間負壓二次噴霧降塵技術,降塵率達到了90%;王鵬[9]研究了工作面的粉塵運移規律,得出采用徑向式附壁風筒控塵效果較為明顯;荔軍[10]通過對17套井下干式除塵器的初始使用情況和長期使用情況進行調研,發現控塵技術在巷道粉塵治理中起著重要作用;王昊等[11]針對煤礦綜掘面粉塵超限,對不同壓抽風量比條件下的多徑向渦旋氣幕運移及其阻塵效果進行研究,分析得出當壓抽風量比為0.8時,降塵效果明顯;葛少成等[12]針對泡沫除塵技術和風幕除塵技術進行了分析于歸納,得出目前降塵技術尚不完善,需要將多因素結合進行粉塵的治理。除塵設備方面,張江石等[13]針對現有連續采煤機除塵系統無法解決掘進工作面粉塵超限的問題,設計了適合神東大柳塔煤礦掘進工作面的連采機除塵系統,現場測試現實降塵效果明顯;陰少輝[14]提出了采用自動化噴霧系統對帶式輸送機進行降塵在現場應用過程中取得了明顯效果。

目前,極端工作條件下的膠帶機除塵問題仍然未得到妥善的解決,隨著建設綠色礦山要求的提出,膠帶機的粉塵治理問題顯得越發重要。鑒于此,筆者針對神華北電勝利能源有限公司302號膠帶機沿程及驅動站粉塵處理的現狀和實際生產需求以及氣候環境的制約,設計了一種膠帶機返程干式清掃機組,機組運用螺旋刀片繞中心軸旋轉而產生的切削原理以及條狀物抽打沖擊得到的振顫原理,將附著于膠帶的煤粉清除掉,實現了膠帶表面的干式清掃,且能將附著在膠帶機表面的煤粉進清理后自動100%回收,運行過程無人值守,保障了膠帶機的安全高效運行,有效降低了膠帶機附近的粉塵含量,保證了作業人員的良好工作環境,為膠帶機粉塵治理和除塵提供了新思想和新理念。

1 工程背景

神華北電勝利能源有限公司位于內蒙古錫林浩特市北郊6 km,距錫林浩特市6 km,年平均氣溫0～3 ℃,結冰期長達5個月,寒冷期長達7個月。膠帶機是煤礦運輸的重要裝置,擔負著全廠煤炭的運輸任務。302號膠帶機是公司的主要運輸膠帶,302號膠帶寬2 000 mm;帶速4.35 m/s;膠帶表面較新且較為平整,機尾原有滾筒除塵裝置且無水沖洗地面系統。302號膠帶機沿程一期給煤機、二期給煤機、機尾導料槽、機尾滾筒等處已安裝相應的除塵設備,這些部位的粉塵已得到治理。但由于原煤所含水分、膠帶靜電、帶面傷痕等原因使得返程膠帶帶粉嚴重,并且膠帶運行時,膠帶表面粘附的煤粉與驅動滾筒、改向滾筒、包角滾筒、各種托輥發生接觸、擠壓、震動,導致粘附在膠帶表面的煤塵和隱藏與膠帶表層橡膠裂紋深處的煤塵脫離膠帶表面,造成膠帶機沿程和驅動間等處粉塵污染嚴重。

煤塵飄蕩會嚴重危害作業人員的身體健康,并且煤塵飄落與設備運轉表面會造成磨損或污染腐蝕影響設備安全運行。大量的粉塵飄落于地面需要大量的人員進行清理作業,降低了工作效率的同時還存在十分嚴重的安全隱患。

2 膠帶機返程干式清掃機組

2.1 機組結構組成

膠帶機返程干式清掃機組為殼體結構,殼體內安裝上下2排滾動清掃器,上排有2組滾刷,下排有1組螺旋鉸刀和2組滾刷,上下2排滾動清掃器平行安裝,其中有螺旋鉸刀用于清除冬季板結的凍層,滾刷用于清理附著在膠帶表面的煤粉,以上下2排滾動清掃器由驅動電動機帶動旋轉方向與膠帶機運行方向相反,以上下2排滾動清掃器可進行上下微調以保持與膠帶緊密接觸,滾動清掃器清理下來的煤粉落入殼體底部積灰斗,落到積灰斗的煤粉由清灰絞龍輸送集中到負壓風管入口,由負壓輸送系統將煤粉送到除塵器進行分離。膠帶機返程干式清掃機組,膠帶的進、出口有一定長度而且狹窄由于負壓風管產生的高負壓和高風速將膠帶表面的粉塵帶走達到清掃膠帶的目的。機組結構如圖1、圖2所示。

圖1 機組外殼示意Fig.1 Schematic diagram of unit casing

圖2 機組內部示意Fig.2 Internal schematic diagram of the unit

目前,膠帶附著物清理多數采用板式清掃器清掃,由于膠帶運行速度很快(3.15～4.15 m/s),且不斷地發生抖動,板式清掃器磨損較快,導致清理不徹底,用水沖洗后冬季結冰無法使用。但是本膠帶機返程干式清掃機組有上下2排滾動清掃器,消除了膠帶抖動問題,不間斷進行清掃,所以經現場實際使用清掃效果很好。

2.2 機組的作業方式

膠帶機卸料后,由于粉塵含水和膠帶橡膠裂紋的吸附力部分煤塵仍黏附與膠帶表面,且北方冬季寒冷膠帶長時間處于露天溫度極低,由于粉塵含水會凍結在膠帶承載表面或托輥、改向滾筒、驅動滾筒表面,影響膠帶機正常運行或危害膠帶,影響膠帶的使用壽命。鑒于這些原因,利用螺旋清冰器清除凍結于膠帶承載表面的板結層,利用滾刷清除附著于膠帶非承載和承載表面的煤粉,利用負壓吸塵原理將隱藏與膠帶非承載和承載裂紋的微細粉塵吸除干凈,完成膠帶非承載和承載表面的清潔工作,膠帶每運行1周清理1遍,實現膠帶無塵進行。

膠帶清掃之后掉落下來的煤塵或板結凍塊落入機組下部集灰斗內,集灰斗底部設置了絞龍清灰器,通過絞龍清灰器葉片旋轉推力將集灰斗底部的煤粉推到處灰口,煤粉推到處灰口后利用負壓吸塵系統將煤粉輸送到除塵器,將煤粉輸送到除塵器后進行分離,分離后的煤塵落入緩沖倉或潔凈空氣,由風機出口排入大氣。絞龍清灰器如圖3所示。

圖3 絞龍清灰器Fig.3 Twisting dragon dust remover

除塵機組為一密閉殼體,密閉殼體內在高壓引風機的作用下呈負壓狀態。膠帶的進出口為氣體進口,進口的高壓氣流會起到負壓清掃膠帶的作用。除塵機組安裝于機頭返程膠帶二道清掃器的位置,實現完整膠帶的清掃工作。機組進氣口如圖4所示。

圖4 機組進氣口Fig.4 Unit air inlet

3 膠帶機返程干式清掃機組的作業原理

由于氣候寒冷,原煤帶水在寒冷的環境中極易結冰,故機組采用螺旋清冰器進行清冰作業。利用纏繞旋轉主軸上的螺旋刀片,刀片旋轉方向與膠帶運行方向相反,刀片運行線速度為膠帶的1.5倍,刀片數量為6片,軸功率4.5 kW。實踐表明,刀片與膠帶橫向截面平行,由于刀片為螺旋狀為點切削保證絞龍與膠帶連續切削膠帶與平穩接觸,螺旋切削減小切削阻力,節省功率。

返程膠帶帶粉的原因主要是物料水分粘度粘料、靜電吸附、膠帶表面傷痕或裂紋藏料、冬季凍粘料等。由于膠帶瞬間運行速度較快,附著于膠帶表面的微細物料慣性很大,普通片式清掃器會發生漏料現象,并且由于膠帶摩擦起電(靜電)和抖動現象也會漏掉部分粉料。滾筒毛刷的刷毛選料為富有彈性的聚氨酯,刷毛直徑2.5 mm,刷毛長度過盈量為15 mm,刷毛密度較大,線速度5 m/s,運行方向與膠帶運行方向相反。刷毛高速抽打膠帶表面將附著于膠帶表面的微細顆粒機振脫離膠帶表面,經兩級抽打后脫離膠帶表面的粉塵顆粒由進口高速氣流帶入負壓輸送系統,由負壓輸送系統到除塵器分離,粉塵顆粒落入料斗回收,潔凈空氣由引風機排入大氣。滾刷清灰性能測試如圖5所示。

圖5 滾刷清灰性能測試Fig.5 Rolling brush cleaning performance test

機組為殼體結構中部中分面膠帶進出口同為進風口,由于負壓輸送系統引風機的負壓作用機組為殼體內部為負壓,所以唯一空氣進口就是膠帶的進出口的間隙,所以機組為殼體膠帶進出口為一狹窄風道由于高負壓的作用氣流速度很高,高度氣流對膠帶表面有強大的清掃作用,可以將膠帶表面疤痕、裂縫的粉塵洗干凈。膠帶機返程干式清掃機組如圖6所示。

圖6 膠帶機返程干式清掃機組Fig.6 Belt conveyor return dry sweeping unit

螺旋絞龍及清掃滾筒清理下來的較大顆粒沉降到殼體底部,由螺旋清渣機輸送到負壓輸送系統吸口,經負壓輸送系統輸送到除塵器。采用高壓引風機實現機殼內的高負壓,實現進口的高風速得到風力清掃膠帶表面粉塵。高負壓還可以將負壓輸送系統進料口物料輸送到除塵器。驅動電機67.5 kW,主軸轉速960 r/min,B2型槽輪驅動螺旋絞龍旋轉,螺旋絞龍旋轉并聯鏈輪依次驅動兩級清掃滾筒旋轉,轉向與膠帶運行方向相反,速度可調。螺旋絞龍及清掃滾筒兩端支撐軸承座可調,用以調整螺旋絞龍及清掃滾筒與膠帶面的清掃力度,兩端支撐軸承座的緊固螺栓沿梯形曹滑動實現清掃力度調諧和緊固。電氣調整原理為變頻調諧滾筒轉速,實現改變清掃效果的目的。春、夏、秋3個季節煤粉附著強度小且量較少,需轉速較低,冬季煤粉附著強度高切小量較達,需轉速較高,應啟動冬季運行模式。機組于302號膠帶機運行信號連鎖,運行模式位位首先接收到302號膠帶機運行信號(無源信號),除塵器清灰機構啟動5 s停止,除塵器主風機啟動運行進而真空泵啟動運行,機組螺旋清渣機啟動運行最終螺旋絞龍及清掃滾筒啟動運行。停止模式為首先膠帶停止運行訊號(無源信號),螺旋絞龍及清掃滾筒停止運行,隨后機組螺旋清渣機停止運行,真空泵停止運行,除塵器停止運行,除塵器清灰機構啟動5 s停止最終除塵機組停止運行。

螺旋絞龍式清冰器利用纏繞并焊接與主軸的6只葉片,螺旋絞龍經車削和動平衡處理,可高速運轉,由于6只葉片為螺旋盤繞安裝在主軸上,對板結在膠帶表面的凸出板結層有切削作用,而對平滑的膠帶表面并沒有傷害作用,由于的旋轉方向與膠帶運行方向相反且線速度略高,其線速度差越大清理潔凈度越好。為了防止螺旋絞龍工作時膠帶跳動,非承載面安裝防跳滾筒,以免漏粉。

4 現場應用及分析

膠帶機是主要的運輸設備,由于膠帶運行時需要眾多的設備協調作業,附著在膠帶表面的粉塵經過這些設備的震動、碰撞擠壓,會產生產生蕩塵,污染沿程環境或經擠壓粘附在設備表面影響安全運行并且由于膠帶保供運行給人工清掃帶來不便或由于清掃還會產生二次揚塵污染,給清掃人員帶來危害和安全隱患。

通過將多功能組合式膠帶機清掃機組在神華北電勝利能源有限公司302號膠帶機進行應用,實現了粉塵的有效控制和治理,并可以將附著在膠帶機表面的煤粉進清理后自動100%回收,運行過程無人值守,降低污染并且改變生產勞動環境,保障了膠帶機的安全高效運行?，F場應用照片如圖7所示。

經現場測試得出,膠帶清洗裝置運行可靠,除塵效率高,膠帶機機頭區域、膠帶廊、機尾區域粉塵有極大的改善,實現膠帶機潔凈運行,減少膠帶機故障率,改善人員的工作環境。并且由于粉塵的極度降低和減少,降低了電纜橋架、設備表面、空間地面粉塵污染,極大的降低了人工清掃工作量,降低了粉塵污染和侵蝕危害。

圖7 現場測試Fig.7 On-site testing

5 結語

針對膠帶機運輸過程中粉塵較大等問題,結合工程背景,設計了膠帶機返程干式清掃機組,清除了附著在膠帶上的粉塵,實現了膠帶機表面的干式清掃,并且可以對粉塵進行回收,實現了膠帶機的無人值守,具體研究成果如下。

(1)膠帶機返程干式清掃機組運用螺旋刀片繞中心軸旋轉而產生的切削原理以及條狀物抽打沖擊得到的振顫原理,將膠帶機表面的粉塵進行清理,利用負壓吸塵原理將隱藏于膠帶非承載和承載裂紋的微細粉塵吸除,實現了粉塵的100%回收,完成膠帶非承載和承載表面的清潔工作。

(2)膠帶機返程干式清掃機組的應用解決了膠帶運行過程帶粉及膠帶所帶的粉塵遇到滾筒、托輥等障礙物時產生擠壓、彎曲、振動、空氣擾動的作用使得附著在膠帶表面或橡膠裂紋深處的煤塵溢出的粉塵污染問題,實現了對清除煤粉二次回收,集綜合治理為一體,降低了設備運行總功率,提高了煤礦儲運設備除塵的自動化及一體化水平。

(3)膠帶機返程干式清掃機組是集膠帶煤粉清掃、煤粉回收、除塵為一體的除塵機組,該機組實現了膠帶機粉塵治理的無人值守,提高了除塵效率,降低了粉塵自燃風險,改善了人員工作環境,增加了人員積極性。由于極大地降低了粉塵的污染對設備的腐蝕和粉塵傷害,降低了設備事故率,減輕了維修維護工作量,保障了輸煤系統安全高效運行。