模块化水净化装置在煤矿井下的应用

2017-12-07董爱青

环球市场 2017年30期

关键词：神东矿井离子

董爱青

神华神东煤炭集团

模块化水净化装置在煤矿井下的应用

董爱青

神华神东煤炭集团

随着煤矿井下开采工艺与设备的发展，对生产用水水质提出了更高的要求。神东煤炭集团煤炭公司面临着水资源匮乏、原水水质恶劣、处理手段单一的问题，如何在井下空间有限的硐室内安装合理工艺的水质处理设备，进一步提高设备运行的可靠性，降低开采成本，实现经济、环保采煤，是神东煤炭集团煤炭公司亟需解决的紧迫任务。本文分析了神东煤炭集团公司井下生产用水存在的问题，并提出了具体解决方案，分析了实际应用效果。

矿井水；综采工作面；循环利用；模块化

引言

矿床开采破坏了地下水原始赋存状态并产生了裂隙，密切了大气降水、地表水、地下水和生活用水，各含水层之间的水力联系，使各种水沿着原有的和新裂隙渗入井下采掘空间形成矿井水[1]。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水。将煤矿矿井水处理后作为煤矿工业用水或生活饮用水，不仅解决了矿区缺水问题，而且充分利用了矿井水水资源，节省了地下水资源，具有明显经济、环境和社会效益[2]。

1、神东煤炭集团公司煤矿生产用水现状

神东煤炭集团公司在生产过程中，通过不断的摸索，建立了与自身情况相符合的煤矿供水模式，目前面临着用水成本居高不下、水质不达标对煤矿开采设备安全、稳定、经济运行产生了不利影响。在水资源匮乏的西北地区，煤炭开采存在用水成本高、水质管理粗放的现状。在面对现代化开采工艺和设备的情况下，煤矿企业要系统考虑水的循环利用、采取分级处理的手段、简单易行的处理工艺，确保水质达标，保障生产。

1.1 采空区复用水水质情况

经过对3个煤矿7处空区复用水进行化验，结果显示8类共计56项指标中有28项超标。

矿井水井下净化后主要用于井下消防洒水、采煤设备冷却以及液压支架用水，为此应达到《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383—2006)井下消防洒水水质标准，以及采煤机、液压支架用水参考水质指标，如表1。

1.2 水质不达标带来的危害及影响

铁锰离子超标，工作面水处理设备(在线反洗精密过滤器)频繁更换滤芯，含铁锰较高的水质作为介质时，常造成软化设备中离子交换设备污染中毒，设备结褐色坚硬的铁垢，致使其发生腐蚀、变形甚至炸裂事故。

采煤机中的冷却水沿着水道流动的过程中，温度不断升高，水中超标的Ca2+、Mg2+离子会结垢，水中析出的CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2等结晶会附着于管道内壁，降低其导热性能，致使采煤机的液压系统、电控系统、齿轮等部件温度升高，触发其温控保护系统，导致采煤机停止工作，甚至会引起采煤机内部部件的损毁。

煤炭行业标准MT76-2002《液压支架(柱)用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》中规定，配制液压液时所用水质应符合以下要求：水质外观：无色、无异味、无悬浮物和机械杂质；pH：6～9；Cl-≤200mg/L，SO42- ≤ 400mg/L 。乳化液中Cl-、SO42-离子含量超标的水，在使用过程中会出现一些析油析皂现象，堵塞阀芯、滤网等液压支架配件，给生产带来许多安全上的隐患。同时离子含量较高的水质，容易腐蚀液压支架的外缸、中缸及活柱等与水接触的部件，造成设备的锈蚀，影响其使用寿命。

1.3 现有的水处理工艺：

掘进工作面喷雾、冷却用水未经处理，直接复用。

综采工作面上按照了2级过滤器，滤网分别是50um、10um，属于精细过滤，缺少初级过滤环节。

2、神东煤炭集团公司基于模块化式水净化装置的设计与应用

2.1 神东煤炭集团公司采空区水复用水质工艺的研究

由于矿井井下空间环境的特殊性，使得矿井水井下处理难度远大于地面，需要解决和处理好诸多的关键技术问题，包括井下空间利用、安全防爆技术、完善的自动控制技术、系统的模块化和可移动化设计等。本着节能、先进、可靠的原则，选用切合实际的处理工艺，提高设备选型标准，根据井下巷道断面实际尺寸专门设计设备，就要求设备占地面积小，自动化程度高，出水水质稳定。

神东煤炭集团公司组织相关研究院、水处理设备加工企业，对工艺进行了交流探讨。经讨论方案有：方案一是反渗透膜处理工艺，可有效降低浊度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，出水水质能直饮水标准；方案二氧化、沉淀过滤加软化工艺，能有效降低浊度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，目前市场暂无矿用防爆型软水器，只能开发；方案三是氧化、沉淀过滤工艺，只降低浊度、去除Fe、Mn。

(1)方案经济性比对：

方案一：吨水运行成本是1.45元；设备投资约2.6万元/m3；

方案二：吨水运行成本是0.30元；设备投资约1.6万元/m3；

方案三：吨水运行成本是0.22元；设备投资约1.3万元/m3

(2)工作原理：

利用射流器直接曝气，使空气中的氧气与水中的Fe2+充分接触，氧化成Fe3+沉淀物4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓；利用加药装置，使高锰酸钾溶液与水中的Mn2+反应，形成难溶于水的MnO2沉淀物3Mn2+ +2KMnO4+2H2O=5MnO2+2K+ +4H+。最终通过设备过滤室将Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物从水中分离开来，使水中Fe和Mn离子含量达到国家饮用水标准，而Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物则采用自动反冲洗技术定期排放。

表1 煤矿井下生产用水水质指标

离子交换式软水器工作原理：离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。用离子交换剂除去钙镁离子。

经公司研究，选用了方案二，氧化、沉淀过滤工艺，能有效降低浊度、去除Fe、Mn离子，去除了然后环节，避免非防爆设备在井下应用。系统进水水质：浊度≤15NTU、铁离子浓度≤1.5mg/L、锰离子浓度≤0.4mg/L的情况下设备出水水质达到如下标准：浊度≤5NTU、铁离子浓度≤0.3mg/L、锰离子浓度≤0.1mg/L。详细工艺流程图如图1：

2.2 神东煤炭集团公司采空区水复用水质设备的选型

每套系统由4—6个模块组成，每个模块处理能力50m3/h，单个模块运输到井下安装地点后，再对模块进行并列组装。总处理能力200--300m3/h。为了保证设备运输不受井下巷道尺寸限制，要求每个模块设备尺寸(长×宽×高)不得大于6.0×3.0×3.0m。为降低投资，尽可能利用井下现有加压泵房、现有清水池、现有硐室。

结合哈拉沟煤矿试点应用暴露出的问题，本次设计选型时务必解决以下三个问题：一是按照定时或压差设定为自动排污、自动反冲洗；二是材质方面，高锰酸钾药箱以及与高锰酸钾溶液接触的泵、管路系统应选用耐腐蚀的特殊材质，不宜选用钢制材料。对钢制模块式水处理箱体需采取喷涂聚脲防腐防水涂料，以延长设备整体寿命。三是设备启停、运行关键参数、水质指标等要在计算机监测监控，最终实现系统的无人值守，只需区域巡视工巡视即可，达到减人增效的目的。

原水泵：考虑到节能和系统简单的原则，系统入水尽量利用采空区出水压力直接压入系统，对采空区出水压力小于0.1Mpa的情况下方可安装原水泵，给模块式装置提供原水。

絮凝剂及氧化剂投加装置：加药量：20～100L/h；储药桶材质：外6mm厚钢板，内衬4mm厚PVC板；配套设备支架材质：碳钢聚脲防腐涂料；与药剂接触的所有管件要求均为UPVC材质。要求配置LYEXD-IV(防爆型)总铁(铁离子)指数分析仪，在线监测产品水中铁离子的含量，自动调整氧化剂加药量，实现自动控制和最大化的药剂成本控制。

自动控制设备：现场设置控制主机和PLC控制柜，柜内元器件选用AB公司可编程序控制器。地面集控室设置以太网交换机，交换机与现场PLC站的连接为光纤(利于各矿现有备用光纤)，实现调度室集中控制。整个系统采用以AB公司可编程控制器为主的集中和分散相结合的自动化控制系统，实现对全厂工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、连锁和报警以及报表打印，通过使用在主站和远程站间的一系列通讯链，完成整个工艺流程所必需的数据采集，数据通讯，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视和管理作用。在满足工艺流程的要求之外，还能实现安全生产，提高生产管理水平。

其它方面要求：反冲洗用自身水源不用外接水源；设备工作压力不得大于0.07Mpa；水处理系统采用自动、手动两种控制方式，在自动运行过程中实现自动运行、自动反冲和自动排泥。清水仓液位保护功能，如超过规定液位，控制器关闭整个系统。如液位回落则重新启动系统。整个糸统加药设备实现动态加药，根据设备处理水流量大小，铁，锰含量多少，采用总铁在线分析仪，实时监测铁锰含量由PLC控制，自动调整加药量，既节省运行成本，又提高出水质量。

3、项目的组织实施

经统计神东煤炭集团公司13个矿井中除哈拉沟煤矿外其他12座煤矿井下均没有初级水处理装置，公司计划分期组织实施按照水处理复用与净化系统。经过对矿井19座加压泵房水质化验分析，优先对离子超标严重的大柳塔煤矿、补连塔煤矿、上湾煤矿、保德煤矿安装井下水处理装置共计6套。总处理能力为1700m3/h，项目设备购置列2013年第二批专项资金，总费用3030万元。

3.1 合作制造

2014 年初公司启动采购程序，2014年7月份公司确定由维修三厂与合作方合作制造，合作制造的目的与意义在于为后期其他8个矿井设备的加工、安装、运行做好技术储备，同时能节约大量资金。经测算一期6套设备合作制造比购置可节约资金300万元，19处加压泵房可节约1000万元。

维修三厂加工内容：负责购置项目13项，包括水泵、阀门、滤料、流量液位传感器等。负责加工项目2项，铁锰离子处理模块主体钢结构件及氧化剂添加系统，计划工期90天，优先完成大柳塔煤矿2套设备的加工任务。合作方负责配套内容：铁锰离子处理模块设备内部的反应区玻纹直扳系統、沉淀区玻纹斜扳系统，每个模块的PLC控制系统、每个泵房的PLC中央控制系统。

为保证合作制造顺利进行，公司与合作方签订了合作制造协议，协议规定了相互学习培训计划、安装指导、现场故障处理、整机技术资料等交付方面内容：

(一)培训计划

1)电气控制部分培训

合作方提供的电气控制部分为外委制作，维修三厂派三名电气技术人员到生产厂家培训电气控制部分的组装、调试等工作，计划培训时间为20天(根据培训效果，可适当调整)，培训后甲方三名电气技术人员能够熟练操作电气控制部分，同时能够独立进行编程，合作方协调相关培训工作。

2)加工现场培训

由合作方安排2名技术人员(机械、电气各一名)到甲方负责加工制作的技术指导工作，甲方安排相关人员进行加工制作井下复用水处理系统，直至甲方能够独立加工制作，同时能够进行设备安装、调试等工作。

3)故障处理

合作方为甲方相关人员进行可能会出现的故障处理培训，原则上设备安装后出现故障由甲方处理，如甲方无法处理的，由合作方安排人员进行处理。

(二)合作方为我方提供如下技术资料：

1)设备使用说明书。

2)设备图纸，包括零部件图纸。

3)电气控制部分图纸。

4)所有外购零部件技术参数，并提供供货厂家。

5)煤安证。

6)验收标准。

7)设计、制作标准。

图1

8)工艺流程。

3.2 设备安装与运行效果

项目实施过程中涉及安装位置、图纸设计、矿务工程、设备安装工程、施工单位确定等工作必须统筹考虑合理安排，2015年2月份维修中心完成5套设备加工任务，2016年各矿开始陆续安装设备。安装投产后对出水水质指标做了跟踪化验，浑浊度、铁离子浓度、锰离子浓度均达到了设计指标，工程实现了预期目标。2017年初起公司陆续对寸草塔一矿、乌兰木伦煤矿实施该项目。

公司从模块化式水净化装置的设备工艺流程、首次运行注意事项以及操作、自动化部分的操作与使用、加药操作、设备维护、手动反冲洗操作、设备运行时需注意的事项、设备常用备件等方面下发了操作规程，进一步保证设备安全可靠运行。

4.经济效益分析：

以2012年哈拉沟煤矿采用氧化、沉淀过滤工艺，处理能力为200 m3/h的项目投资与运行情况进行效益分析：设备投资为280万元，矿建投资90万，总投资370万元。药剂、电力消耗，日常维护等费用为0.22元/m3，加上设备折旧综合运行成本为0.495元/ m3，远低于地面矿井水处理厂1.3元/ m3的用水价格，每立方水为矿井节约生产成本0.805元。同时还大大减少了将矿井水下从井底提升至地面的电力消耗。

经过对哈拉沟矿水处理装置投用前后个两个月滤芯消耗量统计分析，2个综采队每月可节约滤芯费用8万元，每年节约96万元。按此估算，一期项目的上湾煤矿、大柳塔煤矿、补连塔煤矿、保德煤矿共计10个综采工作面每年滤芯费用节约480万元。液压支架大修是镀铬防腐费用每套每年约80万元，10套液压支架大修镀铬防腐每年费费用约800万元。滤芯消耗与镀铬每年可减少经济损失约1280万元。