三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究_孙超.pdf

1262023 年第 5 期三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究孙 超（晋能控股集团山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000）摘 要 针对三元煤矿中央风井存在风流出口粉尘浓度严重超标问题，对原风流净化系统进行研究，提出中央风井风流净化系统优化改造方法，形成了中央风井风流净化系统“一体化”改造技术。中央风井排出粉尘浓度达到“良”的级别，有效解决回风井粉尘污染问题，可为类似粉尘污染超标矿井的净化系统改造提供借鉴。关键词 煤矿；回风井；风流净化；高压清洗；监测监控中图分类号 TD724 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.041Research on the Transformation Method of the Central Air Shaft Purification System in Sanyuan Coal MineSun Chao(Jinneng Holding Group Shanxi Sanyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Changzhi 046000)Abstract:In response to the serious problem of excessive dust concentration at the air flow outlet in the central air shaft of Sanyuan Coal Mine,a study was conducted on the original air flow purification system,and an optimization and transformation method for the central air shaft air flow purification system was proposed,forming an integrated transformation technology for the central air shaft air flow purification system.The dust concentration discharged from the central air shaft reaches a good level,effectively solving the problem of dust pollution in the return air shaft,and providing reference for the renovation of purification systems in mines with similar dust pollution exceeding standards.Key words:coal mine;return air shaft;air flow purification;high pressure cleaning;monitoring 孙 超：三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究 孙 超：三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究 1 三元煤矿中央风井概况矿井通风是井下安全生产的前提和保障，而风井回风流中往往含有大量的粉尘，沉降后会造成周围土壤重金属污染1-3，还会造成严重的大气污染4-6。三元煤矿中央风井配有两台 FBCDZN028 型矿用防爆抽出式对旋轴流通风机，功率为 2450 kW，风机的额定风量为 600013 800 m3/min，风压11504000 Pa。目前，风机运行频率 30 Hz，风量3900 m3/min，负压 900 Pa。在回风源热泵装置运行状态下对中央风井风流出口粉尘浓度（PM2.5、PM10）进行测量，结果见表 1。根据 2012 年制定发布的环境空气质量标准（GB 3095-2012），规定24 h平均一级35 g/m3为优，二级 75 g/m3为良，高于 75 g/m3就达到了污染收稿日期 2022-11-02作者简介 孙超（1988），男，河北沙河人，2011 年毕业于太原理工大学安全工程专业，本科，工程师，研究方向：煤矿一通三防。标准。因此，回风井粉尘排放浓度严重超标。表 1 改造前中央回风井粉尘浓度次数1234PM2.5/（g/m3）217227302302PM10/（g/m3）309310420430湿度/%85.584.886.886.8温度/13.013.112.912.9针对三元煤矿中央风井粉尘排放严重超标的问题，研究从初级雾化系统、过滤净化装置、高压清洗装置、监测监控系统四个方面，对中央风井净化系统进行改造。2 中央风井净化系统改造方法2.1 雾化系统改造对原雾化系统进行升级改造，在风源热泵系统出口处安装雾化水管，雾化喷头共 60 只（特制雾化喷嘴），共计 10 排，每排 6 只喷嘴，喷雾角度1272023 年第 5 期孙 超：三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究 孙 超：三元煤矿中央风井净化系统改造方法研究 90，用水量共计为 186 L/min。每一排雾化水管受独立阀门控制，可随时开启、关闭。该喷嘴具有雾化角度大、雾化粒径小等特点，主要针对呼吸性粉尘设计。喷头采用不锈钢材质，使用寿命长、不易结垢。雾化水管连接有水压表、流量计，能够实时将压力、流量数据传输至监测中心。影响喷嘴喷雾性能的关键参数有喷嘴腔体长径比和喷嘴直径。依据喷嘴性能和喷雾性能影响因素，建立喷嘴流场有限元仿真模型如图 1、图 2。图 1 喷嘴三维效果图 图 2 喷嘴的流场流线图仿真结果表明：腔体长径比对雾化效果影响较大，过大或过小的腔体长径比都不利于出射水流的雾化，一般取 0.10.4 的开区间比较好。出射口直径对喷嘴的整体性能影响最大，直接影响到喷雾系统整体的耗水量和供水压力，实际喷雾降尘中出射口直径不应超过 2 mm。2.2 过滤净化装置改造研究提出在初级雾化系统上方约 1.3 m 处构建过滤净化装置，过滤净化装置采用复合金属基过滤网，过滤面积约为 56 m2，过滤风速为 1.16 m/s。复合过滤网与水平面呈 10夹角，便于粉尘与水雾结合后沿过滤网流向下方。复合过滤网采用矩形组合式结构（图 3），每个矩形过滤网长宽为 1.5 m1 m，共计使用 36 个单元。安装时只需把结构单元安插入过滤窗固定支架上，旋转把手将过滤窗固定即可。组合式矩形过滤网便于后期的检修与更换。矩形组合式复合金属基过滤网优势在于强度高，使用寿命长；易清洗，可循环使用；过滤精度可调节，实现整机系统最优化过滤；组合式便于检修和维护。在过滤网上、下分别安装压差传感器，实时监测过滤网工作阻力变化。压差传感器输出端与脉冲控制仪连接，同时将压差数据传输至监控室。图 3 过滤窗结构示意图（mm）过滤净化装置工作时，抽出式风机将回风井下的风流抽出经扩散器排出，含尘气流在轴流风机的作用下被送入扩散器内，再经过初级雾化系统。在此过程中：1）含尘气流中部分大颗粒粉尘与水雾结合，并在重力作用下发生主动沉降；2）含尘气流中的微细粉尘颗粒则继续向上运动，经过过滤净化装置被捕集到过滤网表面；3）净化后的气体穿过除雾器去除雾滴后排出。随着除尘过滤的进行，沉积在过滤网表面的粉尘层厚度逐渐增加，阻力也随之增加，当过滤网表面阻力达到一定值时，压差传感器将电信号发送至脉冲控制仪，脉冲控制仪开启脉冲阀，清灰装置自动运行，通过高压喷雾将过滤网表面的粉尘剥离。污水排放至储水槽，经过处理后循环使用。2.3 高压清洗系统改造针对高压清洗系统的改造，研究提出在过滤网下方安装特制喷雾清洗喷头（图 4）。清洗喷头沿过滤网平行布置，清洗喷头距过滤网距离为 0.4 m。清洗喷头选用特制喷嘴，喷雾形状为实心广角锥型，喷雾角度6070。单个喷头覆盖范围直径0.6 m，共计使用 260 个喷嘴，单个喷嘴用水量为 0.3 m3/h。共计 13 排清洗管，每根配备 20 个清洗喷头及自动球阀，自动球阀与脉冲控制仪连接。图 4 特制清洗喷头1282023 年第 5 期高压清洗系统改造为全自动清洗装置，脉冲控制仪控制自动球阀的开启与闭合。高压清洗系统采取分排清洗方式，设置脉冲控制仪的开启周期为20 min，开启时间 1 min，清洗系统采取依次开启14、58、913 排清洗管模式间断开启。系统开启后，设置脉冲控制仪开启时间及周期。当整个系统运行 20 min 后，脉冲控制仪发出电信号开启前 4 排清洗管自动球阀，清洗管喷头开始喷雾清洗过滤网；在 1 min 后，脉冲控制仪关闭自动球阀停止清洗过滤网；在 20 min 后，脉冲控制仪接通发出信号开启中间 4 排清洗管自动球阀，对中间部位过滤网进行清洗，1 min 后停止清洗；20 min 后开启最后 5 排清洗管，依次循环工作。当过滤净化装置安装的压差传感器超过设定阈值时（压差传感器监测到过滤净化装置两侧运行阻力超限），能够立即发出报警信号并将信号传递给脉冲控制仪，脉冲控制仪控制自动球阀开始新一轮过滤装置清洗工作。改造后的高压清洗系统用水取自蓄水池温水，利用其原有热量以及矿井乏风余热，可防止过滤装置在冬天结冰。此外，蓄水池中加装电加热辅助装置，当遭遇极端寒冷天气时，过滤装置因结冰致使系统阻力过大，可启用应急方案，开启电加热辅助提供热水，通过高压清洗系统喷淋热水溶解过滤装置表面冰层，降低系统阻力以保证其正常运行。2.4 监测监控系统改造在净化系统出口处安装 2 只 GCD1000 粉尘浓度传感器实时监测回风井粉尘排放浓度，并将实时数据发送至监控室。在回风井口附近安装 LED 粉尘浓度显示标牌，实时显示出风口粉尘浓度变化。研究采用智能物联网脉冲控制仪实现系统的自动化与远程监测监控功能。可通过手机、电脑等移动终端对系统运行参数（如风速、温度、粉尘浓度、内外压差等）进行实时监测监控，判断运行参数是否超过设定阈值，实现报警功能及连锁控制。同时，还可以远程操控设备喷雾与高压清洗系统的开机、停机、重启，以及对系统的运行参数进行调整，选择定时、定阻清洗方式，设置清洗间隔、清洗时长、周期间隔等参数，实现了回风井粉尘排放浓度的精准监测与监控。3 净化系统改造效果分析三元煤矿中央风井净化系统改造后，对中央风井风流出口粉尘浓度（PM2.5、PM10）进行了再次测量，测量结果见表 2。表 2 改造后中央回风井粉尘浓度次数1234PM2.5/（g/m3）43454645PM10/（g/m3）54535556湿度/%85.785.286.386.2温度/13.313.213.113.2三元煤矿中央风井净化系统改造后，中央回风井排出粉尘中 PM2.5 平均含量为 44.75 g/m3，PM10 平均含量为 54.5 g/m3，粉尘排放浓度低于75 g/m3，达到良级别。净化系统改造前，中央回风井排出粉尘中 PM2.5 平均含量为 262 g/m3，PM10 平均含量为 367.25 g/m3。通过对净化系统改造前后进行对比，PM2.5 平均含量降低 82.9%，PM10 平均含量降低 85.3%，系统改造效果显著，有效解决了三元煤矿中央风井粉尘浓排放超标问题。4 结语针对三元煤矿中央风井粉尘净化系统改造需要，研究提出了中央风井净化系统改造方法，包括雾化系统改造、过滤净化装置改造、高压清洗系统改造及监测监控系统改造，形成了“一体化”净化系统综合改造技术。通过现场实践，中央风井排出粉尘浓度达到“良”的级别，有效解决了该矿中央风井粉尘浓排放超标问题。【参考文献】1 陈凯，宋亚新，王卓龑，等.李家壕煤矿粉尘特性及音爆雾化降尘系统应用 J.能源与环保，2021，43（12）：14-19.2 杜芳.试论煤矿粉尘浓度监控系统 J.当代化工研究，2021（19）：49-50.3 王文宽.煤矿粉尘综合防治体系构建探索 J.山西煤炭，2021，41（03）：2-8.4 成连华，曹东强，郭慧敏，等.基于过程方法的煤矿粉尘综合防治评价体系构建及应用 J.煤矿安全，2021，52（08）：182-1