白 雪

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學(xué)研究所有限公司，遼寧 沈陽110011）

設(shè)備垢害是影響瓦斯抽采泵站正常運(yùn)行的長期問題，水環(huán)真空泵內(nèi)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(shí)處理，極易發(fā)生卡泵、泵軸扭斷、燒毀電機(jī)等事故，造成非計(jì)劃停機(jī)，危害瓦斯抽采系統(tǒng)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(fèi)人力物力、清洗效果不佳，還會造成設(shè)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(shù)研究，對于提高瓦斯抽采效率、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 循環(huán)水質(zhì)及垢樣成分分析

新景礦佛洼泵站現(xiàn)有水環(huán)真空泵5 臺，由于泵站長期運(yùn)行，且無水質(zhì)處理和設(shè)備定期維護(hù)，導(dǎo)致水環(huán)真空泵、氣水分離器等設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重，內(nèi)部堆積大量煤泥污垢，抽采阻力和負(fù)擔(dān)大大增加，整個(gè)抽采系統(tǒng)處于低效運(yùn)行狀態(tài)。

2018 年3 月，中煤科工沈陽研究院開始對佛洼泵站循環(huán)水系統(tǒng)及站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行綜合治理研究。首次打開真空泵進(jìn)水口使用內(nèi)窺鏡觀察，泵殼內(nèi)表面和葉輪均被堅(jiān)硬的垢層覆蓋，泵內(nèi)結(jié)垢厚度約為1 cm，最厚處近2 cm。氣水分離器結(jié)垢更為嚴(yán)重，有近2 cm 的舊垢、淤泥堆積在管壁內(nèi)，嚴(yán)重影響整個(gè)抽采系統(tǒng)的工作效率。為進(jìn)一步確定泵站循環(huán)水、補(bǔ)充水的水質(zhì)和水垢成分，為技術(shù)研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐，分別采集了補(bǔ)充水、循環(huán)水水樣和泵內(nèi)壁垢樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定量、定性分析，佛洼泵站水樣檢測結(jié)果見表1，佛洼泵站水垢檢測結(jié)果見表2。

表1 佛洼泵站水樣檢測結(jié)果Table 1 Test results of water samples for Fowa pump station

表2 佛洼泵站水垢檢測結(jié)果Table 2 Test results of scale samples for Fowa pump station

通過對水質(zhì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，補(bǔ)充水鈣離子含量為176.4 mg/L，數(shù)值非常高，說明水質(zhì)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(shí)堿度高，容易結(jié)垢，也容易使設(shè)備發(fā)生銹蝕；從循環(huán)水的檢測結(jié)果得出，濃縮倍數(shù)為12.1 倍，出垢率為57%，對設(shè)備結(jié)垢影響嚴(yán)重。

通過對垢樣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果中發(fā)現(xiàn)部分鐵離子，說明設(shè)備已經(jīng)存在一定的銹蝕。通過觀察口和內(nèi)窺鏡觀察也驗(yàn)證了檢測結(jié)果。

2 水垢綜合治理

2.1 總體方案

目前，解決煤礦設(shè)備垢害的方法主要有物理法和化學(xué)法2 類。物理法主要是指高壓水沖洗，這種方法需拆卸設(shè)備、浪費(fèi)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(zhì)有關(guān)，對硬垢具有一定抑制作用，對軟垢無效?；瘜W(xué)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(yīng)生成可溶物質(zhì)，與垢質(zhì)反應(yīng)生成氣體和松散殘片來除垢，酸類物質(zhì)會對管路和設(shè)備造成腐蝕傷害，且廢液污染水質(zhì)和環(huán)境，耗費(fèi)人力物力。軟化水系統(tǒng)通過化學(xué)原料改變水質(zhì)，除去水中鈣鎂離子，降低水質(zhì)硬度，達(dá)到除垢、阻垢目的，但這種方法無法徹底改變水質(zhì)，消耗大量軟水劑，除垢效果不佳。

上述物理和化學(xué)方法均需要拆卸設(shè)備，操作復(fù)雜、耗費(fèi)人力物力。物理方法對環(huán)境無污染但除垢效果不佳?；瘜W(xué)方法除垢徹底，但污染環(huán)境、腐蝕設(shè)備。綜合分析，為此提出一種基于無機(jī)鹽混合物的全自動在線處理水垢的新方法，使用低磷環(huán)保型無機(jī)鹽除垢劑代替酸洗劑，配合基于PLC 智能控制技術(shù)的全自動在線水垢處理設(shè)備，前期對設(shè)備進(jìn)行清洗除垢，后期對泵站循環(huán)水進(jìn)行在線阻垢，實(shí)現(xiàn)泵站水垢問題的徹底治理。

2.2 特配無機(jī)鹽試劑

為了避免酸性試劑對設(shè)備的腐蝕、對環(huán)境的污染，方案采用一種低磷環(huán)保、原液pH 值接近中性的無機(jī)鹽試劑，其主要成分為無機(jī)酸、減、鹽，并根據(jù)表1 和表2 的水質(zhì)、垢樣分析結(jié)果，加入各種添加劑按特定比例配置而成。試劑主要參數(shù)見表3。

表3 試劑主要參數(shù)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(jīng)過晶核→晶格→晶體3 個(gè)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(gè)階段。只有在晶核的某些活化區(qū)域上，吸附沉淀離子，晶格才能生長，并且經(jīng)過3 個(gè)生長期逐漸形成晶體，也就是水垢。傳統(tǒng)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(fā)生畸變，迫使其夭折于發(fā)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(shè)備內(nèi)已生成的水垢設(shè)計(jì)，根據(jù)垢樣成分配比特定的除垢試劑，研制全自動循環(huán)清洗裝置，輔以水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水環(huán)真空泵和氣水分離器等設(shè)備的徹底除垢。

除垢裝置分為除垢系統(tǒng)、信號采集與控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)。除垢系統(tǒng)包括循環(huán)泵、過濾器、試劑箱、pH 值探測儀、電導(dǎo)率探測儀、測溫儀、濾網(wǎng)等設(shè)備，加入特配無機(jī)鹽試劑，通過設(shè)備與泵體的相互連接，實(shí)現(xiàn)在線清洗；信號采集與控制系統(tǒng)以PLC 控制技術(shù)為核心，通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測pH 值、電導(dǎo)率、溫度、壓力、液位等傳感器，控制除垢系統(tǒng)循環(huán)清洗，并通過判斷pH 值、電導(dǎo)率的變化確定真空泵是否清洗結(jié)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(shí)將垢過濾出來，沉淀到底部排出；之后進(jìn)入二級過濾器，進(jìn)行精細(xì)過濾。二級過濾器需要進(jìn)行濾網(wǎng)清洗，設(shè)計(jì)為手動、差壓、定時(shí)3種清洗方式，均由PLC 進(jìn)行控制。

將各組成部件固定在可移動的車上，留有進(jìn)水、回水接口，通過管路系統(tǒng)快速接頭和軟管同水環(huán)真空泵連接，組成循環(huán)系統(tǒng)，將根據(jù)垢樣分析特配的無機(jī)鹽除垢劑循環(huán)注入真空泵體中，邊加熱邊循環(huán)，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(shè)備經(jīng)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(jìn)一步對泵站循環(huán)水進(jìn)行阻垢處理。阻垢方案中加入水質(zhì)在線監(jiān)測模塊，根據(jù)水質(zhì)反饋信息自動定量投放阻垢試劑，實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的阻垢。

根據(jù)此方案設(shè)計(jì)的阻垢裝置，可分為阻垢系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)。同樣以PLC作為控制核心，通過信號采集系統(tǒng)在線監(jiān)測泵站循環(huán)水pH 值、電導(dǎo)率、溫度、壓力的信息，自動制定加藥策略，控制加藥時(shí)間和加藥量，自動加藥，保證抽采系統(tǒng)無垢運(yùn)行。阻垢系統(tǒng)設(shè)有自動加藥裝置，按補(bǔ)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(wěn)定、致密牢固的保護(hù)膜的同時(shí)阻止了水垢的產(chǎn)生，阻垢率能達(dá)到95%以上。管路系統(tǒng)通過快速接頭與瓦斯抽采泵站循環(huán)水管路連接，形成阻垢循環(huán)系統(tǒng)，由PLC 進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)對循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果自動配比藥液濃度、確定投放時(shí)間，定時(shí)將阻垢藥液注入循環(huán)系統(tǒng)中，完成連續(xù)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(yè)試驗(yàn)

3.1 除垢試驗(yàn)

泵站內(nèi)共有5 臺水環(huán)真空泵及氣水分離器，經(jīng)與礦方協(xié)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(fù)；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(jīng)內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)部無垢，暫不清洗。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況卸下水環(huán)真空泵兩側(cè)排污口盲孔法蘭，改裝法蘭盤連接，作為除垢系統(tǒng)中水環(huán)真空泵的進(jìn)水口和出水口（只有1 個(gè)排污口時(shí)，上進(jìn)下出），水環(huán)真空泵的軸溢流管分別連接至出水口閥門后有單獨(dú)球閥和單向閥控制，以便收集軸溢流水到除垢系統(tǒng)的回水管路。水環(huán)真空泵側(cè)面頂部有接儀表預(yù)留口，改成排氣口，末端高于泵體，排除除垢反應(yīng)過程中產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)物，這主要是鐵元素被氧化，變成Fe3+，腐蝕產(chǎn)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(jī)鹽除垢劑對器壁具有很好的保護(hù)作用，會在器壁表面與鐵發(fā)生配位形成致密而堅(jiān)固的保護(hù)層，阻礙器壁被進(jìn)一步腐蝕。

3.2 阻垢試驗(yàn)

新景礦佛洼泵站循環(huán)水高位水池容積80 m3，低位水池容積200 m3，補(bǔ)充水流量約2.4 m3/h。將阻垢裝置接入循環(huán)水系統(tǒng)，定量投放阻垢試劑，運(yùn)行1 個(gè)月后，取循環(huán)水水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測，阻垢后循環(huán)水樣檢測結(jié)果見表4。由表4 可以看出，經(jīng)過阻垢處理后，循環(huán)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(dǎo)致電導(dǎo)率也明顯降低，出垢率、腐蝕率分別降至10%以內(nèi)，水環(huán)境明顯改善。

表4 阻垢后循環(huán)水樣檢測結(jié)果Table 4 Test results of water sample after scale inhibition

4 結(jié) 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(shù)裝備具有可操作性。

2）前期除垢通過水質(zhì)在線監(jiān)測、智能化藥劑投放等功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(shè)備內(nèi)部水垢清除徹底，管道表面整潔光滑；阻垢系統(tǒng)運(yùn)行1 個(gè)月后，循環(huán)水水質(zhì)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(shí)現(xiàn)了無垢運(yùn)行。