全自動氣水聯動霧化降塵系統的研究與應用

胡耀杰(陽泉市燕龕煤炭有限責任公司 程莊煤礦，山西 陽泉 045000)

·技術經驗·

全自動氣水聯動霧化降塵系統的研究與應用

胡耀杰
(陽泉市燕龕煤炭有限責任公司 程莊煤礦，山西 陽泉 045000)

針對膠帶巷中轉站內空間布置的復雜性以及傳統噴霧降塵系統的局限性，提出并設計了由粉塵濃度自動監測與報警、行人紅外感應、煤流監測、自動噴霧和遠程控制5個單元組成的全自動氣水聯動霧化降塵系統，闡述了它的信號傳輸方式、工作原理和操作注意事項，并在某礦2 090 m巷道斷面處進行了應用試驗。實踐結果表明：該系統結構簡單實用、運行穩定可靠，既能及時自動啟閉噴霧，取得良好的降塵效果，又能智能調節噴霧量，經濟實用，具有大范圍推廣的應用價值。

全自動氣水聯動霧化降塵系統；降塵效果；噴霧量

受限于巷道空間布置的復雜性，濕式噴霧仍是目前煤礦井下最佳的降塵手段。傳統的噴霧降塵裝置(系統)大多依靠人工手動操作或電動智能控制來實現開停，但是前者存在人員需求多、勞動效率低、易遺忘等不足，電動智能控制噴霧裝置又存在成本高、環境要求苛刻、故障率高、維護周期短等缺陷[1,2]. 當前，設備智能控制技術的發展為噴霧降塵的遠程集中化、自動化提供了發展動力，且氣水霧化理論研究的成熟促進了噴霧除塵工藝的優化改進[3-5]. 基于此，本文以某礦的膠帶巷中轉站為依托，開展全自動氣水霧化除塵系統的研究與應用效果分析。

1 工程背景

某年產千萬噸的現代化礦井采用斜井提升的運輸方式，單日最大原煤產量可達5～6萬t，經主斜井膠帶運出地面。主斜井全長近5 000 m，膠帶運速高達5 m/s，最大運煤量4 800 t/h. 由于距離長、載荷大、速度快，在主斜井巷道里程2 100 m附近設置中轉站進行運輸過渡，中轉站內具有設備繁多、空間狹小、風流不穩、溫度高特點，加上轉載點煤流的快速拋擲，導致此處的粉塵濃度嚴重超標，實測巷道內粉塵濃度最高可達306.83 mg/m3，不僅影響巡查作業視線、損害職工身心健康、加速設備軸承磨損、污染下游巷道風流，還埋下了煤塵自燃或爆炸的安全隱患。雖然在落煤口上風側附近安裝了單相噴霧裝置，但降塵效果不佳，且灑水量過大，造成中轉站膠帶打滑、路面積水；此外，人工關停噴霧時，需穿梭于大型設備之間，既不便利也不安全。

2 全自動氣水聯動霧化降塵系統的設計

2.1設計理念

以噴霧降塵系統裝置控制智能自動化、系統穩定可靠、運行高效地設計原則，以粉塵濃度傳感器、觸控傳感器、人體熱釋紅外傳感器等傳感器為監測元件，對中轉站內的粉塵濃度、煤流高度、行人進行監測，采集到的信號經A/D轉換后傳輸至相關的噴霧控制器，噴霧控制器經邏輯分析判斷后作出噴霧響應[6]. 噴霧控制器又分為主控制器和分控制器，主、分控制器之間采用主從式結構體系，經RS-485總線通信進行信號傳遞：主控制器通過輪詢的方式逐一檢查每一分控器的狀態信息，確保在任何時候，僅存在一對主控器和分控器之間進行數據接收或發送，不會發生通信沖突。

該系統的主要設計功能如下：實時連續監測巷道內的粉塵濃度，當粉塵濃度超標時自動報警，濃度超過設定值時，自動開啟噴霧；當觸控運行的膠帶上有煤流時，也能激發自動噴霧裝置開啟，并能根據煤流量的不同對噴霧水量進行調整；當監測到有人要經過噴霧斷面時，噴霧應立即自動停止，避免行人被淋濕。此外，利用控制器通信端口的兼容性，將該自動噴霧降塵系統接入井下環網交換機，將傳感器采集到的信息及噴霧開停狀態實時傳輸至地面監控終端，實現對監控數據的儲存、分析與打印。

2.2控制系統的組成

整個全自動氣水聯動霧化降塵系統是由粉塵濃度自動監測與報警單元、行人紅外感應單元、煤流監測單元、自動噴霧單元和遠程控制單元5個部分組成的開環控制系統，根據元器件性能的不同，可將系統的控制裝置分為監控元件、控制組件、執行元件、電源、氣水霧化組件和其它輔件。

1) 監控元件。監控元件的功能主要是對巷道環境參數進行采集，包括：ZP-12R型紅外光控傳感器1對、GCG500粉塵濃度傳感器1臺、GUJ45礦用本安型觸控傳感器1臺。

2) 控制組件。因PLC具有很強的可靠性和靈活性，因此，選用帶RS-485通訊接口的礦用本安型監控分站，其內部的PLC模塊可對接收的信號進行邏輯運算。

3) 執行元件。選用2個DFH-20/10礦用本安型電動球閥來驅動氣、水兩相管路的開閉，其具有電壓低、流量大、內部澆結電池蓄電等優勢。

4) 電源。煤礦井下的電壓大多為交流127 V，選用具有蓄電功能的KDW65型的礦用隔爆兼本安不間斷電源對傳感器、監控分站、電動球閥進行供電，其輸入電壓范圍為AC127/36V，額定輸出電壓為DC15V，它提供三路本安電源輸出、供電狀態輸出信號。電源的電壓和電流、蓄電池的工作狀態、供電狀態輸出信號在液晶顯示板上顯示的同時，均可以上傳，實現遠程查看。

5) 氣水霧化組件。氣水霧化組件包括氣水混合箱1個、裝有JBC型霧化噴嘴8個(3個備用)、d25 mm的兩層鋼絲編織高壓膠管(帶接頭)數根。

6) 其它輔件。輔助配件包括截止閥(檢修時強制關閉上級氣路和水路)、快插接頭、水質過濾器、通信電纜、三通接線盒、絕緣膠布、安裝工具等。

2.3系統的工作原理

系統的信號傳輸流程見圖1，三路傳感器將采集到的工況信號經A/D轉化后，傳遞給相應球閥殼體內的單片機，單片機對傳入的高頻脈沖信號或低電平紅外線信號進行再次轉換處理，輸出高電平感應信號給主控器(監控分站)，經PLC邏輯判斷后，輸出開關量信號，促使控制各自電動球閥的繼電器動作，使閥體轉動，實現全自動噴霧[7]. 系統的通信模塊基于RS-485通信的MAX1487E芯片，利用單片機來控制芯片的接收使能和驅動使能端口，避免數據傳輸過程中發生沖突[8].

圖1 信號傳輸/控制流程圖

全自動氣水聯動霧化降塵系統的工作原理見圖2. 迎風安裝的粉塵濃度傳感器監測到巷道粉塵濃度超過設定閾值時，發出報警聲，并引起氣、水電球閥響應，引起自動噴霧；當懸掛在皮擋上方的觸控傳感器的觸桿被煤流持續撞擊時，也開啟自動噴霧，且監控分站PLC會根據高頻脈沖信號的強弱調整球閥的開啟程度，控制噴霧量；當安設在噴霧斷面上、下游巷道壁面上的人體熱釋光敏光控傳感器感應到行人要經過時，噴霧系統關閉，確保不被淋濕，行人過去后恢復噴霧。

為了避免井下濕度、噪音以及煤流量不穩定影響傳感器信號，造成電動球閥的頻繁轉動、磨損，降低使用壽命，進行延時設置，傳感器采集到同一信號間斷時間大于10 s時，方可改變傳輸給單片機的信號狀態。此外，為了減少噴嘴堵塞幾率，通過PLC延遲控制，每次噴霧開始時，水路球閥比氣路球閥早5～10 s開啟；噴霧關閉時，氣路球閥比水路球閥晚15～20 s關閉，將管內水吹干凈，避免生銹堵塞。

3 系統的應用

監控分站和電源箱一起安置在中繼站五聯巷附近，噴霧斷面選在2 090 m位置處，粉塵濃度傳感器掛在噴霧斷面下游15 m左右處的供水鋼管上；觸控傳感器安裝在皮帶正上方，觸桿距皮帶最底部有15～25 cm；兩個人體熱釋光敏光控傳感器分別用水泥釘固定在噴霧斷面上、下游15 m左右處的巷道墻壁上；氣水兩相霧化噴霧噴嘴用鋼絲高壓膠管串聯起來，呈一字型安裝固定在巷道的工字鋼橫梁上；電動球閥就近安裝在噴霧斷面附近，一端接入井下高壓供水(風)管網，另一端連接噴嘴，實現自動氣水霧化降塵。噴霧實景效果見圖3，霧化粒徑細小，擴散距離遠，霧化角度大，噴霧范圍覆蓋整個巷道斷面。噴霧斷面下游100 m范圍內的霧化降塵效果量化分析見圖4. 由圖4分析可知：

圖2 系統工作原理圖

1) 噴霧開啟前，全塵濃度值為113.98～148.69 mg/m3，平均131.34 mg/m3；噴霧后，全塵濃度值為8.59～20.83 mg/m3，平均14.71 mg/m3. 全塵降塵效率為85.99%～92.46%，平均89.23%，取得良好的降塵效果。

圖3 霧化效果實景圖

圖4 噴霧前后全、呼塵濃度沿程變化曲線圖

2) 噴霧前后，呼吸性粉塵濃度分別為67.03～85.96 mg/m3、3.49～9.53 mg/m3，其平均值分別為76.50 mg/m3、6.51 mg/m3，100 m巷道沿程內的呼吸性粉塵降塵效率為88.91%～94.79%，平均91.85%，說明氣水聯合霧化霧滴能更好地與呼吸性粉塵發生耦合作用，促使大量的細小塵粒團聚沉降，凈化巷道空氣。

3) 噴霧前，全、呼塵濃度隨著沿程增加而上下波動，整體變化不大，而噴霧后，全、呼塵濃度均隨著距離的增大而不斷變大，說明降塵效率隨著距離的增加呈遞減趨勢，這是因為霧滴向下游飄散過程中，不斷碰撞、蒸發，導致霧滴密度逐漸下降。

4 結 語

全自動氣水聯動霧化降塵系統使用程序編程控制，優化了電器元件，系統工作原理簡單，通信傳輸穩定可靠，裝置構件易于維護、更換，克服了以往人工手動噴霧和電動控制噴霧系統成本高、效率低、故障率高、維護周期短等諸多弊端，既實現了自動啟閉噴霧，取得良好的霧化降塵效果，又可通過對巷道行人的紅外感應，及時關閉噴霧，避免淋濕行人。此外，該系統還可根據膠帶煤流量的大小合理控制噴霧量，節約用水，減少皮帶打滑、巷道積水現象，實現了煤礦井下粉塵防治的智能化、高效化，對于建設現代化綠色智能礦山具有積極意義。

[1] 谷保健,王冠宇,李 明.膠帶機轉載點全自動氣水聯動噴霧裝置[J].煤礦安全,2015,46(05):124-126.

[2] 周連春,馬嗣卓,張金山,等.自動噴霧裝置在老石旦煤礦的實踐與應用[J].煤炭技術,2016,35(05):166-168.

[3] 秦曉程.礦用自動噴霧降塵系統的設計與實現[D].大連：大連理工大學,2016.

[4] 劉 濤,張 健,郭勝均.粉塵濃度在線監測及降塵裝置研制[J].煤礦機械,2015,36(10):193-196.

[5] 蔣仲安,王 明,陳舉師,等.氣水噴嘴霧化特征與降塵效果分析[J].哈爾濱工業大學學報,2017,49(02):151-157.

[6] 崔功剛,史俊偉,譚曉松.膠帶轉載點煤塵自動監測與噴霧降塵系統[J].煤礦安全,2011,42(11):48-50.

[7] 汪海華.煤礦井下自動噴霧降塵系統設計[J].中州煤炭,2012(10):8-9,12.

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ResearchandApplicationofAutomaticMistWaterLinkageAtomizationDustSuppressionSystem

HUYaojie

In view of the complexity of the space arrangement in the transfer station of belt conveyor and the limitations of the traditional spray dust control system, a fully automatic mist water linkage and dust suppression system was proposed and designed, which integrated the five functions of automatic monitoring and alarming of dust concentration, pedestrian infrared induction, coal flow monitoring, automatic spray and remote control. The signal transmission mode, working principle and operation notes of system were elaborated, and the application test was carried out at the 2 090 m tunnel section in a coal mine. The practical results show that this system has the advantages of simple in structure, stable and reliable in operation, which can automatically start and close the spraying system in time, obtain good dust suppression effect, can smartly adjust the spraying quantity, and has enormous value both practically and economically.

Automatic mist water linkage atomization dust suppression system; Dust reduction effect; Volume of spray

2017-07-24

胡耀杰(1989—)，男，山西陽泉人，2013年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事“一通三防”技術管理工作(E-mail)2149261507@qq.com

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1672-0652(2017)10-0030-04