新景礦佛洼泵站水垢綜合治理技術

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，水環真空泵內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、保障煤礦安全生產具有重要意義。

1 循環水質及垢樣成分分析

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

2018 年3 月，中煤科工沈陽研究院開始對佛洼泵站循環水系統及站內設備進行綜合治理研究。首次打開真空泵進水口使用內窺鏡觀察，泵殼內表面和葉輪均被堅硬的垢層覆蓋，泵內結垢厚度約為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，嚴重影響整個抽采系統的工作效率。為進一步確定泵站循環水、補充水的水質和水垢成分，為技術研究提供理論和數據支撐，分別采集了補充水、循環水水樣和泵內壁垢樣，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

通過對水質結果進行分析可知，補充水鈣離子含量為176.4 mg/L，數值非常高，說明水質較硬；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，也容易使設備發生銹蝕；從循環水的檢測結果得出，濃縮倍數為12.1 倍，出垢率為57%，對設備結垢影響嚴重。

通過對垢樣檢測數據進行分析得出，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%。檢測結果中發現部分鐵離子，說明設備已經存在一定的銹蝕。通過觀察口和內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，處理效果和水質有關，對硬垢具有一定抑制作用，對軟垢無效。化學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，與垢質反應生成氣體和松散殘片來除垢，酸類物質會對管路和設備造成腐蝕傷害，且廢液污染水質和環境，耗費人力物力。軟化水系統通過化學原料改變水質，除去水中鈣鎂離子，降低水質硬度，達到除垢、阻垢目的，但這種方法無法徹底改變水質，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。物理方法對環境無污染但除垢效果不佳。化學方法除垢徹底，但污染環境、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，后期對泵站循環水進行在線阻垢，實現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、對環境的污染，方案采用一種低磷環保、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，并根據表1 和表2 的水質、垢樣分析結果，加入各種添加劑按特定比例配置而成。試劑主要參數見表3。

表3 試劑主要參數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域上，吸附沉淀離子，晶格才能生長，并且經過3 個生長期逐漸形成晶體，也就是水垢。傳統酸洗劑著重于在第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，使其晶核發生畸變，迫使其夭折于發育期，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已生成的水垢設計，根據垢樣成分配比特定的除垢試劑，研制全自動循環清洗裝置，輔以水質在線監測技術，實現水環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、信號采集與控制系統、管路系統。除垢系統包括循環泵、過濾器、試劑箱、pH 值探測儀、電導率探測儀、測溫儀、濾網等設備，加入特配無機鹽試劑，通過設備與泵體的相互連接，實現在線清洗；信號采集與控制系統以PLC 控制技術為核心，通過實時在線監測pH 值、電導率、溫度、壓力、液位等傳感器，控制除垢系統循環清洗，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，通過管路系統快速接頭和軟管同水環真空泵連接，組成循環系統，將根據垢樣分析特配的無機鹽除垢劑循環注入真空泵體中，邊加熱邊循環，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水進行阻垢處理。阻垢方案中加入水質在線監測模塊，根據水質反饋信息自動定量投放阻垢試劑，實現整個循環水系統的阻垢。

根據此方案設計的阻垢裝置，可分為阻垢系統、控制系統、管路系統和信號采集系統。同樣以PLC作為控制核心，通過信號采集系統在線監測泵站循環水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，保證抽采系統無垢運行。阻垢系統設有自動加藥裝置，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定、致密牢固的保護膜的同時阻止了水垢的產生，阻垢率能達到95%以上。管路系統通過快速接頭與瓦斯抽采泵站循環水管路連接，形成阻垢循環系統，由PLC 進行控制，實時對循環水水質進行監測，根據水質監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系統中，完成連續阻垢。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 工業試驗

3.1 除垢試驗

泵站內共有5 臺水環真空泵及氣水分離器，經與礦方協商后確定，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，經內窺鏡檢查內部無垢，暫不清洗。

根據現場實際情況卸下水環真空泵兩側排污口盲孔法蘭，改裝法蘭盤連接，作為除垢系統中水環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的回水管路。水環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 層較厚的腐蝕產物，這主要是鐵元素被氧化，變成Fe3+，腐蝕產物的主要成分是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水系統，定量投放阻垢試劑，運行1 個月后，取循環水水樣進行實驗室檢測，阻垢后循環水樣檢測結果見表4。由表4 可以看出，經過阻垢處理后，循環水的堿度由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，水環境明顯改善。

表4 阻垢后循環水樣檢測結果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）前期除垢通過水質在線監測、智能化藥劑投放等功能設計，實現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）設備內部水垢清除徹底，管道表面整潔光滑；阻垢系統運行1 個月后，循環水水質明顯改善，出垢率和腐蝕率明顯下降。該方案使瓦斯抽采泵站實現了無垢運行。