可调式真空射流卷吸工业粉尘净化方法及装置

本发明可调式真空射流卷吸工业粉尘净化方法及装置，涉及高浓度工业粉尘净化领域。

背景技术：

随着现代工业经济的迅速发展，工业粉尘污染俞加严重，对人体的危害呈现多元化，尤其是在一些高浓度粉尘场所问题更为突出，例如采煤、掘进、隧道爆破、脱硫脱硝、工业锅炉等场所。一部分工业场所的粉尘，易引起人体中毒甚至死亡，例如有毒的金属和非金属粉尘，有机类和无机类粉尘等；另一部分工业粉尘，比如采煤、掘进或爆破过程产生的煤岩粉尘，长时间的暴露与该粉尘环境下会在人体肺内沉积，造成严重的尘肺病，并且部分粉尘具有爆炸性，高浓度聚集增大了发生爆炸事故的风险，严重威胁人员生命财产安全。尽管当前已经涌现许多除尘手段和技术，但工业粉尘污染的形式依然严峻。

目前国内常用的除尘手段包括喷雾除尘、负压除尘、通风除尘和水幕除尘等，这些方式都取得一定的成就，但效果并不显著，例如掘进机与采煤机上的内外喷雾系统有一些明显弊端，包括喷头易损坏、雾化效果难以控制等；当前也有一些负压除尘装置的出现，并装载于掘进机和采煤机上，这些装置在除尘效果上有了一些提升，但除尘效率还欠缺提高；因此针对高浓度工业粉尘治理，本发明提出了一种可调式真空射流卷吸工业粉尘净化方法及装置，进行了结构上的新设计和改进，可以有效提高除尘效率，改善除尘效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可调式真空射流卷吸工业粉尘净化方法及装置，能够有效降低工业粉尘浓度，显著提升除尘效果，减轻对人体及环境的危害。

为解决上述问题，本发明的实施例采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种新型射流负压除尘装置，包括：调节装置、吸尘孔、射流体、螺旋凹槽圆锥体、连接装置。

在所述渐缩管的壁面设有吸尘孔，吸尘孔垂直于壁面，上下左右对称布置在吸入室壁面，沿射流方向吸尘孔之间的距离l逐渐增大，吸尘孔孔径dk呈等差减小，即越靠近喉管的吸尘孔孔径越小。

在所述渐缩管壁面的吸尘孔，限制孔的风速小于10m/s，用以保证除尘效果，防止出现因吸穿现象导致的吸尘量减小和除尘效率下降的情况。

优选的，在吸尘孔的外部接有喇叭状的集尘结构，外部煤粉尘通过此结构进入到除尘装置中，所述结构保护该装置，避免大量的煤粉尘颗粒撞击吸尘口，减少磨损。

优选的，所述喷嘴安设有一种花孔结构，该结构的开孔率高于90％，所开小孔由圆心向四周辐射排布，各位置处的小孔半径由离圆心的距离r决定，中心处小孔半径r1与任意位置r2处的小孔半径比值满足各小孔流出质量相同，形成稳定的汽化现象，保证除尘装置吸尘的稳定性。

优选的，所述喷嘴内部截面积逐渐减小，内部流体速度越来越大，由喷嘴的花孔处喷出高速流体，吸入室内形成超强负压，达到临界极限负压，即最优吸尘负压。

优选的，当进出口压力比值pi/po调整到一定范围内，可控制激波出现的范围，所述压力比值的调整，控制激波出现范围为扩散管长度的1/3到3/4，激波的存在煤粉尘与工作流体更充分的结合，显著提高的沉降效率。

优选的，所述装置采用特殊结构尺寸，所述渐缩管的收缩角α应小于20°，所述扩散管的扩散角β应小于10°，所述喷嘴出口和所述喉管入口之间的距离lp与喷嘴直径d之比为0.5～1.5，所述喉管长度l与其直径d之比为4～6。

优选的，所述喷嘴所在的结构存在调节装置，调节装置主要由摇杆，斜齿轮，以及喷嘴上的斜齿条构成，通过齿轮转动，将定轴转动转化为平动，稳固精准调节喷嘴出口端与喉管入口端的距离，可根据实际需要调整所述装置的结构参数，以便达到最佳性能。

优选的，所述装置与管路连接间均设置胶皮密封垫片，所添加垫圈在运动状态下保持良好的承压性，具有较强的耐磨特性，有较长的使用寿命。

优选的，所述装置内部，渐缩管与喉管的连接处、喉管与扩散管的连接处以及扩散管出口端，均设置类三次方曲线形圆角，减轻冲击伤害防止回流。

优选的，所述装置使用防空蚀材料，包括钛基合金、记忆合金等一系列防空蚀材料，重点涂抹在喉管前端以及喉管末端、喉管中部易空化区域以及渐缩管靠近喷嘴易于空化区域，防止气泡溃灭损伤除尘装置。

优选的，所述连接装置由四大部分组成，分别是固定底座、水平旋转结构、垂直转动结构和发明固定装置，固定装置可方便更换所述除尘器，两转动结构控制除尘器水平和垂直的角度调整，垂直转动角度范围为0～60°，水平转动角度范围为0～180°。

本发明实施例提供的可调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置安装在采煤机上，其具体装设于采煤机摇臂上方，可随摇臂的运动而改变位置，该装置水平放置，使用设计的连接装置进行固定，所述发明装置的出口端朝向滚筒所在方向，方便控制除尘器的水平垂直转动角度，实现靶向控除尘，；

采煤机供给管路为两部分，第一部分，地面水池提供静压水，通过供水管路输送至井下，后由分支管路输送至采煤机处，在三通结构下分别向两侧摇臂处的除尘装置输送工作流体，由高压胶管输送至所述除尘装置；第二部分，利用采煤机喷雾的工作管路，使用三通连接在第一部分供给管路上；高压流体经过带花孔结构的喷嘴，形成高速射流，在吸入室内形成稳定负压；周围大量煤尘由吸尘孔吸入渐缩管，在所述喉管内部，煤尘与工作流体相互碰撞结合达到降尘目的，流至扩散管；在所述扩散管内部，扩散管几面逐渐变大，压力逐渐升高，在所述扩散管出口喷出高速流体在周围形成负压场，煤尘被卷吸到其中实现二次降尘。

本发明实施例提供的可调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置装载在掘进机上，同采煤机相同利用设计的一种可更换式连接装置进行装载，将该发明装置装设在摇臂上方中间位置，该发明装置朝向掘进头喷射，其可随摇臂的运动而改变位置；

掘进机包括内外两种供给管路：外部管路，由地面水池提供静压水，通过供水管路输送至井下，然后通过分支管路输送至掘进机处，由高压胶管输送至所述除尘装置；内部管路，借用掘进的内喷雾系统的工作管路，其分支管路利用三通结构与外部管路连接在一起，共同构成除尘器的工作管路。

优选的，所述发明装置采用脉冲射流的工作方式，使用脉冲发生器产生脉冲射流，脉冲波形采用矩形脉冲波形，该波形运行较好，提高效率和吸尘量，脉冲周期t小于0.06s。

优选的，在扩散内安设带有螺旋凹槽的圆锥结构，所述装置固定在扩散管外壁上，所述圆锥的高度h应小于扩散管的长度，其表面的凹槽宽度w的范围应保持在(1/8～1/10)h，其任意三角形剖面顶角γ<β，即扩散角。

本发明实施例提供的可调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置，利用齿轮齿条将转动转为平动，精准调节喉嘴距；采用垂直穿孔的方式吸收粉尘，吸尘孔对称排布，由负压大小程度调整孔径大小和间距，保证吸尘的稳定性、均匀性；所述集尘罩，减免碰撞磨损，提高吸尘效率；所述喷嘴采用花孔，保证所述吸入室内空化稳定性，提供稳定工况，实现稳定高效除尘；所述装置使用防空蚀材料，包括钛基合金、记忆合金、金属涂层等防空蚀材料，减少气泡溃灭对装置的损伤，保证装置的使用寿命；所述装置合理装载与采煤机、掘进机上，使用脉冲射流的工作方式，提升工作效率，节约成本，有良好的除尘效果；连接装置可自由调整引射方向，实现靶向精准控除尘。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置；

图2为本发明装置除尘原理示意图；

图3为吸尘孔外接集尘罩结构示意图；

图4为图1中调节装置结构示意图；

图5为喷嘴处花孔结构示意图；

图6为发明装置各位置圆角示意图；

图7为发明装置连接装置结构示意图；

图8为本发明装载掘进机及工作管路示意图；

图9为本发明装载采煤机示意图；

图10为本发明装载在采煤机上的工作管路图；

图11为扩散管内部螺旋凹槽圆锥体示意图；

图12为扩散管内部螺旋凹槽圆锥体装载示意图。

图1中：1-调节装置；2-吸尘孔；3-喷嘴；4-渐缩管；5-喉管；6-扩散管；7-螺旋凹槽圆锥体；

图4中：1-1-喷嘴齿条；1-2-摇杆；1-3-齿轮；

图7中：16-1-垂直转动结构；16-2-固定装置；16-3-水平转动结构；16-4-固定底座；

图8、10中：7-除尘装置；8-三通；9-高压胶管；10-脉冲发生器；11-截止阀；12-过滤器；13-截止阀；14-进液管；15-掘进机或采煤机；16-连接装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示本发明提供了一种可调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置，主要包括七个部分，分别为：调节装置1、吸尘孔2、喷嘴3、渐缩管4、喉管5、扩散管6、螺旋凹槽圆锥体7；该剖面图可以清楚看出，调节装置可便捷精准调整喷嘴距，粉尘由多排吸尘孔引入装置内部，扩散管内的凹槽螺旋装置促使粉尘与工作流体碰撞凝聚，最后从扩散器出口端喷射而出。

所述吸尘孔在渐缩管壁上下左右对称均匀分布，保证周围粉尘稳定吸入，吸尘孔的孔径dk以及间距l设置按照内部吸入室内部负压分布选取，吸尘孔孔径dk沿工作介质流动方向等差减小，即越靠近喉管进口段孔径越小，另外孔与孔之间的距离l在射流方向上呈现增大的趋势，按照此规律设计吸尘孔用来保证所述装置各孔吸尘均匀吸尘也同样保障装置的稳定运行；

除尘过程中应保证吸尘孔最大风速小于10m/s，以防风速过大出现吸穿现象，影响除尘效果，即粉尘只沿风流外侧吸入，使得吸尘量大大减小，装置的吸尘效率降低。

可选的，如图1所示，所述发明装置选取特殊的尺寸，所述喷嘴出口和所述喉管入口之间的距离lp与喷嘴直径d之比为0.5～1.5，所述喉管长度l与其直径d之比为4～6，所述渐缩管的收缩角α小于20°，所述扩散管的扩散角β小于10°，选用特殊尺寸用以保证该装置较高的除尘效率以及稳定运行。

所述装置的工作原理，装置利用射流体喷嘴产生的极限边界效应，在吸入室内形成超强真空，压力降至pc达到临界极限负压并出现空化，此时即为最优吸尘负压，粉尘的引射强度达到最大，外部粉尘在最大负压作用下，由多排吸尘孔被稳定地引入装置；喉管内粉尘与工作介质碰撞结合，失去扩散能力；扩散管内在螺旋锥体辅助下进一步充分碰撞凝聚，高速射流在出口端喷出形成负压场，周围高浓度粉尘被卷吸进入射流中，实现二次降尘。

本发明装置的工作过程为：工作流体通过进液管进入喷嘴腔，由于喷嘴结构其截面面积逐渐减小，使得内部工作流体流速逐渐变大，在喷嘴3高速喷出；高速射流进入到渐缩管4内，高速的流动造成内部压力迅速下降，形成负压；内外压力差的作用下，粉尘由吸尘孔2吸入装置内部实现首次降尘；粉尘与工作流体在吸液腔内混合一同流入喉管5，在喉管5内部相互碰撞实现粉尘与工作介质的充分碰撞结合，使粉尘失去扩散能力；然后流至扩散管6，在扩散管内部进一步碰撞凝聚；由于其结构呈现一个内部截面积逐渐增大的形式，所以压力随着逐渐上升，最后从出口端高速喷射而出。

图2所示，为装置净化原理示意图，由图可知净化粉尘由四个阶段组成：第一阶段，混合阶段，煤粉尘被吸入后在喉管ⅰ段与工作流体充分混合；第二阶段，碰撞结合阶段，在喉管ⅱ段煤粉尘与工作流体相互碰撞结合成团；第三阶段，净化阶段，在扩散管ⅲ段进一步加强碰撞凝聚，粉尘得到净化；第四阶段，卷吸阶段，混合流体由扩散管出口端喷出，在周围形成负压，卷吸周围煤粉尘实现二次净化。

图下方所示的曲线图可以看到，随着工作流量q的不断增大，吸尘量随之不断增大，而装置内的负压是随之减小的，当工作流量增至一定值时，吸尘量q和负压p同样达到临界极限值。在此状态下，所述装置达到最佳吸尘负压，粉尘引射强度达到最大，所述发明装置利用此工况点实现高效稳定除尘。

可以理解的是，高速流体由喷嘴喷出时，在吸入室内部形成超强真空，达到极限临界负压，此时也为最佳吸尘负压；通过调整进出口压力比值在一定范围内，可控制图2中所示的激波的出现位置，调整压力比值控制激波出现范围为扩散管的1/3～3/4处；激波在这个范围内出现，能够对对工作流体产生更好的破坏效果，使流体破碎以至形成更大的接触面积，比面积的增大使得流体与粉尘碰撞更为频繁，强化了粉尘捕集，提升捕尘效果。

图3所示，为小型喇叭状集尘口的示意图，设置在在吸尘孔的外部，外部煤粉尘通过此结构进入到除尘装置中，所述结构扩大了集尘范围，可以吸入相对无此结构更多的煤粉尘，可以提高除尘效率。所述结构在一定程度上也起到保护除尘器的作用，大量煤粉尘有序的从喇叭状集尘结构中进入装置，避免了大量的煤粉尘颗粒在被吸入时撞击冲蚀吸尘口，减少装置磨损，延长使用寿命；

图4所示，为该发明装置调节结构示意图，该调节装置主要由斜齿轮、斜齿条和摇杆组成，可以理解的是，斜齿轮与斜齿条相互可将定轴转动变为平动，可以便捷准确地调整喷嘴与喉管的距离，用以根据实际需要调整所述装置的结构参数，以便达到最佳性能，并且斜齿轮与斜齿条的啮合度高，运行非常的平稳。

可选的，渐缩管与喷嘴连接处及其他连接处均设置有密封胶皮垫圈，所述垫圈具有以下特殊属性，在运动状态下能够保持良好的承压性，并且具有较强的耐磨特性，用以保证较长的垫圈使用寿命。

在本实例中，如图5所示，喷嘴采用特殊花孔结构，在其上下左右有四个螺纹结构，用以固定在喷嘴处，该结构的开孔率应高于90％。

假设喷嘴出口半径为r0，平面任意位置到圆心的位置为r，管内中心最大流速为vmax，任意r位置处流速为v，花孔结构中心处的小孔半径为r1，任意r位置处的小孔半径为r2，

圆管内任意r位置流速满足方程，

为保证花孔结构各孔流出质量均匀应满足，v1s1＝v2s2

小孔面积满足，s＝πr²

可以得到，

化简得，

故可得，

按照此比例设置各小孔的大小，以保证花孔结构的均匀性，稳定性。

如图所示的花孔结构，假设小孔的工作流量为q，

则可以得到，q＝vs＝v×πr²

为使小孔流速达到声速，应满足v＝c，

故此时可得到，qc＝c×πr2，

因此当工作流量达到qc时，小孔流速为音速。

可以理解的是，图6所示结构，在所述装置a、b、c三处，即渐缩管与喉管的连接处、喉管与扩散管的连接处以及扩散管出口端均设有类似三次方曲线的圆角，首先位置a处的圆角保证平稳圆滑过渡，减轻对装置内部的冲击冲蚀，延长装置的使用寿命，b、c位置的圆角设置减轻冲击并可以防止回流等状况的出现。

可选的，所述装置内部采用防空蚀材料，例如钛基合金、记忆金属等一系列防空蚀材料，这些材料拥有特殊性质，能够很好的保护除尘装置；当装置达到极限工况时发生的空化，产生气泡当气泡溃灭时会产生一个破坏作用，空蚀部位主要是喉管前端和后端，喉管中部以及吸入腔易空蚀部位，都需要涂抹防空蚀材料，用以减小破坏作用延长装置的使用寿命。

如图7所示，为连接所述发明的连接装置，该装置由垂直转动结构16-1、发明装置固定结构16-2、水平旋转结构16-3和固定底座16-4组成，结构16-3可以水平转动能够调节除尘装置水平方向上的角度，结构16-1可以上下转动用以调节除尘装置出口端的角度，该连接装置能够实现根据巷道内部粉尘浓度来调整除尘装置的角度，所述装置的水平转动角度范围为0～180°，垂直转动角度范围为0～60°，可实现精准靶向除尘；此外，固定除尘器的装置是一个圆柱形外壳，上方由螺丝进行固定，该装置可以方便拆卸，当遇到除尘装置发生损坏或其他故障时，可方便更换除尘装置，不影响正常的除尘工作。

图8所示，为所述发明装置装载于掘进机以及工作管路示意图，所述发明装置安装在掘进机的切割臂上，安装此位置可随摇臂位置的改变而改变，用以确保粉尘在所述装置的除尘范围内；除尘装置使用图5所述装置进行固定，固定底座16-4通过焊接手段固定在切割臂上方，垂直转动结构16-1通过水平转动结构16-3相连接，两个结构共同作用可以保证除尘器朝向特定位置运作；除尘器安设在固定装置16-2上，该装置可方便更换除尘装置，方便清理和更换，所述除尘装置扩散管的出口端朝向掘进头。

图8中包含掘进机上除尘装置的供给管路图，供水包括内部供水和外部供水两种：外部供水，静压水由供水管14输送至过滤器12内，在供水管14和过滤器12在之间设置了一个截止阀13，利用截止阀13控制流经过滤器工作流体的量，方便对过滤器的维修清理；所述过滤器12用以净化工作流体，输送的工作流体内部难免会出现一些杂质，利用净化器防止阻塞管道避免发生事故；高压胶管9连通所述除尘装置，工作流体沿高压胶管流至位于掘进机摇臂正上方的射流除尘装置；在高压胶管上设有一个截止阀11，利用该截止阀便于控制除尘装置的启动与关闭；内部供水由掘进内喷雾供水管路提供工作流体，从内喷雾管路中的一支利用三通结构与外部供水管路相连接，构成内外结合的供给管路。

图9所示，为所述发明装置装载在采煤机的示意图，可以理解的是，除尘装置安装在采煤机的摇臂上，安装在摇臂位置上可以保护除尘器，并且可随摇臂的移动而移动，确保除尘装置的除尘范围；连接装置同掘进相同采用图5所述结构连接，固定底座16-4通过焊接手段固定在切割臂上方，垂直转动结构16-1通过水平转动结构16-3相连接，两个结构共同作用可以保证除尘器朝向特定位置运作，实现靶向精准除尘；除尘器安设在固定装置16-2上，该装置可方便更换除尘装置，方便清理和更换，所述除尘装置扩散管的出口端朝向掘进头。

图10所示，为所述除尘净化装置在采煤机上的供给管路图，静压水由供水管14输送至过滤器12内，在供水管14和过滤器12在之间设置有一个截止阀13，所述截止阀13可控制流经过滤器内部工作流体的量，方便对过滤器进行清理维修等；过滤器12用以净化工作流体，由于除尘装置对水质要求较高，要清除里边杂质，防止阻塞管道引起事故；高压胶管9连通所述除尘装置，工作流体沿高压胶管流至三通结构，然后分别流向前后滚筒处的除尘装置；在高压胶管上设有一个截止阀11，利用该截止阀便于控制除尘装置的启动与关闭；高压流体进入除尘装置后，由喷嘴喷出高速流体，吸入腔内压力骤降，并与外界气压形成了巨大压差；当采煤机15运作切割煤壁时，切割产生的大量煤尘在此作用下通过吸尘孔被卷吸进入吸入室内，与工作流体在装置内部相互碰撞形成混合流体，一同从扩散管出口端喷出；高速流体喷出后，在其周围形成了一个大的负压场，故采煤机滚筒切割产生的大量煤尘同时被卷吸进内部实现了二次降尘。

可以理解的是，在掘进机和采煤机工作管路均设置有脉冲发生器，如图8和10所示，利用脉冲发生器10产生脉冲射流，在使用脉冲射流时，脉冲发生器采用矩形脉冲射流波形，脉冲周期t应小于0.06s。采用矩形射流波形的吸尘量较好运行比较稳定，脉冲周期t过长会导致吸尘量减小，吸尘性能低于恒定射流，故在波形以及周期选择时要灵活选用。相较于恒定射流的工作方式，脉冲射流可以有效增大吸尘量以及显著提升所述除尘装置的工作效率，并且选择脉冲射流的工作方式要比恒定射流有着更小的能量消耗，这对提升效率和降低能耗有着重要意义。

图11所示，为扩散管内部螺旋凹槽圆锥体示意图，所述圆锥装置顶角γ应小于等于扩散角β，避免装置形成阻挡，以保证混合流体顺利流出，所述装置的高度h应小于扩散管的长度，便于装入扩散管内部。另外如图所示，在圆锥体外壁上带有螺旋凹槽，凹槽宽度为w，该值范围为(1/8～1/10)h，所述螺旋凹槽的存在，促使流体沿凹槽流动，在此凹槽作用下帮助工作流体与煤粉尘在扩散管内进一步碰撞凝聚，提升除尘效率。

图12所示，为上述装置装载扩散管内部示意图，可以看到的是，所述圆锥体在其底部通过三根扁平较窄的不锈钢板连接在扩散管尾端，采用扁平窄小的钢板减小对混合流体的阻挡，扩散管出口端的断面上开设有凹槽，钢板可嵌入其中再由螺柱进行紧固，该固定方式拆卸简单，安装稳固，并且很大程度上减轻对混合流体的阻挡。

本发明提供的可调式真空射流卷吸工业粉尘净化装置及方法，非常适用于采煤、掘进、隧道爆破、脱硫脱硝和工业锅炉等高浓度粉尘场所，能够实现稳定的吸尘，净化效果好；本实例提供的装置还可以方便地调节角度，可根据实际需求，有效针对高浓度粉尘区进行除尘降尘，所述装置结构非常简单且安装方便，尤其对于井下除尘，考虑到矿井下除尘的需求，所述装置拥有高度的本质安全性，该装置适用于多种环境，结构简单可靠，拥有着广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，而并非对本发明的限定，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。