全自动气水联动雾化降尘系统的研究与应用

胡耀杰(阳泉市燕龛煤炭有限责任公司 程庄煤矿，山西 阳泉 045000)

·技术经验·

全自动气水联动雾化降尘系统的研究与应用

胡耀杰
(阳泉市燕龛煤炭有限责任公司 程庄煤矿，山西 阳泉 045000)

针对胶带巷中转站内空间布置的复杂性以及传统喷雾降尘系统的局限性，提出并设计了由粉尘浓度自动监测与报警、行人红外感应、煤流监测、自动喷雾和远程控制5个单元组成的全自动气水联动雾化降尘系统，阐述了它的信号传输方式、工作原理和操作注意事项，并在某矿2 090 m巷道断面处进行了应用试验。实践结果表明：该系统结构简单实用、运行稳定可靠，既能及时自动启闭喷雾，取得良好的降尘效果，又能智能调节喷雾量，经济实用，具有大范围推广的应用价值。

全自动气水联动雾化降尘系统；降尘效果；喷雾量

受限于巷道空间布置的复杂性，湿式喷雾仍是目前煤矿井下最佳的降尘手段。传统的喷雾降尘装置(系统)大多依靠人工手动操作或电动智能控制来实现开停，但是前者存在人员需求多、劳动效率低、易遗忘等不足，电动智能控制喷雾装置又存在成本高、环境要求苛刻、故障率高、维护周期短等缺陷[1,2]. 当前，设备智能控制技术的发展为喷雾降尘的远程集中化、自动化提供了发展动力，且气水雾化理论研究的成熟促进了喷雾除尘工艺的优化改进[3-5]. 基于此，本文以某矿的胶带巷中转站为依托，开展全自动气水雾化除尘系统的研究与应用效果分析。

1 工程背景

某年产千万吨的现代化矿井采用斜井提升的运输方式，单日最大原煤产量可达5～6万t，经主斜井胶带运出地面。主斜井全长近5 000 m，胶带运速高达5 m/s，最大运煤量4 800 t/h. 由于距离长、载荷大、速度快，在主斜井巷道里程2 100 m附近设置中转站进行运输过渡，中转站内具有设备繁多、空间狭小、风流不稳、温度高特点，加上转载点煤流的快速抛掷，导致此处的粉尘浓度严重超标，实测巷道内粉尘浓度最高可达306.83 mg/m3，不仅影响巡查作业视线、损害职工身心健康、加速设备轴承磨损、污染下游巷道风流，还埋下了煤尘自燃或爆炸的安全隐患。虽然在落煤口上风侧附近安装了单相喷雾装置，但降尘效果不佳，且洒水量过大，造成中转站胶带打滑、路面积水；此外，人工关停喷雾时，需穿梭于大型设备之间，既不便利也不安全。

2 全自动气水联动雾化降尘系统的设计

2.1设计理念

以喷雾降尘系统装置控制智能自动化、系统稳定可靠、运行高效地设计原则，以粉尘浓度传感器、触控传感器、人体热释红外传感器等传感器为监测元件，对中转站内的粉尘浓度、煤流高度、行人进行监测，采集到的信号经A/D转换后传输至相关的喷雾控制器，喷雾控制器经逻辑分析判断后作出喷雾响应[6]. 喷雾控制器又分为主控制器和分控制器，主、分控制器之间采用主从式结构体系，经RS-485总线通信进行信号传递：主控制器通过轮询的方式逐一检查每一分控器的状态信息，确保在任何时候，仅存在一对主控器和分控器之间进行数据接收或发送，不会发生通信冲突。

该系统的主要设计功能如下：实时连续监测巷道内的粉尘浓度，当粉尘浓度超标时自动报警，浓度超过设定值时，自动开启喷雾；当触控运行的胶带上有煤流时，也能激发自动喷雾装置开启，并能根据煤流量的不同对喷雾水量进行调整；当监测到有人要经过喷雾断面时，喷雾应立即自动停止，避免行人被淋湿。此外，利用控制器通信端口的兼容性，将该自动喷雾降尘系统接入井下环网交换机，将传感器采集到的信息及喷雾开停状态实时传输至地面监控终端，实现对监控数据的储存、分析与打印。

2.2控制系统的组成

整个全自动气水联动雾化降尘系统是由粉尘浓度自动监测与报警单元、行人红外感应单元、煤流监测单元、自动喷雾单元和远程控制单元5个部分组成的开环控制系统，根据元器件性能的不同，可将系统的控制装置分为监控元件、控制组件、执行元件、电源、气水雾化组件和其它辅件。

1) 监控元件。监控元件的功能主要是对巷道环境参数进行采集，包括：ZP-12R型红外光控传感器1对、GCG500粉尘浓度传感器1台、GUJ45矿用本安型触控传感器1台。

2) 控制组件。因PLC具有很强的可靠性和灵活性，因此，选用带RS-485通讯接口的矿用本安型监控分站，其内部的PLC模块可对接收的信号进行逻辑运算。

3) 执行元件。选用2个DFH-20/10矿用本安型电动球阀来驱动气、水两相管路的开闭，其具有电压低、流量大、内部浇结电池蓄电等优势。

4) 电源。煤矿井下的电压大多为交流127 V，选用具有蓄电功能的KDW65型的矿用隔爆兼本安不间断电源对传感器、监控分站、电动球阀进行供电，其输入电压范围为AC127/36V，额定输出电压为DC15V，它提供三路本安电源输出、供电状态输出信号。电源的电压和电流、蓄电池的工作状态、供电状态输出信号在液晶显示板上显示的同时，均可以上传，实现远程查看。

5) 气水雾化组件。气水雾化组件包括气水混合箱1个、装有JBC型雾化喷嘴8个(3个备用)、d25 mm的两层钢丝编织高压胶管(带接头)数根。

6) 其它辅件。辅助配件包括截止阀(检修时强制关闭上级气路和水路)、快插接头、水质过滤器、通信电缆、三通接线盒、绝缘胶布、安装工具等。

2.3系统的工作原理

系统的信号传输流程见图1，三路传感器将采集到的工况信号经A/D转化后，传递给相应球阀壳体内的单片机，单片机对传入的高频脉冲信号或低电平红外线信号进行再次转换处理，输出高电平感应信号给主控器(监控分站)，经PLC逻辑判断后，输出开关量信号，促使控制各自电动球阀的继电器动作，使阀体转动，实现全自动喷雾[7]. 系统的通信模块基于RS-485通信的MAX1487E芯片，利用单片机来控制芯片的接收使能和驱动使能端口，避免数据传输过程中发生冲突[8].

图1 信号传输/控制流程图

全自动气水联动雾化降尘系统的工作原理见图2. 迎风安装的粉尘浓度传感器监测到巷道粉尘浓度超过设定阈值时，发出报警声，并引起气、水电球阀响应，引起自动喷雾；当悬挂在皮挡上方的触控传感器的触杆被煤流持续撞击时，也开启自动喷雾，且监控分站PLC会根据高频脉冲信号的强弱调整球阀的开启程度，控制喷雾量；当安设在喷雾断面上、下游巷道壁面上的人体热释光敏光控传感器感应到行人要经过时，喷雾系统关闭，确保不被淋湿，行人过去后恢复喷雾。

为了避免井下湿度、噪音以及煤流量不稳定影响传感器信号，造成电动球阀的频繁转动、磨损，降低使用寿命，进行延时设置，传感器采集到同一信号间断时间大于10 s时，方可改变传输给单片机的信号状态。此外，为了减少喷嘴堵塞几率，通过PLC延迟控制，每次喷雾开始时，水路球阀比气路球阀早5～10 s开启；喷雾关闭时，气路球阀比水路球阀晚15～20 s关闭，将管内水吹干净，避免生锈堵塞。

3 系统的应用

监控分站和电源箱一起安置在中继站五联巷附近，喷雾断面选在2 090 m位置处，粉尘浓度传感器挂在喷雾断面下游15 m左右处的供水钢管上；触控传感器安装在皮带正上方，触杆距皮带最底部有15～25 cm；两个人体热释光敏光控传感器分别用水泥钉固定在喷雾断面上、下游15 m左右处的巷道墙壁上；气水两相雾化喷雾喷嘴用钢丝高压胶管串联起来，呈一字型安装固定在巷道的工字钢横梁上；电动球阀就近安装在喷雾断面附近，一端接入井下高压供水(风)管网，另一端连接喷嘴，实现自动气水雾化降尘。喷雾实景效果见图3，雾化粒径细小，扩散距离远，雾化角度大，喷雾范围覆盖整个巷道断面。喷雾断面下游100 m范围内的雾化降尘效果量化分析见图4. 由图4分析可知：

图2 系统工作原理图

1) 喷雾开启前，全尘浓度值为113.98～148.69 mg/m3，平均131.34 mg/m3；喷雾后，全尘浓度值为8.59～20.83 mg/m3，平均14.71 mg/m3. 全尘降尘效率为85.99%～92.46%，平均89.23%，取得良好的降尘效果。

图3 雾化效果实景图

图4 喷雾前后全、呼尘浓度沿程变化曲线图

2) 喷雾前后，呼吸性粉尘浓度分别为67.03～85.96 mg/m3、3.49～9.53 mg/m3，其平均值分别为76.50 mg/m3、6.51 mg/m3，100 m巷道沿程内的呼吸性粉尘降尘效率为88.91%～94.79%，平均91.85%，说明气水联合雾化雾滴能更好地与呼吸性粉尘发生耦合作用，促使大量的细小尘粒团聚沉降，净化巷道空气。

3) 喷雾前，全、呼尘浓度随着沿程增加而上下波动，整体变化不大，而喷雾后，全、呼尘浓度均随着距离的增大而不断变大，说明降尘效率随着距离的增加呈递减趋势，这是因为雾滴向下游飘散过程中，不断碰撞、蒸发，导致雾滴密度逐渐下降。

4 结 语

全自动气水联动雾化降尘系统使用程序编程控制，优化了电器元件，系统工作原理简单，通信传输稳定可靠，装置构件易于维护、更换，克服了以往人工手动喷雾和电动控制喷雾系统成本高、效率低、故障率高、维护周期短等诸多弊端，既实现了自动启闭喷雾，取得良好的雾化降尘效果，又可通过对巷道行人的红外感应，及时关闭喷雾，避免淋湿行人。此外，该系统还可根据胶带煤流量的大小合理控制喷雾量，节约用水，减少皮带打滑、巷道积水现象，实现了煤矿井下粉尘防治的智能化、高效化，对于建设现代化绿色智能矿山具有积极意义。

[1] 谷保健,王冠宇,李 明.胶带机转载点全自动气水联动喷雾装置[J].煤矿安全,2015,46(05):124-126.

[2] 周连春,马嗣卓,张金山,等.自动喷雾装置在老石旦煤矿的实践与应用[J].煤炭技术,2016,35(05):166-168.

[3] 秦晓程.矿用自动喷雾降尘系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学,2016.

[4] 刘 涛,张 健,郭胜均.粉尘浓度在线监测及降尘装置研制[J].煤矿机械,2015,36(10):193-196.

[5] 蒋仲安,王 明,陈举师,等.气水喷嘴雾化特征与降尘效果分析[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(02):151-157.

[6] 崔功刚,史俊伟,谭晓松.胶带转载点煤尘自动监测与喷雾降尘系统[J].煤矿安全,2011,42(11):48-50.

[7] 汪海华.煤矿井下自动喷雾降尘系统设计[J].中州煤炭,2012(10):8-9,12.

[8] 袁 雷,李国平,武 博,等.综采面自动定位智能喷雾降尘控制系统[J].济南大学学报(自然科学版),2016,30(3):235-240.

ResearchandApplicationofAutomaticMistWaterLinkageAtomizationDustSuppressionSystem

HUYaojie

In view of the complexity of the space arrangement in the transfer station of belt conveyor and the limitations of the traditional spray dust control system, a fully automatic mist water linkage and dust suppression system was proposed and designed, which integrated the five functions of automatic monitoring and alarming of dust concentration, pedestrian infrared induction, coal flow monitoring, automatic spray and remote control. The signal transmission mode, working principle and operation notes of system were elaborated, and the application test was carried out at the 2 090 m tunnel section in a coal mine. The practical results show that this system has the advantages of simple in structure, stable and reliable in operation, which can automatically start and close the spraying system in time, obtain good dust suppression effect, can smartly adjust the spraying quantity, and has enormous value both practically and economically.

Automatic mist water linkage atomization dust suppression system; Dust reduction effect; Volume of spray

2017-07-24

胡耀杰(1989—)，男，山西阳泉人，2013年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事“一通三防”技术管理工作(E-mail)2149261507@qq.com

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1672-0652(2017)10-0030-04