煤塵濃度監測抑制系統設計

于泓

(貴州省煤礦設計研究院， 貴州 貴陽 550001)

0 引言

我國是煤炭的生產和使用大國，在煤炭整個開采、加工、運輸、使用過程中，都伴隨著粉塵顆粒物的產生，成為環境的重要污染源。煤炭粉塵顆粒的呈現不規則的板塊狀、條狀和纖維狀、球狀等結構，若顆粒物的粒徑越小,則攜帶對人體有害的化學成分越高，對人體的危害也越大。粒徑在2.5～10 μm(PM2.5～10)的顆粒物可通過呼吸進入人體的上下呼吸道，在2.5 μm之內(PM2.5)的顆粒物可以進入肺部甚至透過肺泡污染血液，如果顆粒物上附著有酸性氧化物、重金屬、有機污染物等成分,則對人體的危害更大[1-2]。另外，在密閉空間，細顆粒煤粉塵濃度如果超過一定濃度，遇到電火花、明火會帶來爆炸的風險[3-6]。因此對煤炭粉塵作業場所進行煤炭粉塵顆粒物粒徑和濃度的實時在線監測以及抑制調整成為環保技術的前沿技術。

煤塵的收集降塵手段通常有抑塵、封塵和吸塵等，其中吸塵是應用于輸煤系統室的一種非常有效的方法，從已知的研究中表明,除塵效能達到99%以上。本文聚焦靜電除塵裝置的設計和對于除塵效果的在線監測調整系統設計兩個方面，為煤塵濃度的在線監測和實際抑制手段提供了一些思路。

1 系統設計

1.1 應用場景及總體設計

針對大型煤礦、發電廠和輸煤碼頭的翻車機房揚塵治理場景進行設計，為了減少煤粉塵對周圍環境的影響，翻車機房的工作在半封閉的限制空間進行，在運煤專列駛入翻車機房后，整個車廂被翻車機大臂固定，帶動車廂翻轉預設角度進行卸車作業。經監測，車廂煤碳卸落過程中主動揚塵持續時間約為50 s。煤炭下落過程中壓縮坑道中的空氣，經測量反沖壓縮空氣攜帶的顆粒物100 μm以下的顆粒物占得比例較大，翻車卸車動作后10～15 s左右顆粒物開始上揚，車廂翻轉時車廂運動沿一定弧度，煤碳塊下落過程中粉塵隨空氣擾動飛揚，在車廂運行回位的過程中，殘留的原煤運動和空氣的擾動產生大量粉塵。

本靜電除塵器的基本設計如圖1所示。主要包括翻車機房送風系統、電除塵器的放電收塵系統、顆粒物監控系統。當翻車機房和電除塵器工作時，監控系統開始工作。

圖1 靜電除塵器設計

1.2 翻車機房及除塵器的導流設計

本設計采用板式靜電除塵器，電除塵器的效率用多依奇公式表示為：

(1)

式中：Q為板式電除塵器的煙氣流量;A為板式電除塵器的收塵面積;f為比收塵面積，f=A/Q，即1 s內凈化1 m3煙氣所需要的收塵面積。

電除塵器電場基本采用沉降室+三電場的設計，設計除塵效率為99.5%，對應電場煙氣設計流速為1～1.5 m/s，設計比集塵面積大于70 s/m，排放顆粒物濃度小于100 mg/m3。

粉塵捕集效果主要取決于通風量的大小和通風氣流組織兩個方面。氣流組織就是合理地布置送排風口位置、確定風口特性、分配風量，獲得最大單位風量捕塵率，達到最佳的除塵效果。

靜電除塵器粉塵的捕集方式采用吸吹互動并輔助導流板的形式。以吸風罩口盡量靠近污染源的原則為依據，在坑口、箅邊吸風口的上部設置安裝弧形導流板。根據揚塵理論分析，揚塵上行速度和卸煤速度、卸煤重量正相關，當上揚含塵氣流與導流板相遇，由于自身沖擊速度將在導流板處形成漩渦狀環流，此時吸風口作用力將使環流產生定向移動，以控制煤塵外溢。

1.3 顆粒物監控系統設計

顆粒物監控系統包含系統軟件平臺、數據無線通信服務、煤塵濃度在線監測和靜電除塵器工作參數調整四個主要模塊。系統整體架構如圖2所示。

圖2 系統架構

系統軟件平臺采用B/S架構，該架構是建立在廣域網之上的[7-9]，不用特別配備專門的網絡硬件環境，相比于C/S架構有更大的優勢，只需配備操作系統和瀏覽器即可登陸網址進行查看實時狀態，支持遠程、多位置使用[10-11]。服務器包含WEB服務器、數據服務器和監聽服務器。

數據無線通信服務通過設計數據庫軟件完成數據的傳輸儲存，服務器共有多個線程，包含數據發、數據收以及數據寫線程。WEB服務器完成與用戶的界面對接。中間層是數據通信媒介層，主要由TCP/IP和Zigbee通訊設備層構成，完成上下游數據的聯通。基層是各個站點基于Zigbee通信[12-14]的煤塵濃度監測節點，用于完成監測區域多位置煤塵濃度參數實時監測采集以及工作參數監測調整，并通過Zigbee無線網絡將數據上傳至采集端，整個系統共同完成各種采集、顯示和管理功能，集中實現了集散控制系統的分散控制、集中操作和管理功能。

煤塵濃度在線監測系統的設計核心是保證煤塵濃度精確采集和濃度抑制下降。煤塵濃度精確采集主要依賴于激光顆粒采集探頭[15-16]，多個監控點布局，對數據進行交叉采集，以設定頻率送至監聽服務器端口，數據交互支持上位機輪詢和異常上報的雙機制，保證濃度不超標,當出現監測局部濃度超標后，第一時間進行數據上傳并提醒預警。數據庫服務器存儲監聽服務器提供的數據，WEB服務器做對應的數據顯示和分析，并根據內部算法下達現場靜電除塵器的工作頻率、電壓、有效電極數量等工作參數的調整指令，并監測靜電除塵器的工作參數;當出現異常放電時，提醒介入人為干預，以達到最優化的煤塵抑制效果。

限于篇幅，本文主要介紹煤塵濃度采集整理電路的相關設計。電路設計如圖3所示。

圖3 信號采集整理單元電路

此監測單元由顆粒物信號收集單元與后續信號處理單元組成。信號處理單元主要由U2和U6組成，U2實現的是將收集到的信號轉化為后續電路能夠識別的電壓信號，且保證在這個轉化過程中不會造成信號衰減。具體實現原理是利用信號收集單元收集的信號,然后經過一個G級電阻R17，這個G級電阻R17不僅可以保證信號的衰減降到最低，而且與反饋回路電阻R13組成了反相放大回路，將輸入進來的電量信號轉化為U6電路可以識別的電壓信號，這個信號為U2的6管腳的輸出信號。此信號經過后續R18與R19兩個電阻對地分壓后輸入U6反相輸入端。R18與R19除了起到分壓作用外，還提高輸出對輸入變化的響應速度。U6的正相輸入端為可調的基準信號REF，U6的正、反相輸入又與反饋電阻R28及電容C2組成差分輸入減法運算放大電路。此電路實現U6正相基準電壓與反相實測信號的減法運算，并經反饋回路實現信號放大運算，反饋回路中的電容C2實現高頻雜亂波形的過濾功能，U6輸出端的電阻R29起到限流保護的功能。這樣的設計可保證激光測試探頭輸出信號被合理識別，避免干擾和誤差，有效提高監測效果。

靜電除塵器工作參數調整模塊的設計。針對煤碳粉塵的燃爆特性，為了避免因電暈放電轉為火花放電而引起的除塵器內部燃爆事故，設計程序對電暈放電的強度進行控制，該要求通過控制高壓電源輸出電流來實現。工作參數調整模塊設計了軟啟動恒流高壓電源的控制系統，同時設計程序對放電電流進行監測，構建恒流電源來滿足易燃爆粉塵的治理要求，控制系統設計邏輯如圖4所示。

圖4 靜電除塵器的控制系統設計邏輯

當接通啟動開關后，靜電除塵器按以下順序工作：

1) 進風口煤塵濃度監測啟動，告知主控單元MCU相應濃度值，主控單元MCU和系統預設的預警值作比較，當超過設置預警值時，風機會啟動，而后延時后一電場高壓啟動至設定值進行煤塵收集。二級、三級電場啟動與否，受排煙口煙氣濃度信號控制，當排煙口濃度超過國家標準(100 mg/m3)時,二、三電場啟動至起始運行電壓，并根據出庫濃度監測情況，決定最終靜電除塵器的各項工作參數。

2) 當主控單元MCU監測到電暈放電參數變化明顯時，振打系統開始工作，進行人為干預除塵。

3) 卸灰系統待機狀態。當監測到集塵箱體積灰嚴重時，啟動自動卸灰裝置，并發出報警通知。

4) 當消防信號產生時,則立即打開消防栓，同時切斷高壓電源、風機和卸灰等程序，并發出報警信號。

2 試驗結果與分析

該系統在煤炭翻車機房安裝，翻車機和除塵器正常工作，根據氣流和顆粒物的分布特點，預設靜電除塵器3個收塵電場的電壓分別是35 kV、50 kV、60 kV，通過煤塵濃度在線監測測得的煤塵顆粒物粒徑分布如表1所示。

表1 煤塵顆粒物粒徑分布

表1中通過對中位粒徑和體積平均徑的測試，可以反映煤粉塵的粒度分布，分析可以得出:

1) 收塵電場的顆粒物粒徑比較大，沉降占得比例較大。

2) 3個電場的顆粒物粒徑依次減小，凝聚并收集占的比例比較大，粒徑≤2.5 μm的顆粒在3個收塵電場中的收集比例依次增加，3個電場的設計對于可吸入細微顆粒物的收集具有重要意義。

3 結論

1) 針對煤炭運輸和轉運過程中產生煤塵的問題以及造成的危害，本文研究了煤塵在靜電除塵器中的運動規律、靜電除塵器的氣流導向設計、結構設計以及相應控制電路邏輯設計，最終對工作情況進行分析，驗證了其煤塵收集的效率。

2) 提出利用無線自組網技術和B/S系統架構，實現對于作業現場煤塵濃度的在線監測及在線調整煤塵抑制參數，以優化策略得到現場除塵的實施方案，可有效降低煤塵含量，減少對設備、人員、環境的影響。

3) 此系統有關靜電抑制煤塵裝置的研究開發，對于其他行業有一定的借鑒作用。