信息化矿山建设中的智能化除尘系统设计

马 骏

(国家安监总局职业安全卫生研究所 (煤炭工业职业医学研究所),北京市门头沟区,102300)

★煤炭科技·机电与信息化 ★

信息化矿山建设中的智能化除尘系统设计

马 骏

(国家安监总局职业安全卫生研究所 (煤炭工业职业医学研究所),北京市门头沟区,102300)

介绍了一种新型煤炭粉尘治理新模式。该治理模式通过将粉尘在线监测技术、喷雾降尘技术、数字控制技术有机结合,降尘装置可根据监测数据,智能化的实施喷雾降尘,同时监测数据可作为煤矿信息化建设的重要基础数据。

粉尘污染 信息化 在线监测 高压喷雾

AbstractThis paper introduces a new control method of coal dust pollution.Based on a rationalized combination of on-line dust monitoring,water mist spraying for dust suppression and digital control technology,the dust suppression system can command the high-pressure water mist spray work intelligently in line with relevant monitoring data. The monitoring data also serve as an important source of information for digital coal-mine construction.

Key wordsdust pollution,informatics,on-line monitoring,high-pressure spray

粉尘是煤炭行业主要危害因素之一,不仅引起安全事故,而且会导致尘肺,因此,粉尘控制历来为煤炭行业所重视。我国粉尘污染的治理模式通常是监测和除尘分别进行,基本上没有起到检测结果指导防尘降尘的作用。目前,重庆煤科院、郑州光力科技等单位成功应用信息化技术,提出了将粉尘在线监测技术与喷雾降尘设备有机结合的新型粉尘治理模式,在煤矿粉尘治理领域的信息化发展中实现了技术和理念上的突破。

1 智能化除尘模式工作原理

煤矿粉尘在线监测与喷雾降尘相结合的工作模式示意图如图1所示。

煤矿粉尘在线监测与喷雾降尘相结合的粉尘治理系统通常由感测模块、智能控制模块、喷雾模块、数据传输模块组成,其目的是通过粉尘浓度的实时监测,与喷雾降尘控制实现联动,使除尘能够做到有的放矢,而最终实现智能化、自动化,其工作模式有以下3种。

图1 煤矿粉尘在线监测与喷雾降尘相结合的工作模式示意图

(1)通过感测模块检测到粉尘浓度数据、经由信息处理模块传输至智能控制模块,根据数据处理结果,确定是否实施喷雾降尘。

(2)通过感测模块检测到粉尘浓度数据、经由信息处理模块传输至智能控制模块,并最终传输至煤矿信息控制中心,由控制中心下达指令,实施降尘。

(3)现场工作人员根据所测得的数据直接控制喷雾模块,直接实施降尘。

2 智能化除尘模式系统组成

2.1 感测模块

感测模块的功能是实时在线提供现场工作环境的粉尘浓度数据,并能够进行参数自校正和数据输出。此外,由于国内煤矿大多为深井,自然条件恶劣,该模块还需有良好的防水、防尘性能。

目前粉尘浓度在线监测常用自然光散射法与激光前向散射法。

(1)自然光散射法。自然光散射法是利用一定能量的光透过含尘空气时,产生信号衰减,信号衰减量和所测环境粉尘浓度有一定关系,据此测得粉尘浓度,采用该方法的传感器通常由光源、光电转换器、粉尘测量系统、抽气系统、粉尘过滤器和控制电路组成。

(2)激光前向散射法。激光前向散射法是国际上近几年新出现的一种粉尘在线监测技术,它是利用激光在穿过空气中的粉尘、烟雾等微粒时,发生散射作用,经过光栅调制后通过透镜汇聚进行光电信号检测。粉尘传感器通过测量光电信号得到粉尘浓度。采用该方法的传感器由激光器、光学系统组件、信号处理与单片机 (微处理器)系统组成。

自然光散射法测量不同的粉尘需要不同的修正系数,且在煤矿井下使用时,维护和校验工作量很大,应用范围受到很大限制。而激光前向散射法由于通过光路的调制作用,使得光的散射强度只与入射角有关,这一点至关重要,可以和便携式β射线粉尘仪相媲美 (β射线粉尘仪虽有很多优点,但很难用于在线监测),测量结果仅与被测粉尘颗粒的质量有关,与粉尘颗粒的材质、形状、表面光洁度、浓度和颜色等无关,这使它成为粉尘浓度间接测量方法中较精确的一种,适合于国内煤矿使用,是未来在线粉尘浓度监测技术的主要发展趋势之一。

2.2 喷雾模块

喷雾降尘是国内煤矿掘进面、采煤工作面、液压支架移架等工作场所采用的主要降尘技术,也可用于煤矿生产的运输、转载、净化风流等环节。它的除尘是通过喷雾器或洒水器来实现的,水通过喷雾器时,由于旋转和冲击作用,喷射于空气中而形成雾状水珠。这种雾状水珠与悬浮在空气中的尘粒相遇后尘粒被湿润,一部分直接落下来,一部分随着风流飘移,尘粒之间互相碰撞,粘结成较大尘粒时再落下来。研究表明,喷雾降尘的效率与雾化粒径、水滴与尘粒的相对速度、水压等多方面因素有关。

(1)雾化粒径。如果雾滴粒径大,则水的分散性差,雾滴数量少,与粉尘碰撞、拦截的概率小,捕尘效果差;但是雾滴粒径过小,在空气中的时间过短,还未与粉尘碰撞就可能气化。一般认为,雾粒粒径越接近所要捕集粉尘颗粒粒径的直径,降尘效率越高,因而粉尘直径越小,最宜液滴直径也越小。

(2)雾粒与尘粒的相对速度。相对速度越高,两者碰撞时的动量越大,有利于克服水的表面张力而将尘粒湿润捕获。但因风流速度高,尘粒与水滴接触时间缩短,会降低捕尘效率。

(3)水压。喷雾洒水降尘的过程,是尘粒与水滴发生碰撞、湿润、凝聚、增重而不断沉降的过程。当增大供水压力时,会在很大程度上提高雾化程度,增加雾滴密度和雾滴的运动速度,增加尘粒与雾粒之间的碰撞机会和碰撞能量,使细微粉尘易于捕捉。同时,高压洒水能使射体雾滴增加带电性,产生静电凝聚的效果。

综合上述考虑,智能化除尘模式的喷雾模块绝大部分采用了高压外喷雾装置,水压可高至8～10 MPa,雾化粒径在30～50μm以下 (呼吸性粉尘粒径为5μm)。

此外,有的设备还配置喷雾粒径控制单元,通过球阀开关量、压力的调节等措施,控制喷雾雾粒的粒度分布范围,达到最优的降尘效率。

2.3 智能控制模块

智能控制模块是整个降尘模式中枢控制系统,通过信息化技术的应用,实现数据信息处理、灯光语音提示、数据处理、喷雾控制、信息显示等多种功能。此模块的硬件构成主要包括CPU、存储器、隔离器件、电源稳压电路、信息传输电路、开关量输出电路等组成。

(1)CPU。多采用抗干扰能力较强、适用于煤矿井下的工业级CPU,使用较多的CPU包括STC89C54RD+、S3C44B0X等型号。

(2)存储器。它的功能主要用于存储放电后仍需要保存的代码和数据,以及在实时在线测量时所产生的冗余数据等,因而多数存储器的选择为非易失性、低功耗、大容量和擦写速度快的Flash存储器。

(3)隔离器件。主要实现电源隔离、信号隔离等功能,多采用快速光电耦合元器件。

此外,由于市场用户需求不同,有些产品在控制单元加入了声、光、触、控等多种传感器,以利于用户更加方便的使用。

2.4 数据传输模块

目前煤矿所采用的信息传输多为232、485模式,因此此电路的设计大多为232、485的处理模式。但随着数字化矿山的建设,CAN总线传输方式的传输是不可避免的,也有部分厂商设计了兼容CAN数据模式的电路。

此外,为防止数据丢失,多数系统在数据传输协议中加入防丢包协议,以便数据传输的准确、稳定。

3 结语

目前,国内已经有部分煤矿使用此类智能除尘系统,如兖州煤业股份有限公司的煤矿粉尘在线监测及联动自动喷雾降尘控制系统、淄博矿业集团有限责任公司、双鸭山矿业集团公司的智能喷雾装置等,经试用后表明:

(1)智能化系统通过有的放矢的工作模式,实现了井下连续实时粉尘浓度检测和智能化的除尘,有效地改善了井下作业环境,使煤尘对井下作业人员的危害大大降低。

(2)通过采用设置粉尘浓度报警值和上限喷雾值等方法,实现了智能化、集约式的喷雾除尘模式,降低了传统降尘所消耗的人力、水、电等资源,为煤矿企业降低了污染治理的成本。

(3)通过与井下主干网络的联机应用,使管理人员可以在调度室、办公室等终端实时掌握井下粉尘污染和喷雾除尘状况,方便煤矿井下粉尘监测和治理的管理,实现了办公自动化,促进了煤矿管理模式的转变。

这种智能化系统模式,代表了信息化技术在我国粉尘治理领域的一次初步成功应用,是一次科技创新尝试,但由于采掘技术的落后、行业人才的匮乏等因素,我国煤矿粉尘治理的信息化还有许多不足,需要进一步发展创新,包括:

(1)进一步加强对煤尘监测技术的创新,研制出更为稳定、准确的粉尘浓度传感器。

(2)将检测技术与除尘技术横向结合,开发出适合煤层注水、通风稀释等除尘方式的智能化除尘技术。

(3)进一步发展矿井信息传输技术,实现煤矿生产建设的整体信息化。

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(责任编辑 路 强)

Design of an intellegent dust suppression system in the wake of digital mine construction

Ma Jun
(Institute of Occupational Safety and Health,State Administration of Work Safety, Mentougou district,Beijing 102300,China)

TD67

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马骏 (1963-),男,教授,主任医师,硕士生导师,国务院特殊津贴获得者,国家安全生产专家,国家煤矿安全监察局职业危害专家组组长,卫生部职业卫生技术服务专家库专家,中华预防医学会第四届理事会理事,煤炭工业职业医学专业委员会主任,获部级二等奖三个、三等奖三个。发表论文二十余篇,出版著作五部。