超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)在古城礦選煤廠的應(yīng)用

崔曙光，李晉雄，王 成

(1.山西潞安礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 古城煤礦，山西 長治 046000；2.南通王朝礦業(yè)設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226000)

選煤廠生產(chǎn)工藝中破碎、篩分、給煤及膠帶、刮板機轉(zhuǎn)載等環(huán)節(jié)，極易產(chǎn)生10 μm以下的飄浮粉塵。受氣流影響，這些浮塵會隨氣流在空氣中擴散，最終彌漫至整個車間及棧橋。當(dāng)這些煤浮塵高度聚集達(dá)到臨界點時，極易引起煤塵爆炸等重大安全生產(chǎn)事故。飄浮粉塵屬呼吸性粉塵，對工作人員的身體健康容易造成巨大危害。煤塵散落在生產(chǎn)設(shè)備上，不僅會加快設(shè)備磨損，還會降低電氣絕緣水平而引發(fā)電氣事故；現(xiàn)代化選煤廠集控系統(tǒng)布置的監(jiān)控攝像頭長期處于煤塵環(huán)境中，監(jiān)控畫面清晰度得不到保障，對安全監(jiān)管造成不利影響；煤塵飄浮也是一種無序排放損耗，給選煤廠帶來了一定的經(jīng)濟損失。

近年來，隨著國家對環(huán)保工作重視程度的提高和大型煤企對自身高效安全潔凈生產(chǎn)的要求，選煤廠的粉塵治理工作迫在眉睫。

1 選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合分析

山西潞安礦業(yè)(集團)古城煤礦選煤廠位于山西省長治市，設(shè)計產(chǎn)能8.0 Mt/a，于2018年12月完成聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，2019年上半年正式投產(chǎn)。古城選煤廠地處晉東南專區(qū)，屬寒冷地區(qū)，極端最低溫度平均值為-23.3 ℃。選煤廠設(shè)在古城煤礦主井工業(yè)場地，原煤主要來自古城煤礦。

選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)主要分為4大板塊：原煤轉(zhuǎn)運、大塊破碎、儲存線；原煤篩分、準(zhǔn)備線；主廠房洗選加工線；產(chǎn)品煤運銷線。鑒于主廠房洗選加工采用水洗工藝，所以選煤廠超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)涵蓋了除主廠房洗選加工線外的3條生產(chǎn)線。涉及產(chǎn)塵的帶式輸送機19臺，刮板輸送機9臺，給煤機52臺，破碎機3臺，篩分機3臺。通過分析選煤廠工業(yè)場地建筑布局及結(jié)構(gòu)，考慮到除塵系統(tǒng)管路走向，本系統(tǒng)選擇了原煤西倉上、原煤準(zhǔn)備車間頂樓及地銷倉上作為3條生產(chǎn)線上除塵系統(tǒng)的主設(shè)備安放點，位置示意見圖1。

圖1 除塵系統(tǒng)主設(shè)備安放點位置示意

2 超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)工作原理

作為新型除塵設(shè)備的超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)，依據(jù)飄浮粉塵的特性，采用特制工藝的噴嘴，使分配合理的液體和氣體在噴頭震動處交匯，產(chǎn)生高頻率的機械超聲波，在氣液界面處形成表面張力波，使液體分子被超聲作用力破壞，從液體表面脫出形成霧滴，從而液體被連續(xù)霧化為氣溶膠狀態(tài)1～10 μm的干霧。干霧霧滴噴射速度低，所需載氣的流量小，極易與飄浮粉塵產(chǎn)生碰撞吸附，而后凝結(jié)沉降，最終實現(xiàn)降塵除塵。干霧除塵過程示意見圖2。

圖2 干霧除塵過程示意

3 超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)綜述

超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分區(qū)控制，現(xiàn)場總線與光纖環(huán)網(wǎng)相結(jié)合。每個區(qū)域都由系統(tǒng)供電單元、動力源控制單元、PLC控制單元、干霧主機、就地電控/執(zhí)行/分配單元、信號采集單元、超聲干霧發(fā)生器單元(噴嘴萬向總成)及多級過濾裝置等設(shè)備組成(注：因現(xiàn)場室內(nèi)均設(shè)有采暖設(shè)施，本系統(tǒng)未設(shè)置電伴熱保溫；本系統(tǒng)所用壓縮空氣由選煤廠空壓機房提供，未另設(shè)空氣壓縮機及儲氣罐)。

根據(jù)古城礦選煤廠地面安全管理規(guī)定，置于車間內(nèi)的電氣設(shè)備必須是礦用防爆型或本質(zhì)安全型，所以本項目所涉及的配電、PLC柜、動力源電機、啟動器、電磁閥、接線盒、電纜及儀表等均為煤安產(chǎn)品，煤安證、防爆證齊全。

3.1 系統(tǒng)配置及構(gòu)成說明

本系統(tǒng)適用于選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)干霧除塵的就地控制、自動控制和遠(yuǎn)程集中控制，通過控制噴霧管路中氣路電磁閥和水路電磁閥的開啟與關(guān)閉，自動開啟或停止干霧除塵，達(dá)到全自動降塵除塵的目的。

系統(tǒng)可在線顯示各被控設(shè)備的開停狀態(tài)、通訊狀態(tài)和控制方式狀態(tài)，可在缺水、缺氣、電源故障等狀態(tài)下自動停機；控制系統(tǒng)預(yù)留5%～10%的備用量，單一故障不會引起整個系統(tǒng)故障，也不會引起系統(tǒng)保護(hù)的誤動作或拒動。

上位機：在集控中心設(shè)置1臺研華工控機、1臺24英寸顯示器、監(jiān)控軟件以及1臺光纖交換機。上位機與PLC控制柜通過光纖通訊，實現(xiàn)對噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動和自動控制，并能顯示各噴霧降塵點的運行狀態(tài)。

配電裝置：容量10.0 kVA，660 V輸入電壓，380 V/127 V輸出。

動力源：304沖壓不銹鋼自控水箱；前置二級反沖洗過濾器，過濾精度分別為150目和200目；水箱自動上水并帶水位自控電接點輸出；增壓泵站包含增壓泵、止回閥、穩(wěn)壓器、機座等。增壓泵的配置有一定富余量，配置方式為1用1備模式。增壓泵將過濾儲存水箱中相對干凈的水增壓至系統(tǒng)所需的壓力。

PLC控制柜：電源127 V輸入，內(nèi)置AB 1756系列PLC，操作面板設(shè)有10英寸觸摸屏和各種操作按鈕。PLC控制柜可以采集現(xiàn)場設(shè)備的缺水、缺氣信號，實現(xiàn)缺水、缺氣報警并保護(hù)停機。同時對安裝現(xiàn)場的干霧主機內(nèi)的總管路電磁閥和動力源泵組進(jìn)行控制。PLC控制柜與各區(qū)域內(nèi)安裝的就地控制箱通訊，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有本安箱操作與觸摸屏顯示功能。PLC控制柜內(nèi)設(shè)有通訊接口，與集控中心上位機通訊(Ethemet/IP)，實現(xiàn)數(shù)控上傳。

選煤廠除塵系統(tǒng)在3條生產(chǎn)線上各設(shè)1臺PLC控制柜，全廠共設(shè)3臺。

干霧主機：將氣、水過濾后，以設(shè)置的氣壓、水壓、氣流量、水流量經(jīng)過管道輸送到各就地執(zhí)行分配箱中，驅(qū)動超聲霧化噴嘴實現(xiàn)噴霧除塵。主機由電磁閥及進(jìn)、出氣管道和進(jìn)、出水管道等安裝在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的防塵、防水鈑金箱體內(nèi)。主機內(nèi)氣路與水路管道間設(shè)1個吹掃聯(lián)通閥，冬季系統(tǒng)投運時，為避免管路存水引起結(jié)冰凍裂水管，通過吹掃聯(lián)通閥將高壓空氣引入水路管道進(jìn)行吹掃，且在管路末端相應(yīng)設(shè)置了排空閥。

就地控制箱：采用127 V輸入電源，掛壁式安裝，內(nèi)置可編程控制板，具有2路127 V控制電路輸出。在每個噴霧降塵點各安裝1臺就地控制箱，就地控制箱實現(xiàn)對電磁閥供電和開關(guān)控制，并通過總線與PLC控制柜通訊上傳數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程控制指令。

干霧執(zhí)行箱及水氣分配器：根據(jù)自動或手動控制，接收自超聲干霧主機輸送來的恒壓可控的水、氣，經(jīng)過二級精密過濾，并通過對氣水的流量控制、分配，將其進(jìn)一步調(diào)節(jié)至超聲霧化噴嘴所需的壓力和流量，通過水氣分配器調(diào)節(jié)輸送至各霧化噴嘴，驅(qū)動噴嘴發(fā)生器產(chǎn)生10 μm以下的干霧。

水氣連接管線及各類閥門 ：將超聲干霧主機、就地執(zhí)行分配單元、噴嘴單元、空壓機、儲氣罐、水源等設(shè)備按要求連接起來。

萬向節(jié)總成：接收由分配箱輸送來的氣、水，并將其轉(zhuǎn)化成直徑1～ 10 μm的干霧，按PLC柜發(fā)送的控制指令噴向除塵點。干霧與粉塵顆粒相互接觸、碰撞，并與粉塵顆粒相互粘結(jié)、凝聚而變大，在自身重力作用下沉降，從而達(dá)到除塵的作用。萬向節(jié)總成見圖3。

圖3 萬向節(jié)總成

3.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

電源：三相 AC，660 V±10%，50 Hz；

控制執(zhí)行部分電源：AC127 V±10%，50 Hz；

環(huán)境溫度：0～+40 ℃(室內(nèi))；

環(huán)境濕度：不大于95%(+25 ℃)；

海拔不超過2 000 m，周圍環(huán)境壓力為80～106 kPa；

系統(tǒng)功耗：不大于25 kVA；

耗水量：不大于5 m3/h；

水壓力值：低壓0.3～0.8 MPa(可調(diào)節(jié))，中壓1.0～2.0 MPa(可調(diào)節(jié))；

耗氣量：不大于40 m3/min；

氣壓力值：0.4～0.7 MPa(可調(diào)節(jié))；

霧滴直徑：不大于10 μm；

集塵罩內(nèi)除塵效率：不小于95%；

開放空間除塵效率：不小于90%；

單個噴嘴覆蓋范圍：不小于1.5 m2；

物料增重：不大于0.05%；

系統(tǒng)具有自動吹掃排水功能；

防爆型式：Exd I Mb，Exib I Mb，Exd[ib ]I Mb。

3.3 自動化控制

遠(yuǎn)程控制方式：通過集控室上位機對超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

集中控制方式：通過現(xiàn)場設(shè)置的PLC控制柜觸摸屏或本安操作箱進(jìn)行集中控制。

就地(手動)控制方式：將安裝在現(xiàn)場的就地控制箱設(shè)置為就地模式，通過控制箱上的操作按鈕進(jìn)行單個控制。

顯示、語音報警功能：各工作區(qū)域的PLC總柜設(shè)全彩液晶屏，通過圖形、動畫及漢字形式顯示：各除塵器工作狀態(tài)，就地/遠(yuǎn)程狀態(tài)，泵組工作狀態(tài)，氣壓、水壓、水箱水位等信息，遇通訊故障或水壓、氣壓、液位等異常，彈出報警框并伴語音報警。

保護(hù)措施：具有接地保護(hù)、漏電保護(hù)功能。

自動運行：① 讀取選煤廠集控系統(tǒng)中各生產(chǎn)線下轄的工藝設(shè)備啟停信號，在首臺聯(lián)鎖設(shè)備啟車時即自動開啟主設(shè)備區(qū)動力源泵組和噴霧主機總水路、氣路電磁閥，為除塵系統(tǒng)主管路補水增壓和輸送高壓空氣，并按預(yù)設(shè)時序完成噴霧前的準(zhǔn)備工作；② 在工藝設(shè)備帶煤運行前，根據(jù)讀取到的設(shè)備啟停信號，開啟相應(yīng)除塵點的電控執(zhí)行箱電磁閥，提前對產(chǎn)塵工藝設(shè)備除塵點進(jìn)行預(yù)噴霧；③ 各生產(chǎn)線下轄并列運行的工藝設(shè)備按需開啟或停止，相應(yīng)除塵點即自動開啟或延時停止噴霧；④ 各生產(chǎn)線下轄聯(lián)鎖設(shè)備停車后，經(jīng)過預(yù)設(shè)的延時時間(《選煤廠安全規(guī)程》規(guī)定，延時5 min)后，除塵系統(tǒng)自動停止噴霧；⑤ 為防止水路管道日常積垢和冬季結(jié)冰，除塵系統(tǒng)在停止噴霧后，通過噴霧主機內(nèi)置的水氣管路聯(lián)通閥，引入高壓空氣對水路管道及干霧噴嘴進(jìn)行自動吹掃。為加快吹掃速度，此時各生產(chǎn)線管路末端排空閥自動開啟，加速排空管道余水。

綜上所述，超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)應(yīng)用“一個粉塵粒子只能被相同大小的水霧粒子捕獲團聚”這一原理，產(chǎn)生10 μm以下與微細(xì)粉塵粒徑相近的霧滴來有效捕獲粉塵，霧滴與懸浮在空氣中的粉塵，特別是直徑在5 μm以下的可吸入粉塵顆粒進(jìn)行有效吸附而聚結(jié)成團，受重力作用而沉降，從而達(dá)到抑塵除塵目的。系統(tǒng)直接將粉塵抑制在產(chǎn)塵點，由于霧滴微細(xì)，耗水量少，抑塵后物料的增濕控制在0.05個百分點以下，不會給后續(xù)工藝環(huán)節(jié)帶來影響。

3.4 選煤廠系統(tǒng)除塵器分布

本系統(tǒng)除塵器在選煤廠的分布明細(xì)見表1。

表1 系統(tǒng)除塵器分布明細(xì)

注：序號5，105—107破碎機采用超聲沖量噴嘴。

4 除塵系統(tǒng)應(yīng)用效果與優(yōu)勢分析

4.1 應(yīng)用效果

選煤廠除塵系統(tǒng)共安裝超聲霧化(干霧)除塵器101臺，布置噴嘴515只。自除塵系統(tǒng)投入使用，并正常運行后，經(jīng)現(xiàn)場測試，105/106/107破碎機、161/162/163地下膠帶走廊、204/205/206振動篩等高產(chǎn)塵點，粉塵濃度由原來最高366.71 mg/m3最低降至9.27 mg/m3，集塵罩內(nèi)除塵效率95%以上。選煤廠除塵效果完全符合環(huán)保要求。

按古城礦選煤廠原煤處理量1 515 t/h計算，超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)噸煤耗氣量1.108 m3，噸煤耗氣成本0.155元；噸煤耗水(中水)量2.3 L，噸煤耗水成本0.003元；噸煤耗電0.016 kW·h，噸煤耗電成本0.016元，以上噸煤除塵成本合計0.201元。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

(1)系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動化運行，集控/遠(yuǎn)程/就地控制方式便捷切換，與選煤廠集控系統(tǒng)互聯(lián)互通，滿足現(xiàn)代化選煤廠集中控制要求；

(2)系統(tǒng)抑塵效果好，集塵罩內(nèi)除塵效率在95%以上，避免矽肺病危害；

(3)系統(tǒng)資源節(jié)約效果明顯，與普通濕式除塵技術(shù)相比，用水量只有1/1000，與此同時，增加的物料含水量控制在0.05%以內(nèi)，不存在物料熱值損失的情況；

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，實際占地面積小，操作便利；

(5)系統(tǒng)在產(chǎn)塵源頭進(jìn)行治理，且無須清灰，避免了二次污染，極大改善了除塵管理人員的工作環(huán)境；

(6)系統(tǒng)僅布置供氣、供水連接管路，沿墻布置不占用工作空間，不需布置抽風(fēng)管道，對生產(chǎn)空間及設(shè)備沒有任何影響；

(7)系統(tǒng)自帶停機吹掃功能，即使在冬季嚴(yán)寒氣候下使用，也不會因管路存水造成管路結(jié)冰凍裂，確保系統(tǒng)在冬季也能正常運行；

(8)干霧對各產(chǎn)塵環(huán)節(jié)的煤塵進(jìn)行包覆并使其沉降在原有煤料中，煤料損失減小，明顯提高了經(jīng)濟效益；

(9)系統(tǒng)設(shè)備一次性投資建設(shè)并投入運行，大大降低了粉塵爆炸幾率，減少了消防設(shè)備投入；

(10)系統(tǒng)后期運行維護(hù)費用低，不存在大批量的替換耗材。

5 結(jié) 語

超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)在古城選煤廠的應(yīng)用，符合國家環(huán)保政策，為選煤廠安全生產(chǎn)、職業(yè)病的有效防治、延長設(shè)備使用壽命及提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益提供了有效保障。

超聲霧化(干霧)除塵系統(tǒng)在今后的設(shè)計和實施過程中，要力求與選煤廠工藝流程、設(shè)施設(shè)備布局結(jié)構(gòu)高度切合，并輔助使用各類軟密封、阻尼抑塵簾，以達(dá)到最優(yōu)的除塵效果。