白 雪

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學研究所有限公司，遼寧 沈陽110011）

設備垢害是影響瓦斯抽采泵站正常運行的長期問題，水環(huán)真空泵內(nèi)壁及葉輪被硬垢覆蓋，抽采阻力大大增加，降低了瓦斯抽采效率[1-3]。若不及時處理，極易發(fā)生卡泵、泵軸扭斷、燒毀電機等事故，造成非計劃停機，危害瓦斯抽采系統(tǒng)及礦井安全[4-6]。目前泵站一般采用高壓沖洗、人工酸洗等方法除垢，耗費人力物力、清洗效果不佳，還會造成設備腐蝕、水體污染等問題[7-12]。因此，針對煤礦瓦斯抽采泵站水垢問題開展綜合治理技術研究，對于提高瓦斯抽采效率、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 循環(huán)水質(zhì)及垢樣成分分析

新景礦佛洼泵站現(xiàn)有水環(huán)真空泵5 臺，由于泵站長期運行，且無水質(zhì)處理和設備定期維護，導致水環(huán)真空泵、氣水分離器等設備結垢嚴重，內(nèi)部堆積大量煤泥污垢，抽采阻力和負擔大大增加，整個抽采系統(tǒng)處于低效運行狀態(tài)。

2018 年3 月，中煤科工沈陽研究院開始對佛洼泵站循環(huán)水系統(tǒng)及站內(nèi)設備進行綜合治理研究。首次打開真空泵進水口使用內(nèi)窺鏡觀察，泵殼內(nèi)表面和葉輪均被堅硬的垢層覆蓋，泵內(nèi)結垢厚度約為1 cm，最厚處近2 cm。氣水分離器結垢更為嚴重，有近2 cm 的舊垢、淤泥堆積在管壁內(nèi)，嚴重影響整個抽采系統(tǒng)的工作效率。為進一步確定泵站循環(huán)水、補充水的水質(zhì)和水垢成分，為技術研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐，分別采集了補充水、循環(huán)水水樣和泵內(nèi)壁垢樣，進行實驗室定量、定性分析，佛洼泵站水樣檢測結果見表1，佛洼泵站水垢檢測結果見表2。

表1 佛洼泵站水樣檢測結果Table 1 Test results of water samples for Fowa pump station

表2 佛洼泵站水垢檢測結果Table 2 Test results of scale samples for Fowa pump station

通過對水質(zhì)結果進行分析可知，補充水鈣離子含量為176.4 mg/L，數(shù)值非常高，說明水質(zhì)較硬；氯離子含量為120.47 mg/L，說明水樣具有一定的腐蝕性；同時堿度高，容易結垢，也容易使設備發(fā)生銹蝕；從循環(huán)水的檢測結果得出，濃縮倍數(shù)為12.1 倍，出垢率為57%，對設備結垢影響嚴重。

通過對垢樣檢測數(shù)據(jù)進行分析得出，碳酸鈣占垢樣含量的22%～26%，泥沙和煤渣約占垢樣含量的40%，難清洗的碳酸鎂和碳酸鋇約占10%。檢測結果中發(fā)現(xiàn)部分鐵離子，說明設備已經(jīng)存在一定的銹蝕。通過觀察口和內(nèi)窺鏡觀察也驗證了檢測結果。

2 水垢綜合治理

2.1 總體方案

目前，解決煤礦設備垢害的方法主要有物理法和化學法2 類。物理法主要是指高壓水沖洗，這種方法需拆卸設備、浪費水資源，且除硬垢效果不佳。電子除垢儀也屬于物理方法，通過靜電吸引鈣鎂離子，抑制水垢生成，處理效果和水質(zhì)有關，對硬垢具有一定抑制作用，對軟垢無效?；瘜W方法主要是人工酸洗和軟化水法。人工酸洗采用酸類與金屬銹蝕反應生成可溶物質(zhì)，與垢質(zhì)反應生成氣體和松散殘片來除垢，酸類物質(zhì)會對管路和設備造成腐蝕傷害，且廢液污染水質(zhì)和環(huán)境，耗費人力物力。軟化水系統(tǒng)通過化學原料改變水質(zhì)，除去水中鈣鎂離子，降低水質(zhì)硬度，達到除垢、阻垢目的，但這種方法無法徹底改變水質(zhì)，消耗大量軟水劑，除垢效果不佳。

上述物理和化學方法均需要拆卸設備，操作復雜、耗費人力物力。物理方法對環(huán)境無污染但除垢效果不佳?；瘜W方法除垢徹底，但污染環(huán)境、腐蝕設備。綜合分析，為此提出一種基于無機鹽混合物的全自動在線處理水垢的新方法，使用低磷環(huán)保型無機鹽除垢劑代替酸洗劑，配合基于PLC 智能控制技術的全自動在線水垢處理設備，前期對設備進行清洗除垢，后期對泵站循環(huán)水進行在線阻垢，實現(xiàn)泵站水垢問題的徹底治理。

2.2 特配無機鹽試劑

為了避免酸性試劑對設備的腐蝕、對環(huán)境的污染，方案采用一種低磷環(huán)保、原液pH 值接近中性的無機鹽試劑，其主要成分為無機酸、減、鹽，并根據(jù)表1 和表2 的水質(zhì)、垢樣分析結果，加入各種添加劑按特定比例配置而成。試劑主要參數(shù)見表3。

表3 試劑主要參數(shù)Table 3 Main parameters of detergent

水垢的形成是從微小的晶體形成開始的，主要經(jīng)過晶核→晶格→晶體3 個過程，晶體從過飽和溶液中析出沉積成水垢。晶核形成、晶格生長又可分為初期、中期、末期3 個階段。只有在晶核的某些活化區(qū)域上，吸附沉淀離子，晶格才能生長，并且經(jīng)過3 個生長期逐漸形成晶體，也就是水垢。傳統(tǒng)酸洗劑著重于在第2 階段（即晶格形成過程）利用分散、溶解和其他方式干擾晶格的生長和成熟[8-9]；而本方案采用的試劑是在水垢晶核形成的最初期，便以離子的形式直接參與并干擾水垢晶核的形成過程，使其晶核發(fā)生畸變，迫使其夭折于發(fā)育期，從而不再可能有水垢晶體形成。

2.3 除垢方案

除垢方案針對設備內(nèi)已生成的水垢設計，根據(jù)垢樣成分配比特定的除垢試劑，研制全自動循環(huán)清洗裝置，輔以水質(zhì)在線監(jiān)測技術，實現(xiàn)水環(huán)真空泵和氣水分離器等設備的徹底除垢。

除垢裝置分為除垢系統(tǒng)、信號采集與控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)。除垢系統(tǒng)包括循環(huán)泵、過濾器、試劑箱、pH 值探測儀、電導率探測儀、測溫儀、濾網(wǎng)等設備，加入特配無機鹽試劑，通過設備與泵體的相互連接，實現(xiàn)在線清洗；信號采集與控制系統(tǒng)以PLC 控制技術為核心，通過實時在線監(jiān)測pH 值、電導率、溫度、壓力、液位等傳感器，控制除垢系統(tǒng)循環(huán)清洗，并通過判斷pH 值、電導率的變化確定真空泵是否清洗結束。除垢過程中，隨著垢的脫落，過濾器起著重要的作用，一級過濾器及時將垢過濾出來，沉淀到底部排出；之后進入二級過濾器，進行精細過濾。二級過濾器需要進行濾網(wǎng)清洗，設計為手動、差壓、定時3種清洗方式，均由PLC 進行控制。

將各組成部件固定在可移動的車上，留有進水、回水接口，通過管路系統(tǒng)快速接頭和軟管同水環(huán)真空泵連接，組成循環(huán)系統(tǒng)，將根據(jù)垢樣分析特配的無機鹽除垢劑循環(huán)注入真空泵體中，邊加熱邊循環(huán)，最終完成除垢。除垢工藝流程圖如圖1。

圖1 除垢工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of descaling process

2.4 阻垢方案

泵站設備經(jīng)過除垢清洗后，基本除去了98%以上的硬垢和淤泥。為了徹底解決泵站水垢問題，還需進一步對泵站循環(huán)水進行阻垢處理。阻垢方案中加入水質(zhì)在線監(jiān)測模塊，根據(jù)水質(zhì)反饋信息自動定量投放阻垢試劑，實現(xiàn)整個循環(huán)水系統(tǒng)的阻垢。

根據(jù)此方案設計的阻垢裝置，可分為阻垢系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)。同樣以PLC作為控制核心，通過信號采集系統(tǒng)在線監(jiān)測泵站循環(huán)水pH 值、電導率、溫度、壓力的信息，自動制定加藥策略，控制加藥時間和加藥量，自動加藥，保證抽采系統(tǒng)無垢運行。阻垢系統(tǒng)設有自動加藥裝置，按補充水的流量自動加入一定比例的緩釋阻垢劑，以離子的形式直接參與并干擾水垢晶核的形成，并在金屬表面上形成穩(wěn)定、致密牢固的保護膜的同時阻止了水垢的產(chǎn)生，阻垢率能達到95%以上。管路系統(tǒng)通過快速接頭與瓦斯抽采泵站循環(huán)水管路連接，形成阻垢循環(huán)系統(tǒng)，由PLC 進行控制，實時對循環(huán)水水質(zhì)進行監(jiān)測，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結果自動配比藥液濃度、確定投放時間，定時將阻垢藥液注入循環(huán)系統(tǒng)中，完成連續(xù)阻垢。阻垢工藝流程圖如圖2。

圖2 阻垢工藝流程圖Fig. 2 Flow chart of scale inhibition process

3 工業(yè)試驗

3.1 除垢試驗

泵站內(nèi)共有5 臺水環(huán)真空泵及氣水分離器，經(jīng)與礦方協(xié)商后確定，先清洗1 號與3 號備用泵與氣水分離器，清洗后恢復；申請倒泵后，再清洗2 號與5 號泵與氣水分離器。4 號泵由于剛返廠維修，經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)部無垢，暫不清洗。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況卸下水環(huán)真空泵兩側排污口盲孔法蘭，改裝法蘭盤連接，作為除垢系統(tǒng)中水環(huán)真空泵的進水口和出水口（只有1 個排污口時，上進下出），水環(huán)真空泵的軸溢流管分別連接至出水口閥門后有單獨球閥和單向閥控制，以便收集軸溢流水到除垢系統(tǒng)的回水管路。水環(huán)真空泵側面頂部有接儀表預留口，改成排氣口，末端高于泵體，排除除垢反應過程中產(chǎn)生的氣體。完成接口安裝、供電與供水后，便開始逐臺清洗除垢，除垢效果對比圖如圖3。

由圖3 可以看出，清洗前后真空泵和氣水分離器內(nèi)壁的變化。清洗前，真空泵和氣水分離器器壁的表面沉積了1 層較厚的腐蝕產(chǎn)物，這主要是鐵元素被氧化，變成Fe3+，腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Fe（OH）3和Fe2O3。清洗后，管道表面整潔光滑，除了一些原有的物理磨損外，腐蝕物和水垢基本被清洗干凈。此外，無機鹽除垢劑對器壁具有很好的保護作用，會在器壁表面與鐵發(fā)生配位形成致密而堅固的保護層，阻礙器壁被進一步腐蝕。

3.2 阻垢試驗

新景礦佛洼泵站循環(huán)水高位水池容積80 m3，低位水池容積200 m3，補充水流量約2.4 m3/h。將阻垢裝置接入循環(huán)水系統(tǒng)，定量投放阻垢試劑，運行1 個月后，取循環(huán)水水樣進行實驗室檢測，阻垢后循環(huán)水樣檢測結果見表4。由表4 可以看出，經(jīng)過阻垢處理后，循環(huán)水的堿度由784.4 mmol/L 降低至75.3 mmol/L，pH 值更趨于中性，金屬離子減少導致電導率也明顯降低，出垢率、腐蝕率分別降至10%以內(nèi)，水環(huán)境明顯改善。

表4 阻垢后循環(huán)水樣檢測結果Table 4 Test results of water sample after scale inhibition

4 結 語

1）針對新景礦佛洼泵站提出“前期除垢、后期阻垢”的水垢治理方案可行；研制的除垢、阻垢技術裝備具有可操作性。

2）前期除垢通過水質(zhì)在線監(jiān)測、智能化藥劑投放等功能設計，實現(xiàn)水垢的全自動在線清洗除垢，免于拆卸泵體、降低人力物力成本。后期阻垢為泵站建立了1 套智能化、長效化的阻垢及水治理方法。

3）設備內(nèi)部水垢清除徹底，管道表面整潔光滑；阻垢系統(tǒng)運行1 個月后，循環(huán)水水質(zhì)明顯改善，出垢率和腐蝕率明顯下降。該方案使瓦斯抽采泵站實現(xiàn)了無垢運行。