趙奕杰 黨濱 王東
摘要:近幾年,我國大部分地區(qū)水資源短缺,加之我國大部分豐富的煤炭資源就分布在水資源匱乏的地區(qū),為保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本且滿足煤礦企業(yè)用水需求,合理處理并利用煤礦井下水資源已迫在眉睫。該方案是對現(xiàn)代煤礦水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,適合新建礦企和舊礦的擴(kuò)能改建,成本低,耗能少,效率高,值得推廣。
關(guān)鍵詞:井下水;混凝;超磁分離;電泳;PLC
1引言
我國是一個水資源嚴(yán)重不足的國家,就煤炭行業(yè)而言,全國86個國有重點(diǎn)煤礦區(qū)中有71%缺水,40%嚴(yán)重缺水,80%的煤礦職工飲用不潔水。因此,礦井水的資源化及提高井下水的利用率對于緩解礦區(qū)水資源匱乏和環(huán)境污染,提高人們生活質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[1-3]。
本文通過分析井下水水質(zhì)及煤礦用水主要用途,結(jié)合傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代工藝進(jìn)行井下水凈化處理,設(shè)計出一套煤礦井下水處理方案,實(shí)現(xiàn)了井下水的高效開發(fā)和利用,提高了礦井水的綜合利用率。
2煤礦井下水水質(zhì)分析
井下水主要由地表水、地下水和礦井廢水組成。我國大部分地區(qū)地下水的水質(zhì)差異不大,因此井下水的水質(zhì)主要與開采煤層中所含的礦物質(zhì)成分和井下工人作業(yè)、生活方式有關(guān)。地下水沿井筒流入井下水倉的過程中與地層中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使水中的離子和化合物含量不斷增多,致使井下水硬度、含鹽量增高,井下水呈酸性或者堿性。同時,井下工人生產(chǎn)作業(yè)和生活,導(dǎo)致井下水中懸浮物(主要包括細(xì)小煤質(zhì)顆粒、泥沙等)、細(xì)菌和有機(jī)物含量不斷增加。因此,煤礦井下水是硬度高、含鹽量高的或酸或堿性懸濁液。
3煤礦井下水自動化處理工藝
3.1傳統(tǒng)工藝
(1)混凝—沉淀—過濾—消毒
(2)預(yù)沉—混凝沉淀—?dú)飧 ^濾—消毒
3.2現(xiàn)代工藝
(1)超磁分離井下水處理工藝
超磁分離水體凈化工藝是一種新興水處理技術(shù)。將超磁分離水體凈化工藝應(yīng)用于煤礦井下水處理,可以提高懸浮物去除效率,減少絮凝劑等藥劑的使用,有效防止了水質(zhì)的二次污染。
(2)電泳降沉井下水處理工藝
電泳是指帶電荷的粒子或分子在電場中移動的現(xiàn)象。該工藝較傳統(tǒng)的重力沉淀去除井下水中懸浮物效果好,凈化效率高,同樣可以減少絮凝劑等藥劑的使用,有效防止水質(zhì)的二次污染。
4煤礦井下水自動化處理方案設(shè)計
針對煤礦井下排水量普遍較大,我們采用井下井上水處理一體化設(shè)計,傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代工藝相結(jié)合,有效提高井下水處理效率。
方案設(shè)計水處理廠為地上和地下兩部分。同時將井下水分為井下廢水和地下水兩部分處理,未污染的地下水直接采集提升到地面處理廠進(jìn)行消毒處理,供井上井下的生活用水;被污染的井下廢水匯集到井下水倉進(jìn)行處理。井下設(shè)置主、副兩個水倉,均須滿足有效容積8小時以上的井下正常涌水量,且在清理維護(hù)時互不受限??蓪⒃忻旱V井下水倉進(jìn)行改造與重新布置,在水倉中設(shè)置阻流堰進(jìn)行井下水的調(diào)節(jié)、中和,并將水倉中部分割成若干沉淀池進(jìn)行預(yù)沉淀,在水倉倉尾分割出一氣浮池進(jìn)行細(xì)小懸浮顆粒與油污的氣浮處理。初級處理之后的井下水加藥與磁粉混合反應(yīng),然后通入井下的超磁分離器進(jìn)行二次處理,除去一次沉淀未處理完全的懸浮物等雜質(zhì)。初級沉淀與二次處理產(chǎn)生的雜質(zhì)全排出到井下污泥池,進(jìn)行壓濾處理,將煤泥提升到井上作煤礦鍋爐燃煤使用,磁粉回收再利用。處理后的水一部分直接供井下生產(chǎn)作業(yè)用水,一部分經(jīng)高壓泵提升到地面處理廠。提升到地面的水一部分直接供煤礦工業(yè)用水,包括選煤廠補(bǔ)充用水、設(shè)備冷卻、綠化清潔等;另一部分經(jīng)地面處理廠消毒處理達(dá)標(biāo)后供井上井下的生活用水。經(jīng)處理后的水,使用后可再次收集進(jìn)行循環(huán)處理。井下水自動化處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
5煤礦井下水自動化處理系統(tǒng)設(shè)計
5.1系統(tǒng)主要裝置及結(jié)構(gòu)方案
煤礦井下水自動化處理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場信號采集設(shè)備、西門子S7-200PLC、以太網(wǎng)交換機(jī)、以太環(huán)網(wǎng)和上位機(jī)組成。液位、流量、壓力等傳感器采集到的信號傳輸?shù)骄挛鏖T子S7-200PLC,然后通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)入井下以太環(huán)網(wǎng),經(jīng)由以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)。采用Wincc組態(tài)軟件作為上位機(jī)組態(tài)軟件,傳輸至上位機(jī)中的信號通過組態(tài)軟件界面的工藝流程圖進(jìn)行實(shí)時顯示。同時PLC接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令,對系統(tǒng)開關(guān)量進(jìn)行起??刂?。井下水自動化處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
5.2系統(tǒng)主要裝置設(shè)計
5.2.1西門子S7-200PLC
PLC具有結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、編程簡單、耗電量小、功能強(qiáng)大、維修方便和設(shè)計周期短等特點(diǎn),適用于井下惡劣的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,本系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC。S7-200PLC基本構(gòu)成框圖如圖3所示。
PLC對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理,PLC 主要控制水泵開停、電動閥門開關(guān)以及互沖洗濾罐閥門的開關(guān)。
5.2.2液位傳感器
由于煤礦井下排水系統(tǒng)的重要性,而液位傳感器是整個排水系統(tǒng)合理運(yùn)行的關(guān)鍵所在,選擇合適的液位傳感器以下幾個方面的內(nèi)容:
(1)穩(wěn)定性要好,能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行;
(2)井下空氣中懸浮的粉塵較多;
(3)傳感器制造成本;
(4)水池高2m,傳感器量程無需太大。
綜合以上條件,我們選擇穩(wěn)定性好、制造成本較低、量程在4~8m的投入式液位傳感器。投入式液位傳感器功能模塊圖如圖4所示。
6煤礦井下水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
本監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)井下水自動化處理的控制要求進(jìn)行方案制定,主要包括PLC軟件程序設(shè)計和Wincc組態(tài)軟件程序設(shè)計兩個部分。
6.1PLC軟件程序設(shè)計
PLC軟件程序設(shè)計采用西門子標(biāo)準(zhǔn)編程軟件Step7編程,使用梯形邏輯圖、功能模塊和語句表進(jìn)行程序編制。整個程序包括供電狀態(tài)檢測、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)檢測(包括液位、流量、壓力、開關(guān)量等)、水泵開??刂?、閥門開關(guān)控制、故障報警等模塊。
6.2Wincc組態(tài)軟件程序設(shè)計
上位機(jī)組態(tài)軟件主要是生成人機(jī)交互界面,以便監(jiān)控人員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。本系統(tǒng)采用Wincc7.0組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā),該應(yīng)用軟件可以對模擬量和開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。人機(jī)界面主要有工藝流程圖、模擬量歷史曲線、實(shí)時報表、歷史報表、報警系統(tǒng)和操作畫面。
7結(jié)束語
綜上所述,煤礦井下水是煤礦用水的重要來源,將煤礦井下水資源化迫在眉睫,對煤礦系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整和改善人們生活水平具有重要的意義。該水處理系統(tǒng)方案設(shè)計是對煤礦水處理系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化,能耗低、效率高,貼合國家節(jié)能減排政策,實(shí)現(xiàn)煤礦水資源的可持續(xù)發(fā)展。
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作者簡介:趙奕杰(1991—),男,漢族,新疆烏魯木齊人,本科,助理工程師,主要從事鉆探裝備技術(shù)研究與推廣工作。
(作者單位:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)