信息化礦山建設中的智能化除塵系統設計

馬 駿

(國家安監總局職業安全衛生研究所 (煤炭工業職業醫學研究所),北京市門頭溝區,102300)

★煤炭科技·機電與信息化 ★

信息化礦山建設中的智能化除塵系統設計

馬 駿

(國家安監總局職業安全衛生研究所 (煤炭工業職業醫學研究所),北京市門頭溝區,102300)

介紹了一種新型煤炭粉塵治理新模式。該治理模式通過將粉塵在線監測技術、噴霧降塵技術、數字控制技術有機結合,降塵裝置可根據監測數據,智能化的實施噴霧降塵,同時監測數據可作為煤礦信息化建設的重要基礎數據。

粉塵污染 信息化 在線監測 高壓噴霧

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

粉塵是煤炭行業主要危害因素之一,不僅引起安全事故,而且會導致塵肺,因此,粉塵控制歷來為煤炭行業所重視。我國粉塵污染的治理模式通常是監測和除塵分別進行,基本上沒有起到檢測結果指導防塵降塵的作用。目前,重慶煤科院、鄭州光力科技等單位成功應用信息化技術,提出了將粉塵在線監測技術與噴霧降塵設備有機結合的新型粉塵治理模式,在煤礦粉塵治理領域的信息化發展中實現了技術和理念上的突破。

1 智能化除塵模式工作原理

煤礦粉塵在線監測與噴霧降塵相結合的工作模式示意圖如圖1所示。

煤礦粉塵在線監測與噴霧降塵相結合的粉塵治理系統通常由感測模塊、智能控制模塊、噴霧模塊、數據傳輸模塊組成,其目的是通過粉塵濃度的實時監測,與噴霧降塵控制實現聯動,使除塵能夠做到有的放矢,而最終實現智能化、自動化,其工作模式有以下3種。

圖1 煤礦粉塵在線監測與噴霧降塵相結合的工作模式示意圖

(1)通過感測模塊檢測到粉塵濃度數據、經由信息處理模塊傳輸至智能控制模塊,根據數據處理結果,確定是否實施噴霧降塵。

(2)通過感測模塊檢測到粉塵濃度數據、經由信息處理模塊傳輸至智能控制模塊,并最終傳輸至煤礦信息控制中心,由控制中心下達指令,實施降塵。

(3)現場工作人員根據所測得的數據直接控制噴霧模塊,直接實施降塵。

2 智能化除塵模式系統組成

2.1 感測模塊

感測模塊的功能是實時在線提供現場工作環境的粉塵濃度數據,并能夠進行參數自校正和數據輸出。此外,由于國內煤礦大多為深井,自然條件惡劣,該模塊還需有良好的防水、防塵性能。

目前粉塵濃度在線監測常用自然光散射法與激光前向散射法。

(1)自然光散射法。自然光散射法是利用一定能量的光透過含塵空氣時,產生信號衰減,信號衰減量和所測環境粉塵濃度有一定關系,據此測得粉塵濃度,采用該方法的傳感器通常由光源、光電轉換器、粉塵測量系統、抽氣系統、粉塵過濾器和控制電路組成。

(2)激光前向散射法。激光前向散射法是國際上近幾年新出現的一種粉塵在線監測技術,它是利用激光在穿過空氣中的粉塵、煙霧等微粒時,發生散射作用,經過光柵調制后通過透鏡匯聚進行光電信號檢測。粉塵傳感器通過測量光電信號得到粉塵濃度。采用該方法的傳感器由激光器、光學系統組件、信號處理與單片機 (微處理器)系統組成。

自然光散射法測量不同的粉塵需要不同的修正系數,且在煤礦井下使用時,維護和校驗工作量很大,應用范圍受到很大限制。而激光前向散射法由于通過光路的調制作用,使得光的散射強度只與入射角有關,這一點至關重要,可以和便攜式β射線粉塵儀相媲美 (β射線粉塵儀雖有很多優點,但很難用于在線監測),測量結果僅與被測粉塵顆粒的質量有關,與粉塵顆粒的材質、形狀、表面光潔度、濃度和顏色等無關,這使它成為粉塵濃度間接測量方法中較精確的一種,適合于國內煤礦使用,是未來在線粉塵濃度監測技術的主要發展趨勢之一。

2.2 噴霧模塊

噴霧降塵是國內煤礦掘進面、采煤工作面、液壓支架移架等工作場所采用的主要降塵技術,也可用于煤礦生產的運輸、轉載、凈化風流等環節。它的除塵是通過噴霧器或灑水器來實現的,水通過噴霧器時,由于旋轉和沖擊作用,噴射于空氣中而形成霧狀水珠。這種霧狀水珠與懸浮在空氣中的塵粒相遇后塵粒被濕潤,一部分直接落下來,一部分隨著風流飄移,塵粒之間互相碰撞,粘結成較大塵粒時再落下來。研究表明,噴霧降塵的效率與霧化粒徑、水滴與塵粒的相對速度、水壓等多方面因素有關。

(1)霧化粒徑。如果霧滴粒徑大,則水的分散性差,霧滴數量少,與粉塵碰撞、攔截的概率小,捕塵效果差;但是霧滴粒徑過小,在空氣中的時間過短,還未與粉塵碰撞就可能氣化。一般認為,霧粒粒徑越接近所要捕集粉塵顆粒粒徑的直徑,降塵效率越高,因而粉塵直徑越小,最宜液滴直徑也越小。

(2)霧粒與塵粒的相對速度。相對速度越高,兩者碰撞時的動量越大,有利于克服水的表面張力而將塵粒濕潤捕獲。但因風流速度高,塵粒與水滴接觸時間縮短,會降低捕塵效率。

(3)水壓。噴霧灑水降塵的過程,是塵粒與水滴發生碰撞、濕潤、凝聚、增重而不斷沉降的過程。當增大供水壓力時,會在很大程度上提高霧化程度,增加霧滴密度和霧滴的運動速度,增加塵粒與霧粒之間的碰撞機會和碰撞能量,使細微粉塵易于捕捉。同時,高壓灑水能使射體霧滴增加帶電性,產生靜電凝聚的效果。

綜合上述考慮,智能化除塵模式的噴霧模塊絕大部分采用了高壓外噴霧裝置,水壓可高至8～10 MPa,霧化粒徑在30～50μm以下 (呼吸性粉塵粒徑為5μm)。

此外,有的設備還配置噴霧粒徑控制單元,通過球閥開關量、壓力的調節等措施,控制噴霧霧粒的粒度分布范圍,達到最優的降塵效率。

2.3 智能控制模塊

智能控制模塊是整個降塵模式中樞控制系統,通過信息化技術的應用,實現數據信息處理、燈光語音提示、數據處理、噴霧控制、信息顯示等多種功能。此模塊的硬件構成主要包括CPU、存儲器、隔離器件、電源穩壓電路、信息傳輸電路、開關量輸出電路等組成。

(1)CPU。多采用抗干擾能力較強、適用于煤礦井下的工業級CPU,使用較多的CPU包括STC89C54RD+、S3C44B0X等型號。

(2)存儲器。它的功能主要用于存儲放電后仍需要保存的代碼和數據,以及在實時在線測量時所產生的冗余數據等,因而多數存儲器的選擇為非易失性、低功耗、大容量和擦寫速度快的Flash存儲器。

(3)隔離器件。主要實現電源隔離、信號隔離等功能,多采用快速光電耦合元器件。

此外,由于市場用戶需求不同,有些產品在控制單元加入了聲、光、觸、控等多種傳感器,以利于用戶更加方便的使用。

2.4 數據傳輸模塊

目前煤礦所采用的信息傳輸多為232、485模式,因此此電路的設計大多為232、485的處理模式。但隨著數字化礦山的建設,CAN總線傳輸方式的傳輸是不可避免的,也有部分廠商設計了兼容CAN數據模式的電路。

此外,為防止數據丟失,多數系統在數據傳輸協議中加入防丟包協議,以便數據傳輸的準確、穩定。

3 結語

目前,國內已經有部分煤礦使用此類智能除塵系統,如兗州煤業股份有限公司的煤礦粉塵在線監測及聯動自動噴霧降塵控制系統、淄博礦業集團有限責任公司、雙鴨山礦業集團公司的智能噴霧裝置等,經試用后表明:

(1)智能化系統通過有的放矢的工作模式,實現了井下連續實時粉塵濃度檢測和智能化的除塵,有效地改善了井下作業環境,使煤塵對井下作業人員的危害大大降低。

(2)通過采用設置粉塵濃度報警值和上限噴霧值等方法,實現了智能化、集約式的噴霧除塵模式,降低了傳統降塵所消耗的人力、水、電等資源,為煤礦企業降低了污染治理的成本。

(3)通過與井下主干網絡的聯機應用,使管理人員可以在調度室、辦公室等終端實時掌握井下粉塵污染和噴霧除塵狀況,方便煤礦井下粉塵監測和治理的管理,實現了辦公自動化,促進了煤礦管理模式的轉變。

這種智能化系統模式,代表了信息化技術在我國粉塵治理領域的一次初步成功應用,是一次科技創新嘗試,但由于采掘技術的落后、行業人才的匱乏等因素,我國煤礦粉塵治理的信息化還有許多不足,需要進一步發展創新,包括:

(1)進一步加強對煤塵監測技術的創新,研制出更為穩定、準確的粉塵濃度傳感器。

(2)將檢測技術與除塵技術橫向結合,開發出適合煤層注水、通風稀釋等除塵方式的智能化除塵技術。

(3)進一步發展礦井信息傳輸技術,實現煤礦生產建設的整體信息化。

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(責任編輯 路 強)

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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馬駿 (1963-),男,教授,主任醫師,碩士生導師,國務院特殊津貼獲得者,國家安全生產專家,國家煤礦安全監察局職業危害專家組組長,衛生部職業衛生技術服務專家庫專家,中華預防醫學會第四屆理事會理事,煤炭工業職業醫學專業委員會主任,獲部級二等獎三個、三等獎三個。發表論文二十余篇,出版著作五部。