煤礦瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統設計與應用

李 凡

（晉能控股裝備制造集團趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

趙莊煤業屬于高瓦斯礦井，由于煤層中的瓦斯氣體含量較高，煤炭開采過程中瓦斯氣體釋放量較大，易發生瓦斯爆炸災害，給礦井生產安全帶來極大的危害[1-4]。目前趙莊煤業工業廢水處理成本高，回收利用率低，且地面污水處理廠已滿負荷運行。采用RO 反滲透膜軟化水技術和平板陶瓷膜相結合的工藝對瓦斯泵站循環水進行凈化處理，是一種全新的嘗試。

趙莊南蘇風井瓦斯抽放泵站是該礦瓦斯抽放系統的核心設備，瓦斯泵站循環水鈣鎂離子含量高，極易導致泵體及其連接管道中結垢，嚴重影響了瓦斯抽放泵穩定運轉。結垢還會導致抽放耗能，導致檢修費用增加，增大日常檢修工作量[5-7]。本文通過研發瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化自動控制系統，針對瓦斯泵站無人化值守遠程控制凈化水系統，該系統利用平板陶瓷膜技術和反滲透工藝相結合，濾除循環水中的固體懸浮物雜質，對廢水進行循環利用，盡可能降低瓦斯泵站的結垢現象，從而既能保證瓦斯抽放泵站的正常高效運行，又為礦井安全生產提供保障，解決了泵站循環水水質對機組的影響，抽放泵故障風險降低，抽放效率進一步提升。

1 系統方案設計與實施

1.1 技術路線研究

為了解決趙莊煤業南蘇風井瓦斯抽放泵站循環水對瓦斯抽放泵的結垢銹蝕影響，保障礦井瓦斯的高效安全抽采，對現有瓦斯抽放泵站循環水系統進行優化設計和自動化升級改造，采用的技術路線如圖1 所示。通過現場調研進行方案設計、凈化系統實施和自動控制技術開發，從而實現對瓦斯抽放泵循環水凈化系統的自動控制和調節，滿足現場使用要求。

圖1 技術路線

1）現場調研、查閱資料。與礦方技術人員一起進行現場調研，了解現有模式存在的問題，并由此而帶來的影響，明確研發目標，了解操作人員、技術人員及管理人員對項目的需求，查閱技術資料了解國內外發展情況及其他廠家或者已經實施項目的優缺點，研究凈化工藝路線設計方案。

2）系統方案設計。通過采用平板陶瓷膜，研發一套中水回用設備，對于瓦斯泵站循環水，設計安裝一套RO 反滲透膜裝置，一套平板陶瓷膜凈化裝置，一套壓濾裝置，一套上位機控制系統。循環水經過凈化處理后，水質得到改善，硬度降低，適合瓦斯抽放工作使用，能夠提高機組運行效率，降低因結垢導致的故障風險。

3）現場安裝、調試。根據系統設計安裝中水回用設備、RO 反滲透膜裝置、平板陶瓷膜凈化裝置、控制系統等，并進行現場調試。

1.2 系統方案設計與關鍵技術

瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統主要是去除水體中懸浮物、鈣鎂離子和其他鹽離子，保持循環水中懸浮物和各種離子符合運行要求，主要采用平板陶瓷膜與RO 反滲透相結合的凈化工藝，如圖2所示。該工藝系統主要由反清洗過濾器、平板陶瓷膜箱、保安過濾罐、高壓泵、RO 反滲透裝置和循環水池組成，通過閥門和管路將整個系統連通，實現了瓦斯泵站循環水凈化利用。

圖2 瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化原理圖

1）平板陶瓷膜技術

如圖3 所示，平板陶瓷模組是將單片的平板陶瓷膜進行多膜片組裝黏合，并將過濾清洗循環裝置集成到多片膜組內，同時為避免膜片破損后導致的水質污染，破損的膜片可通過逆止閥逐個隔離，每破損一片影響裝置總體處理能力的0.05%，不會影響膜組整體運行。

圖3 平板陶瓷膜組

2）RO 反滲透技術

RO 反滲透是用足夠的壓力使溶液中的溶劑通過反滲透膜而分離出來，方向與滲透方向相反，可使大于滲透壓的反滲透法進行分離、提純和濃縮溶液。利用反滲透技術可有效去除水中各種鹽分及鈣鈉鎂離子等雜質，使產水水質滿足生產工藝用水水質要求。反滲透膜的主要分離對象是溶液中的離子，無需化學品即可有效脫除水中鹽分，系統除鹽率一般為98%以上。

1.3 系統方案實施

根據瓦斯抽放泵工作原理，將出水管路先接入反清洗過濾器，經過濾器處理完的循環水通過管路進入平板陶瓷膜箱，除去循環水中1～50 μm 固體懸浮物顆粒。膜箱內包含平板陶瓷膜組、就地控制開關和氣動控制閥組，膜箱與循環水池之間設有反洗管路，該反洗管路的一端與膜箱的反洗進水口連接，另一端與循環水池連通。膜箱上還設有排污管路和用于通入壓縮空氣的進氣管路，膜箱的進出口設有壓力變送器。當平板陶瓷膜箱進出口壓差達到設定值時，氣動控制閥組可開啟陶瓷膜反向沖洗閥門，循環水在一定壓力作用下持續反沖洗陶瓷膜，這樣可保持陶瓷膜穩定的通透率，起到免維護的作用。同時，該膜箱過濾出來的循環水一部分進入RO 反滲透裝置，另一部分循環水通過反洗管路直接到達循環水池。

保安過濾罐能夠對RO 反滲透裝置起到保護作用。保安過濾罐的過濾精度為1～5 μm，內部濾芯能根據不同水質和壓力條件進行調整。保安過濾罐上裝有防爆電子壓力表，可以實時監測進水口和出水口的水壓。當進出口壓差達到設定值時，需及時更換過濾器內部濾芯，避免保安過濾罐作用失效。

RO 反滲透裝置的產水脫鹽率可達到98%以上，能夠滿足瓦斯抽放泵循環水要求：硬度（CaCO3計）≤50 mg/L，SS ≤30 mg/L，pH7～pH9。RO 反滲透裝置可通過配置反滲透元件的數量達到瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統需要的產水量。RO 反滲透膜除鹽裝置上設有濃水排放管路，可排出工作時產生的濃鹽水（廢水）。RO 反滲透裝置前端安裝阻垢劑加藥裝置，使反滲透膜單元在運行時膜表面不易結垢，避免堵塞膜元件，保證產水率的穩定。

2 系統無人值守控制研究

2.1 控制系統總體方案

瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統無人值守控制總體方案如圖4 所示。本系統基于PLC 自動控制原理，能夠集成電磁閥、提升泵、產水泵、反洗泵、流量計、液位計等設備信號采集和控制指令發送，通信采用RS-485 有線傳輸，巡檢人員可以通過人機界面實時查看系統運行狀態，出現異常系統通過聲光報警器進行報警。

圖4 瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統自動控制原理圖

2.2 系統凈化循環水無人值守控制流程

1）循環水通過反清洗過濾器的進水管路進入，經反清洗過濾器過濾后，PLC 控制打開出水閥門，關閉排污管路閥門。該過程過濾＞50 μm 懸浮物顆粒。

2）PLC 控制打開平板陶瓷膜箱的進水閥門，陶瓷膜箱運行過濾循環水，循環水經過濾后，打開出水閥門，關閉反洗管路閥門、排污管路閥門、進氣閥門，實時監測進水口壓力，壓力超過閾值后，膜箱啟動反清洗。該過程過濾1～50 μm懸浮物顆粒。

3）保安過濾罐進水閥門通過PLC 控制打開，循環水經保安過濾罐過濾后，打開出水閥門進入下一級，壓力表顯示進出水口的壓力。

4）保安過濾罐出水通過連接管路進入高壓泵，高壓泵進行升壓，出水通過連接管路進入RO 反滲透裝置。

5）高壓水進入RO 反滲透裝置，進水閥門、產水閥門和濃水排放管路閥門通過PLC 控制，經過RO 反滲透裝置的合格產水進入循環水池。

6）PLC 對加藥裝置和投料泵進行控制，投料泵輸送加藥箱內的藥液，加藥箱配有液位計，當液位較低時，系統報警，提醒補藥。

7）反清洗過濾器清洗時，PLC 控制關閉反清洗過濾器的出水閥門，打開排污管路閥門，開始自清洗過程，完成清洗后恢復運行狀態。

8）當平板陶瓷膜箱反洗時，PLC 控制關閉平板陶瓷膜箱出水閥門，打開排污管路閥門和進氣管路閥門，通入壓縮空氣，排污管路排出反洗脫落的污染物。

3 應用效果對比

該項目2021 年8 月在趙莊煤業南蘇風井瓦斯抽放泵站完成安裝試運行，于2021 年9 月投入運行，至2023 年3 月已運行18 個月。表1 所示為項目實施后2022 年1 月—2023 年3 月監測情況。

表1 2022 年1 月—2023 年3 月監測數據

從統計結果可以看出：

1）該系統運行期間循環水中懸浮物平均濃度為25.1 mg/L，當監測到水質懸浮物濃度30 mg/L 持續時間較長時，系統會對平板陶瓷膜開啟沖洗，保證膜的通透性狀態良好。

2）Ca2+平均濃度為39.9 mg/L。2022 年7 月監測到循環水中Ca2+濃度偏高，因此更換了RO 反滲透膜，9 月份Ca2+濃度監測數據指標恢復正常。

3）Cl-平均濃度為31.3 mg/L。因經常檢查保安罐過濾系統，Cl-濃度數據穩定。

4）比較抽放電力單耗。項目實施前均值為0.318 kW·h/m3，實施后均值為0.306 kW·h/m3，下降了3.8%。

5）比較備件單耗。項目實施前均值為0.003 5元/m3，實施后均值為0.002，下降42.8%。

水質監測數據符合“瓦斯抽放泵循環水要求”，符合《城市污水再利用 工業用水水質》（GB/T 19923-2005）標準懸浮物30 mg/L、CaCO3含量450 mg/L 以下的要求。運行10 個月后對抽放泵拆機，對過流件和管道進行檢查，內部微弱結垢，符合系統設計，達到預期效果。

4 結語

本文針對瓦斯泵站循環水凈化系統，研究制定了循環水凈化、RO 反滲透脫鹽和污泥濃縮利用方案，通過PLC 集成流量、電導率、壓力、液位等傳感器信號，實現了循環水凈化的遠程自動控制，達到瓦斯泵站危險工作場所無人值守的目標。瓦斯泵站循環水阻垢緩蝕凈化系統能夠有效去除水中的懸浮物和鈣鎂離子，解決了瓦斯抽放泵站循環水的水質問題，降低了抽放泵故障風險，提高了抽放效率，保障了高瓦斯礦井瓦斯抽放安全。