礦井水處理回用于井下降塵噴霧技術研究

摘 要:針對礦井水經簡單沉淀回用于井下，因其高礦化度造成管道、噴頭結垢和腐蝕，嚴重影響使用效果的問題，提出礦井水回用于井下生產的水質要求，利用同向流斜板沉降、芯片過濾、自動控制系統、防垢緩蝕復合藥劑等技術對礦井水進行處理，以提高礦井水重復利用率及改善利用效果。

關鍵詞:礦井水;處理回用;技術

中圖分類號:X3

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)07-0300-02

0 前言

礦井水是煤炭開采過程中從各種途徑滲透到礦井的水和從采掘工作面排出的污廢水的總稱。煤炭開采中會破壞地下水和地表水的賦存狀態，產生大量的礦井水，礦井水的排放不僅污染環境而且浪費寶貴的水資源，煤炭開采過程中的各環節需要大量的生產用水，在水資源日益緊缺的形勢下，為了開拓井下生產用水新的來源和減輕礦井水排放所導致的污染，國內許多單位對礦井水的回用處理技術進行了大量試驗研究，并設計建設了一批回用處理工程。

目前國內礦井水回用處理多采用絮凝+沉淀(澄清)+過濾工藝，此工藝工程投資大、占地面積大、電力和藥劑費用高、運行管理繁瑣、不能解決礦井水回用過程中輸水管道銹垢碎片脫落和煤粒巖粒在管道接續時混入管中堵塞降塵噴頭的問題、不能解決高硬度礦井水回用時在管道和用水設備中結垢的問題，因而限制了礦井水處理回用的推廣。

為探索實現礦井水可靠和經濟回用的途徑，陽泉煤業(集團)有限責任公司對礦井水回用處理技術和裝備進行了系統研究，歷經兩年多努力，總結出了適于我國北方礦區應用的礦井水低能耗無絮凝劑處理及回用保障技術，并在一礦建成了礦井水低能耗無絮凝劑處理及回用保障技術示范工程。礦井水低能耗無絮凝劑處理及回用保障技術在礦井水資源化的同時實現了土地、電力、化學品等資源的節約與高效利用，是一項開創性的技術，具有廣闊的推廣前景。

1 礦井水利用現狀及存在問題

1.1 利用現狀

陽煤集團所屬一礦井下用水的水源主要為未經有效處理的礦井水，礦井排水在井下匯集到中央水倉，經由水泵提升至高位水倉，經高位水倉調蓄后，經管道輸送至井下各用水點，管道上安裝有“Y”型過濾器，用以過濾水中雜質。在礦井水水量不足時以木場深井水作補充水源。

1.2 存在問題

(1)降塵噴頭短時間(一般7天左右)運行即堵塞，即便安裝Ф3mm大孔徑噴頭也不能正常運轉。

(2)輸水管道內結垢，影響過流，縮短管道壽命。

(3)井下設備冷卻通道中結垢。

(4)因降塵噴頭隨時有可能堵塞，造成冷卻通道斷路，引發事故，井下設備冷卻只能采用直接排放的方式，無法采用先冷卻后噴霧的正常(串聯)工作方式，用水浪費。

(5)降塵噴頭較長時間停用時，噴孔處水垢結癌，使降塵噴頭報廢。

2 處理工藝路線及方案

2.1 水質指標的確定

2.1.1 pH 6-9且無結垢和腐蝕傾向

一礦礦井水和木場深井水pH值分別為7-7.5和7.45，無需調整。兩水源PSI均小于6.0，需進行防垢穩定處理。

2.1.2 懸浮物最大粒徑≤0.3mm

一礦礦井水中含有粒徑>0.3mm的懸浮物，按AQ1020-2006對降塵水質的要求，必須去除以保證降塵噴頭不堵塞和管道中不產生顆粒物沉積。

2.1.3 管道中結垢速度≤30 mg/ cm2×30d

將一定面積的不銹鋼試片懸掛與管道中，經過30d后，將試片用10% HCL和10%HNO3分別浸泡24小時后，自然晾干，試片稱重，與浸泡前重量比較，計算結垢速度。

2.2 技術方案

2.2.1 井下降塵噴頭防止堵塞的技術方案

(1)井下降塵噴頭防堵對策:

①在礦井水進入降塵噴頭前將造成噴頭堵塞的各類顆粒雜質去除。

②防止降塵噴頭停噴時水分在噴孔處蒸發造成水垢結癌。

(2)解決方案

①、礦井水入高位水倉前顆粒雜質與水分離處理——去除廢水中的大部分堵塞物，使進入高位水倉的雜質大幅度減少，從而減小高位水倉存水深度和進水對出水水質的影響。

②高位水倉出水精密過濾——濾除流出高位水倉的殘余顆粒雜質和污泥，防止進入井下管路。

③井下供水管道輔助過濾——在井下各級供水管路始端安裝不拆卸再生管道輔助過濾器，濾除上級管路中脫落的銹垢碎片和殘余雜質，使其不向下級傳輸。

④降塵噴頭前安裝保安過濾器——確保水中雜質不進入噴頭。

⑤使用防滴型降塵噴頭。

2.2.2 管道和設備過水通道結垢解決方案

(1)對策:對礦井水進行防垢處理。

(2)解決方案:在入井前的供水主管路上對礦井水添加防垢復合藥劑進行水質穩定。采用復合藥劑處理，效果明顯、設備簡單、投資少、運行費用低，管理簡單不需值守，藥劑可自然降解，無污水排放。

2.3 工藝流程

礦井水入高位水倉前進行懸浮物初步分離，經初步處理的礦井水進入高位水倉緩沖，在入井前的供水主管路上進行連續過濾并添加防垢復合藥劑進行水質穩定，在井下各級管路始端安裝不拆卸再生過濾器，以阻攔管路中脫落的顆粒物進入下級管路堵塞降塵噴頭，噴頭前安裝保安過濾器以防止任何粒徑大于0.3mm的雜質顆粒進入噴頭，噴頭更換為防滴型降塵噴頭，防止停水時降塵噴頭處產生水垢。

圖1 工藝流程方框圖

3 關鍵技術特點

3.1 自動排渣顆粒雜質快速分離裝置開發研究

本裝置集錐板同向流分離和精密過濾于一體。可將礦井排水中的大粒徑的顆粒雜質進行分離沉降，小粒徑的顆粒雜質進行過濾。安裝于礦井水排水管路上，可大大減輕下級過濾裝置的過濾負荷，并延長高位水倉的清底周期。

圖2 自動排渣顆粒雜質快速分離裝置結構示意圖

3.2 芯片式過濾技術研究

芯片式過濾器每個芯片上分布著開放式雜質存貯槽，再生時凈水從過濾的反方向壓入，使存貯于槽內的雜質排出，過濾器得到再生。

芯片式過濾器過濾出的雜質貯存于芯片構成的立體納污空間中，納污空間寬度達2-3mm(100μm過濾精度)，納污深度達10-20mm，納污能力強大，因此濾芯相對工作壽命(即再生周期)與普通網式、疊片式、金屬燒結式有很大提高。

芯片式過濾芯過流通道是上述形式濾芯的幾倍，因此過濾阻力小、過濾能力高。

芯片式過濾器濾芯在工作和再生中均處于固定狀態，沒有任何運動，不需要設置運動機構，因此可靠性極高。根據試驗結果確定芯片式過濾器的過濾精度為100μm。

3.3 全自動再生連續過濾站和手動再生連續過濾站

全自動再生連續過濾站和手動再生連續過濾站過濾均屬于芯片式過濾。安裝在井上供水主管路中，對高位水倉出水進行過濾，以較大幅度減輕井下過濾負荷，減少井下過濾元件再生次數和再生污水排放。全自動再生連續過濾站和手動再生連續過濾站并聯使用，當自動再生連續過濾站因故障原因或停電原因不能正常工作時，手動再生連續過濾站進入工作狀態;當恢復供電或故障排除后，可恢復全自動再生連續過濾站工作狀態，以保障井下連續供水。全自動再生連續過濾站控制采用可編程控制，裝置可以自動排污和自動再生。(圖3)

圖3 自動再生過濾站工作原理圖

手動再生連續過濾站過濾方式為芯片式過濾，有兩個單體并聯組成，每個單體都有獨立的反洗結構，各單體在壓差大于臨界壓力時利用有壓水進行再生。

3.4 管道過濾器

不拆卸再生管道輔助過濾器過濾方式采用芯片式過濾。安裝于井下各級供水管道的始端，濾除上級管道來水中懸浮物質。過濾元件作為井下用水處理的輔助過濾裝置，主過濾分離裝置未能濾除的顆粒雜質和管路內脫落的銹垢碎片由本裝置濾除。當壓力表所示壓差大于臨界壓力0.25MPa時對過濾器再生處理。

3.5 噴頭保安過濾器

噴頭保安過濾器作為安裝于降塵噴頭進水口前的小型芯片式過濾器，結構簡單，由小型精密芯片濾芯和外殼構成。過濾器不具備不拆卸反洗功能，當過濾器堵塞到一定程度需更換新的保安過濾器，將拆下的過濾器送至井上，用專用設備進行清洗再生。

3.6 防滴型降塵噴頭

防滴型扇型噴頭采用狹縫式扇形噴頭，噴頭出口形成的平面液與空氣碰撞，產生大量的細水霧，其霧化質量高，液滴均勻，噴射角度大(100°以上)，可以噴灑高粘度和低粘度的任何液體，各項性能優于現在礦井降塵使用的實心錐形噴頭。

3.7 阻垢緩蝕復合藥劑

本項目合成了具有優良阻垢性能的丙烯酸-丙烯酸乙酯-衣康酸三元共聚物，丙烯酸-丙烯酸乙酯-衣康酸三元共聚物阻垢分散劑、磷系阻垢緩蝕劑進行復合配制，獲得一種低磷環保型DRK阻垢緩蝕復合劑。經過對復合劑進行阻碳酸鈣性能、阻硫酸鈣性能測試，結果表明:藥劑用量

為20mg/L，阻垢率可以達到80%以上。當用量達到40mg/L

時，阻垢率達到98.7%，此后阻垢率不再隨用量的提高而變化，說明DRK阻垢緩蝕復合劑的最佳用量為40mg/L。

4 效果分析

經過一年運行，設備處理能力穩定后，委托對處理水樣進行顆粒物粒徑、結垢速度檢測。

表1 顆粒物粒徑尺寸檢測結果表

顆粒物粒徑范圍數量(個/L)

290μm(0.29mm)以上0

100-290μm(0.1-0.29mm)0.8

50-100μm(0.05-0.1mm)3.3

10-50μm(0.01-0.05mm)31.5

表2 試片結垢檢測結果表

試片1試片2

試片面積10cm寬×1.5cm長×2面=30cm210cm寬×1.5cm長×2面=30cm2

試片浸前重量8683.4mg8697.6mg

試片浸后重量8672.5mg8685.3mg

單位面積結垢數量0.36mg/ cm2×30d0.41 mg/ cm2×30d

5 結論

(1)本項目總結出了高礦化度礦井水回用與高礦化度深井水用于井下生產的科學、有效、經濟的處理工藝，對推動我國北方煤礦礦井水資源化回用，節約新水資源，消除和減輕礦井水排放污染，推動礦山可持續發展將發揮重要作用。

(2)本項目解決了高礦化度礦井水回用和高礦化度深井水用于井下生產中降塵噴頭堵塞和管道、過水通道結垢的問題，保證了井下降塵系統的正常運行，改善了井下作業場所的環境條件，對保障作業人員健康，保障作業安全有積極意義。

(3)本項目總結出了利用礦井水排水余壓和高位水倉勢能進行礦井水處理的工藝和設備系統，實現了無絮凝藥劑和極低耗能的礦井水回用，在礦井水資源化的同時實現了水處理化學品和能源的節約。

(4)本項目總結出的無絮凝藥劑低耗能無加壓動力礦井水回用與噴頭防堵過水通道防垢和設備系統，設施簡便、占地面積小、運行費用低，是礦井水回用處理技術的一場革新，在我國北方煤礦有極廣的推廣前景，將有力推動我國北方礦井水回用。